原子物理学 原子核物理概论 (7.1.1)--原子核物理的对象
第7章原子核物理概论
居里夫人在工作中遭受了大剂量的辐射.后来长期患恶性贫血 症.弗列德利克·约里奥曾检验过她当年的实验记录本,发现全都 严重沾染了放射物.她当年用过的烹调书,50年后再检查,还有放 射性.
第七章 原子核物理概论
【教学重点】 核力和核矩；放射性衰变的基本规律；和裂
变和核聚变。 【教学难点】核力和核结构。
第七章 原子核物理概论
Manufacture :Zhu Qiao Zhong 3
§7-1 原子核的描述
一、历史回顾 贝克勒尔发现放射现象（1896）
1896年,贝克勒尔发现钠盐的放射现象.
这是人类历史上第一次在实验室里观察 到原子核现象,是核物理学的开端.
第七章
原子核物理概论
Nuclear physics introduction
教材:原子物理学,杨福家,高教社,2008第四版 制作:红河学院理学院 Zhu Qiao Zhong
目录
第七章 原子核物理概论
§7-1原子核物理的对象 §7-2核力 §7-3核的基态特性之一：核质量 §7-4核的基态特性之二：核矩 *§7-5核模型
贝克勒尔是研究荧光和磷光现象的世家子弟,
于1892年担任巴黎自然历史博物馆教授 ,而此
职位是他祖父和父亲曾担任过的…
贝克勒尔,1852-1908 法,与居里夫妇共同获
偶然？必然？ 伦琴发现X射线后,彭加勒(法)认为“X射
线可能跟荧光属于同一机理”, 建议贝克勒 尔验证,终于发现钠盐有预期效果.同时发现
§7-5放射性衰变基本规律 §7-6 α衰变 §7-7 β衰变 §7-8 γ衰变 §7-8核反应和核能的利用
原子核物理概论
从核素图上看到，稳定的核素都分布在一个狭长 的带状区域内，通过这狭长带状区域中心可画一条
光滑曲线，这条曲线称为 稳定线(-stability line) 。
稳定线及其附近的这个狭长的带状区域称为核素 的稳定区。 稳定线起始段与N=Z的直线相重合； 随着核子数增多偏向N>Z方向。 上侧区域是缺中子的核素区，具有 放射性(包括 电子俘获 ) 或放射质子；下侧的区域是丰中子核素 区，具有 - 放射性或放射中子。这两个区域的核素 经衰变后转变为更靠近稳定线的核素。
为偶数的原子核是玻色子，服从玻色-爱因斯坦统计。
费米子体系
(xi x j ) - (x j xi )
玻色子体系
(xi x j ) (x j xi )
第七章
原子核物理概论
1,原子核的基本性质 2,原子核的结构模型 3,核衰变 4,核反应 5,裂变与聚变
原子核的一般性质
原子核是原子的中心 , 线度占万分之一，质量占
99%以上.
原子核对原子的主要贡献是原子核的质量和电荷。
把原子和原子核看作物质结构中两个层次。 核外电子行为对原子核的性质几乎没影响；物质 有些性质主要归因于核外电子，如元素化学性质、某 些物性及光谱特性等；有些性质归因于原子核，如放 射性等；除电性以外几乎不存在哪种性质是由原子核 和核外电子共同提供的。
1932年查德威克发现中子后，伊凡宁柯和海森 伯提出核的质子-中子假说。 质子p带1个单位正电荷，质量1.007277u，是电 子质量的1836.1倍；中子n不带电荷，质量1.008665u， 是电子质量的1838.1倍。
质子、中子统称核子，海森伯认为质子和中 子是核子的两个不同状态，质量上的微小差异是 由电性质的不同所引起的。
《原子物理学》教学大纲
《原子物理学》教学大纲课程类别：专业基础课，必修课先行课程：力学、电磁学、光学、高等数学后继课程：近代物理实验、量子力学主要教材：杨福家，原子物理学(第四版)，北京：高等教育出版社，2008总学时：48理论学时：48学分： 3开课学院：物理电子工程学院实验学时：实验纳入《近代物理实验》课程适用专业：国家理科基地、光信息、应用物理考核方式：考试参考书1 禇圣麟，原子物理学，北京：高等教育出版社，1979, 2005 年1 月第30次印刷。
(注：本书在1987年国家教育委员会举办的全国优秀教材评选中获国家教委一等奖)2 C. J. Foot，Atomic Physics，伦敦：牛津大学出版社，20053 徐栋培、陈宏芳、石名俊，原子物理与量子力学，北京：科学出版，20084 崔宏滨，原子物理学(第二版)，合肥：中国科学技术大学出版社，20125 徐克尊、陈向军、陈宏芳，近代物理学(第二版)，合肥：中国科学技术大学出版社，2008一、课程的目标和任务原子物理学是研究物质微观结构和运动规律的重要基础课，是深入了解物质结构和特性的基础，是许多学科的基础，所以这门课将为学生从事相关学科的研究及其应用领域工作打下良好的基础。
本课程的主要目标和任务是：以原子结构为中心，以科学实验为依据，详细研究原子的结构、性质、及其运动和变化规律，揭示现象与规律的本质；讲述量子物理的基本概念、基本原理和物理图象；初步了解原子核的结构、组成、性质及其相互作用规律；介绍原子物理学的前沿科学研究进展，通过理论与科研实践的结合培养学生分析和解决问题的能力。
二、课程教学的基本要求通过本课程的学习，使学生熟练掌握原子物理学、原子核物理学的基本原理、基本概念和基本规律；掌握原子和原子核的结构、运动规律和研究方法；攻克重点难点问题的解决办法，理论联系科研实践，揭示问题的本质和关键，培养学生不怕困难、勇于探索发现的精神，提高分析和解决问题的能力，使学生具备良好的科研素养，为学生将来的创新性研究工作打好基础。
原子物理学-原子核物理的对象
迄今为止发现2000多个核素，其中300多个天 然核素(280多个稳定核素，60多个放射性核素)， 其余是自1934年以来人工合成的放射性核素。
核素图
核素的稳定区：稳定核素几乎全落在
一条光滑曲线上或紧靠其两侧,
此区域称核素的稳定区.
对于轻核,这条曲线与直
线N＝Z重合,当N、Z
增大至一定数值后,
稳定线逐渐向
位于稳定线
N＞Z的方
上侧的为缺中子
向偏离.
核区,下侧为丰中子核区.
中子数和质子数过多或过少
的核素都不稳定.
中科院近物所.新核素图.114种元素.3070个核素
(4)
Stable and unstable nuclei: balance of numbers of protons and neutrons
第七章
原子核物理概论
主要内容
32 原子核物理的对象 33 核的基态特性之一:核质量 34 核力 35 核的基态特性之二:核矩 *36 核模型 37 放射性衰变的基本规律 38 α衰变 39 衰变 40 γ衰变 41 核反应 42 裂变与聚变:原子能的利用
§32 原子核物理的对象
下面一条极限 线为中子泄漏线， 线上中子结合能为零。
核素(nuclide)图
(1)原子的中心：原子核 线度、质量 原子核的电荷：q Ze
(2)历史回顾 1896年,贝克勒尔发现铀的放射现
象；
1897年,居里夫妇发现钋和镭；
1899-1900年，发现、、 射线；
1903年，卢瑟福证实 射线是氦核， 射线是电子；
1911年，卢瑟福提出原子核式模型； 1919年，卢瑟福首次实现人工核反应：
1952年，美国实现轻元素的热核爆炸； 1954年，苏联建成第一个原子能发电站； 1958年，我国建成第一座重水型原子反
原子核物理的对象核外电子
主要内容：
1、原子核的基本性质 2、放射性衰变的基本规律 3、三种衰变 4、核反应、原子能
§7.1、原子核物理的对象
核外电子-原子物理学 原子核-原子核物理学
一、原子的中心：原子核
原子核对原子性质的主要贡献是原子核的质量和电荷，原 子核的其他性质对原子的影响相当微小。 核外电子的行为对原子核的性质也几乎没有关系。 除了物质的电性以外几乎不存在哪种性质是由原子核和核 外电子共同提供的。
9 对铍（4 Be）核，Z=4，N=5，结合能
B 4M H 5mn M Be c2
4 1.007825 51.008665 9.012183 931.5
58.16MeV
原子核的结合能越大，核子之间的结合就越牢固， 原子核就越稳定。为了比较不同原子核的稳定程度，我们 引入核子的平均结合能，定义为原子核的结合能与原子核 内所包含的总核子数之比，即
9 4 例：氦（2 Be）原子的质量分别是 He）原子和铍（ 4 4.002605u和9.012183u，试计算氦核和铍核的结合能。 已知1uc2=931.5MeV。
4 He）核，Z=2，N=2，结合能 解：对氦（2
B 2M H 2mn M He c2
28.30MeV
2 1.007825 2 1.008665 4.002605 931.5
§7.2、核的基态特性之一：核质量
一、“1+1=2”
原子核的质量并不等于质子和中子的质量之和。
例如：氘核 2 H
中子质量： mn 1.008665u
质子质： mp 1.007277u 氘核质量： md 2.013552u
则 mp mn md 0.002390u 2.225MeV / c 中子和质子组成氘核时，会释放出一部分能量。
原子物理学 原子核物理概论 (7.10.2)--第七章原子核物理概论作业解答
第七章作业及解答7-1试计算核素40Ca 和56Fe 的结合能和比结合能．分析:此题可采用两种算法,一是按核结合能公式;另一是按魏扎克核质量计算公式.一.按核子结合能公式计算解：1 ) 对于核素40Ca ，A =40，Z =20，N =20 由结合能公式 B =Z m p +Z m e -M= (20×1.007825+20×1.008665-39.9625)u =0.36721u×931.5MeV/u=342MeV 比结合能 B /A =342/40=8.55MeV2 )对于核素56Fe ，A =56，Z =26，N =30 由结合能公式 B =Z m p +Z m e -M= (26×1.007825+30×1.008665-55.9349)u =0.5285u×931.5MeV/u=492.29775MeV 比结合能 B /A =492.29775/56MeV=8.79MeV 二.按魏扎克公式计算对于题目中所给的40Ca 和56Fe 都是偶偶核.依B=a V A-a s A 2/3-a c Z 2A -1/3-a sys (Z-N)2+a p A 1/2+B 壳,代入相应常数计算也可.7-2 1mg 238U 每分钟放出740个α粒子，试证明：1g 238U 的放射性活度为0.33μC i ，238U 的半衰期为4.5x109a ．31060740-⨯=A )(1033.0)(103.12613Ci S --⨯=⨯=)(1087.41002.6103.121182323813--⨯=⨯⨯⨯==S NAλ故9718105.41015.3/1087.4/693.02ln ⨯=⨯⨯==--λT （年）7-3活着的有机体中，14C 对12C 的比与大气中是相同的，约为1.3x10-12．有机体死亡后，由于14C 的放射性衰变，14C 的含量就不断减少，因此，测量每克碳的衰变率就可计算有机体的死亡时间．现测得：取之于某一骸骨的100g碳的β衰变率为300次衰变／min，试问该骸骨已有多久历史?解：100g 碳14的放射性活度 A=300次/min=5次/s , 又14C 的半衰期 T 1/2=5730a, 1克碳中碳14的含量为12103.1-⨯=M （克）故10122301059.5103.1141002.6⨯=⨯⨯⨯=-N （个）/克故)(13)(21.01059.51015.35730693.011111070----==⨯⨯⨯⨯=g m g s A 而)(310030011--==g m A 由33.431322000===∴==--A A A e A A T tTtt λ12147573012.2693.047.1)2ln 33.4ln (=⨯=⨯==∴T T t （年）7-4 一个放射性元素的平均寿命为10d ，试问在第5d 内发生衰变的数目是原来的多少?由10=τ天，1.01==∴τλ/天 teN N λ-=0 064.0)5()4(10510400=-=-=∆--e e N N N N N 7-5试问原来静止的226Ra 核在α衰变中发射的α粒子的能量是多少? )(102.50026.40176.2220254.2263u M -⨯=--=∆)(84.4931102.532MeV MC =⨯⨯=∆-故)(75.484.4226222MeV E =⨯=α7-6 210po 核从基态进行衰变，并伴随发射两组α粒子。
原子物理学教学大纲
原子物理学教学大纲原子物理学教学大纲引言：原子物理学是物理学的重要分支之一，研究原子及其组成部分的性质和行为。
在现代科学中，原子物理学扮演着关键的角色，为我们理解自然界的基本规律提供了重要的基础。
为了更好地进行原子物理学的教学，制定一份合理的教学大纲是必要的。
本文将探讨原子物理学教学大纲的内容和结构。
一、基本概念与原理1. 原子的基本结构：介绍原子的组成部分，包括质子、中子和电子，以及它们的相对质量和电荷。
2. 原子的量子性质：介绍原子的量子理论，包括波粒二象性、不确定性原理等，以及与原子性质相关的量子数和波函数。
3. 原子的能级结构：讲解原子的能级和轨道，以及原子的光谱现象，如吸收光谱、发射光谱和拉曼光谱等。
二、原子物理学实验技术1. 原子的探测与观测：介绍原子的探测技术，如原子力显微镜、透射电子显微镜等，以及原子的观测技术，如原子吸收光谱法、原子发射光谱法等。
2. 原子的激发与激光技术：讲解原子的激发过程和激发能级，以及激光技术在原子物理学中的应用，如激光冷却和激光激发等。
三、原子物理学的应用1. 原子核物理学：介绍原子核的结构和性质，以及核反应和核能的应用。
2. 量子力学的应用：讲解量子力学在原子物理学中的应用，如原子的波函数描述、原子的束缚态和散射态等。
3. 原子物理学在材料科学中的应用：探讨原子物理学在材料性质研究、纳米材料制备和表征等方面的应用。
四、实验与实践1. 实验设计与操作：介绍原子物理学实验的设计原理和操作技巧，培养学生的实验能力和科学思维。
2. 数据分析与结果解读：引导学生分析实验数据，理解实验结果，并提出合理的解释和结论。
结语：原子物理学教学大纲的制定旨在系统地介绍原子物理学的基本概念、原理和应用，并培养学生的实验能力和科学思维。
通过学习原子物理学，学生可以深入理解物质的微观结构和性质，为他们今后的学术研究和科学实践打下坚实的基础。
同时，教学大纲的内容和结构应不断更新，以适应科学研究的发展和教学需求的变化。
原子核物理学的基础
原子核物理学的基础原子核物理学是研究原子核的结构、性质及其相互作用的一门科学。
这一领域的研究不仅推动了科学技术的发展，还对人类社会的许多方面产生了深远的影响。
在这篇文章中，我们将探讨原子核物理学的基本概念、发展历程、实验方法以及其在现代科技中的应用。
原子核的构成原子核是原子的核心部分，它由质子和中子组成。
质子带正电，中子不带电，这两者统称为核子。
原子核的性质和行为取决于核子之间的相互作用，而这种相互作用又由强相互作用主导。
强相互作用是一种短程力，能够克服质子的静电排斥力，从而使它们可以在密集的空间内聚集在一起。
原子的质量大部分集中在其核中，因为质子的质量比电子的质量大得多。
质量与能量的关系根据爱因斯坦的质能关系公式 (E=mc^2)，质量和能量是可互换的。
在核物理学中，核反应释放或吸收的能量与参与反应的核子的质量有关，当这些核子重新组合成新的状态时，系统的总能量会发生变化。
这一点对于理解放射性衰变和核反应至关重要。
核子的特性质子的数目决定了元素的种类，称为原子序数。
中子的数目会影响同位素的形成，同位素是具有相同元素但中子数不同的一组原子。
正因为中子数量差异，导致同位素在化学性质上较为相似，但在物理性质上却可能显示出显著差异。
例如，氢有三种同位素：氕、重氢和超重氢。
核力与相互作用原子核内所有核子的行为都受到强相互作用力及其它影响，如电磁力、弱相互作用等的调节。
其中，强相互作用负责保持原子核内部质子和中子之间的结合。
强相互作用强相互作用是一种能量极强而且范围非常有限的力。
它主要表现为将核子彼此吸引，使得它们能够聚集在一起并形成稳定的原子核。
与此相对的是弱相互作用，它负责某些类型的放射性衰变，如β衰变。
弱相互作用虽然不能将核子绑定，但在某些情况下允许其转化成其它粒子。
放射性衰变放射性衰变是指不稳定原子核自发转化为更稳定状态的一种过程。
这种过程通常伴随有粒子的发射或能量的释放。
例如，铀-238经历α衰变会变成钍-234。
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1958 年，我国建成第一座重水型原 子反应堆；
（ 3 ）原子核 (nucleus) 的组成
★ 原子核由质子和电子组成？
•微 观 粒 子 的 波 动 性 （ 以 氦 核 为 例 ）
=2d≈10fm 非相对论
p
h
hc
c
ￗ
1240f mￗMeV 10f mￗc
1/12
1u
12 12
C
6.022 1023
1 12
g
1.66
1027
kg
核
子中质子子((nperuottroonn))：：mmpn
1.008665u 1.007277u
nucleon
原子核质量数 A ：原子的质量都接 近于一个整数 , 这个整数称为…原 子核的质量一般可用质谱仪测定， 其测量精度可达 10-6
中子数和质子数过多或过
(4)
Stable and unstable nuclei: balance of numbers of protons and neutrons
150
核 素
100
stable alpha decay beta decay electron capture positron emission fission
原子核表示符号：ZAX N（或AX） N： 核 内 中 子 数 ； Z： 核 内 质 子 数 ； A N + Z：核内的核子数， 即质量数。
原子核对原子性质起主要贡献的 是核的质量和电荷。
元素的物理、化学性质或光谱特 性主要与核外电子有关，而放射 性现象则归因于原子核。
核外电子的行为对原子核的影响 甚微 , 可不予考虑。
124
MeV c
v
p m
pc2 mc2
124c ￗMeV 0. 511MeV
240c
相对论
E2 ( pc)2 + ( mc2)2
pc 124 MeV ? mc2 0. 511MeV
E pc 124MeV
•核自旋 （以氮核为例）
★ 原子核由质子和中子组成
原子质量单位 u ：同位素 12C 原子质量的
核素 (nuclide) 图
§32 原子核物理的对象
(1) 原子的中心：原子核 线度、质量
原子核的电荷：q Ze
(2) 历史回顾 1896 年 , 贝克勒尔发现铀的放
射现象；
1897 年 , 居里夫妇发现钋和镭；
1899-1900 年，发现、、 射线
； 1903 年，卢瑟福证实 射线是氦
核， 射线是电子； 1911 年，卢瑟福提出原子核式模型
核素相关概念
元素 : 质子数相同的一类原子 .
核素 : 具有相同质子数和相同中子数的一类原
子同核位素. :Z 相同但 N 不同
例如 235U ,238U
同中子异位素 :N 相同但 Z 不 同 同量异位素 :A 相同但 Z 不同 .
同质异能素 :A 和 Z 均相 同但能量状态不同 .e
40 18
Ar
,1490K
例 如 60Co, 60 mCo
迄今为止发现 2000 多个核素，其中 300 多个天然核素 (280 多个稳定核素， 60 多个 放射性核素 ) ，其余是自 1934 年以来人工
核素
核图素 的 稳 定 区 ： 稳 定 核 素 几 乎 全 落 在
一条光滑曲线上或紧靠其两侧 ,
此区域称核素的稳定区 .
对于轻核 , 这条曲线与直
线 N ＝ Z 重合 , 当 N 、 Z
增大至一定数值后 ,
稳定线逐渐向
位于稳
定线
N ＞ Z 的方 缺中子
上侧的为
向偏离 .
核区 , 下侧为丰中子
核区 .
中科院近物所 . 新核素图 .114 种元素 .3070 个
N=Z
50
( nuclide)
图
0
0
20
40
60
80
100
proton number Z
稳定核素 ( 黑方块 ) 、实验已发现的 核素 ( 在两条曲折线范围内 ) 以及理 论预告的核素 ( 在两条实线 范围内 ). 上面一条实 线称为质子泄漏 线、线上质子 结合能为零
下面一条极限 线为中子泄漏线， 线上中子结合能为零。
第七章
原子核物理概论
主要内容
32 原子核物理的对象 33 核的基态特性之一 : 核质量 34 核力 35 核的基态特性之二 : 核矩 *36 核模型 37 放射性衰变的基本规律 38 α 衰变 39 衰变 40 γ 衰变 41 核反应 42 裂变与聚变 : 原子能的利用
；
1932 年，查德威克发现中子，海 森伯提出原子核由质子和中子组成 ；
1934 年，小居里夫妇发现人工放 射性；
1939 年，重核裂变现象被发现， 玻尔和惠勒提出重原子核裂变的液 滴模型理论；
1945 年，美国制造出原子弹；原子 弹在日本广岛分裂；
1952 年，美国实现轻元素的热核爆 炸；