原子物理学-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
物理学中的核物理学和原子物理学研究
物理学中的核物理学和原子物理学研究物理学作为一门关于自然界的科学，研究的是物质和能量以及它们之间的相互作用。
核物理学和原子物理学则是物理学的两个重要分支，它们研究的是微观世界中最基本的组成单位──原子核和原子。
一、核物理学研究核物理学主要研究原子核的性质、结构和变化，以及核反应的规律等。
它的研究对象是原子核，而原子核则由质子和中子组成。
核物理学主要包括以下几个方面的研究内容：1. 原子核的基本性质核物理学研究原子核的质量、电荷、自旋、磁矩等基本性质。
通过实验和理论模型的研究，我们可以更深入地了解原子核的组成和结构。
2. 原子核的结构核物理学研究原子核的结构特性，包括核的形状、壳层结构、能级分布等。
通过探究原子核的结构，我们可以揭示核力的作用机制以及核素的稳定性和放射性衰变规律。
3. 核反应核物理学研究原子核之间的相互作用过程，即核反应。
核反应包括核裂变和核聚变两种形式，研究核反应有助于我们理解核能的释放和利用，以及核武器和核能的应用。
二、原子物理学研究原子物理学主要研究原子的性质、结构和变化等方面的内容。
原子是构成物质的最小单位，由质子、中子和电子组成。
原子物理学主要包括以下几个方面的研究内容：1. 原子结构原子物理学研究原子的电子层结构、能级分布和电子云密度等特性。
通过研究原子的结构，我们可以了解元素的周期性表现和化学性质。
2. 原子光谱学原子物理学研究原子吸收和发射光谱现象，探究光与物质的相互作用规律。
通过原子光谱的研究，我们可以分析物质的组成和结构。
3. 原子核素的放射性衰变原子物理学研究放射性核素的衰变规律和放射线的性质。
放射性衰变是一种自然现象，了解放射性衰变可以帮助我们评估辐射风险和应对核辐射危害。
核物理学和原子物理学在科学研究和实际应用中扮演着重要角色。
核能的利用和核武器的研究都依赖于对原子核性质和反应过程的深入了解，而化学分析和光谱分析等领域也需要原子物理学的支持。
通过对核物理学和原子物理学的研究，人类更好地理解了物质构成的基本规律，并且将其应用于能源、医学、环境保护等方面，推动了人类社会的进步和发展。
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。
原子核物理学的基本概念及实验方法
原子核物理学的基本概念及实验方法原子核物理学，作为物理学的一个分支，研究的对象是原子核结构、反应和辐射等。
现代原子核物理学起源于放射性现象的研究，发展历程从放射性到核裂变、核聚变、中子、质子等粒子的发现和研究，再到核能的应用等。
本文将介绍原子核物理学的基本概念和实验方法。
一、原子核物理学的基本概念原子核是由质子和中子组成的，它是原子的稳定部分。
原子核的结构和性质是原子核物理学研究的核心内容。
原子核可描述为一个粒子系，其内部粒子与其他原子核、原子、电子等粒子交互作用，使其在宏观尺度下表现出各种性质和现象。
原子核物理学基本概念如下：1. 质量数：原子核的质量除原子电子外，主要由质子和中子的贡献构成。
质量数A是原子核中质子数Z与中子数N的和，即A=Z+N；2. 核荷数：原子核荷电量等于其内部质子数Z乘以基本电量e，即eZ，反之，由Z获得核荷信息；3. 核结合能：原子核组成带正电荷，故质子间存在相互斥力，使核系统处于不稳定平衡状态，核内包含中子的“引力”能够维持核结构稳定性。
所谓原子核结合能是指将核中的绝对质量总和与核离解成各自质量总和之差，乘以光速的平方即可得到结合能的数值。
二、原子核物理学的实验方法原子核物理学的实验方法是对原子核物理学研究所必要的重要手段。
实验室通常可将实验手段归为两类：一类是基于原子核间的相互作用，如核反应、核裂变等；二是基于测试加速器或天然辐射场的现象和反应。
1. 核反应核反应是指核粒子之间相互作用后发生的一系列物理过程。
在核反应中，参与反应的原子核可能发生聚变、裂变、放射性衰变、共振吸收等反应。
通过核反应，人们研究了许多探索原子核结构和性质的实验，如利用核反应研究高能粒子、研究核子内部状态等。
2. 核裂变核裂变是指原子核由外界作用下，分为两部分，使裂变合成核伴随着大量释放的能量和中性粒子。
裂变可以通过核反应诱导来实现。
核裂变在原子核物理学中的应用十分广泛，如核能发电和核武器。
《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。
核安全综合知识
核安全综合知识第一章 原子核物理基础引言1896年贝克勒尔发现天然放射性现象，人类历史上第一次在实验室观察到核变化。
这一重大发现是原子核物理的开端。
第一节 原子和原子核的基本性质一、原子与原子核1898年卢瑟福在“贝可勒尔射线”中发现了α、β粒子，后来证实了α射线是氦原子核，β射线是电子。
1911年卢瑟福根据α粒子的散射实验提出原子由原子核和核外电子组成的假设。
目前，人们已知120种元素。
核外电子运动构成了原子物理学的主要内容，而原子核内部核子的运动是原子核物理学的主要研究对象。
原子和原子核是物质结构的两个层次。
电子带负电荷，电子电荷的值为：e=1.60217733x10-19C，且电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整倍数。
电子的质量为me=9.1093897x10-31kg。
原子核带正电荷，集中了原子的全部正电荷。
原子的大小半径约为10-8cm的量级。
原子的质量中心与原子核的质量中心非常接近。
原子核的尺度只有几十飞米(1fm=10-15m=10-13cm)，放射现象则主要与原子核有关。
二、原子的壳层结构原子的核外电子称为轨道电子。
最靠近核的一个壳层称为K层，在它的外面依次为L、M、N、O壳层等，以此类推。
通常用量子数n(n=1,2,3…)代表壳层。
每个壳层可容纳2n2个电子。
除了K层以外，其他壳层又可分成(2l+1，l=n-1)个支壳层，l是描述电子轨道的量子数。
处于不同壳层的电子具有不同的位能，当电子从无穷远处移动到靠近原子核的位置时是电场力作功，K层的能级最低。
能级的能量大小就等于该壳层电子的结合能，要使该壳层电子脱离核的束缚成为自由电子所需做的功。
结合能是负值，通常以KeV为单位，K壳层电子的结合能的绝对值最大。
在正常情况下，电子先充满较低能级，但当原子受到内在原因或外来因素的作用时，低能级的电子可以被激发到高能级上（称激发过程），或电子被电离到原子的壳层之外（称电离过程），高能级电子就会跃迁到低能级上留下的空位上，并以电磁辐射的形式释放一个光子。
原子物理学。
原子物理学。
原子物理学是研究原子及其内部结构、性质和相互作用的学科。
它是现代物理学的重要分支之一，对理解物质的微观世界起着至关重要的作用。
原子物理学的研究对象是原子，它是物质的基本单位。
原子由原子核和围绕核运动的电子组成。
原子核由质子和中子组成，质子带有正电荷，中子没有电荷。
电子带有负电荷，数量与质子相等，使得原子整体呈现出电中性。
在原子物理学中，我们研究原子的结构和性质。
原子的结构由电子云和核组成。
电子云是电子在原子周围的分布，它的形状和能级决定了原子的化学性质。
原子核由质子和中子组成，质子的数量决定了原子的元素性质。
不同的元素由不同数量的质子组成，因此具有不同的化学性质。
原子物理学的研究还包括原子的相互作用。
原子之间可以通过电磁力相互作用，形成分子和晶体等复杂结构。
原子内部的相互作用也非常重要，如原子核内质子和中子之间的相互作用，以及电子与原子核之间的相互作用。
这些相互作用决定了原子的稳定性和性质。
通过研究原子物理学，我们可以更好地理解物质的性质和行为。
原子物理学在许多领域具有广泛的应用，包括材料科学、能源研究、医学和环境科学等。
例如，原子物理学可以帮助我们开发新型材料，
改善能源利用效率，探索医学诊断和治疗的新方法，以及研究大气污染和环境保护等问题。
原子物理学是一门重要的学科，它研究原子的结构、性质和相互作用，对于我们理解物质世界起着重要的作用。
通过深入研究原子物理学，我们可以更好地认识和利用原子的特性，推动科学技术的发展，为人类社会的进步做出贡献。
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。
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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
应堆； 1964年，我国成功试爆原子弹； 1967年，我国成功试爆氢弹。
（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
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。
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核.
同位素:Z相同但N不同 同中子异位素:N相同但Z不同
例如 例如
235U ,238U
2 1
H
,
3 2
H
e
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.
例如
40 18
Ar
,1490K
例如 60Co,60 mCo
原子质量单位u：同位素12C原子质量的1/12
1u
12 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
p
h
hc
c
1240fm MeV 10fm c
124 MeV c
v
p m
pc2 mc2
124c MeV 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
核
150
素
100
stable alpha decay beta decay electron capture positron emission fission
N=Z
(nuclide)
50
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
用粒子从氮核中打出质子；
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；
1942年，费米等发明热中子链式反应 堆；
1945年，美国制造出原子弹；原子弹 在日本广岛分裂；