高等核电子学5-1
4.1.1原子结构核素教学设计2024-2025学年高一上学期化学人教版(2019)必修第一册
3.证据推理能力：学生将能够根据实验现象和理论知识，分析并推理出原子结构与核素的性质和规律。他们将能够通过观察和实验数据，推理出原子核的稳定性和核外电子的排布规律。
答案：同位素是指具有相同原子序数但质量数不同的原子。碳-12（C-12）的原子序数为6，质量数为12。碳-14（C-14）的原子序数也为6，但质量数为14。碳-12和碳-14在元素周期表中用相同的元素符号“C”表示，但通过质量数来区分。
5.例题5：原子结构和核素在化学反应中的应用
题目：解释原子结构和核素在化学反应中的作用，并给出一个具体的例子。
教学资源准备
1.教材：确保每位学生都有本节课所需的教材《化学人教版（2019）必修第一册》，以便学生能够跟随教学进度进行学习和复习。
2.辅助材料：准备与教学内容相关的图片、图表、视频等多媒体资源，以直观展示原子结构和核素的相关概念。例如，准备原子核结构示意图、电子云示意图、元素周期表等，帮助学生更好地理解和记忆知识点。
教学反思与总结
今天的教学活动结束了，我坐在办公室里，静静地回想着刚才的课堂情况。我意识到，作为一名教师，我的责任和使命是帮助学生理解和掌握知识，同时激发他们的兴趣和热情。
首先，我对我使用的教学方法进行了反思。我试图通过提问和展示图片来引起学生对原子结构和核素的兴趣。我觉得这种方法在一定程度上激发了学生的兴趣，但我也注意到，有些学生在课堂上仍然显得有些被动。我意识到，仅仅依靠提问和展示图片可能不足以激发所有学生的兴趣。我需要找到更多的方式来吸引他们的注意，比如通过实验、讨论等。
【走向高考】高考化学一轮复习_5-1_原子结构与化学键课件_新人教版
解析：对各选项分析如下：
答案：B
2.下列关于原子的几种描述中，不正确的是( ) A．18O 与 19F 具有相同的中子数 B．16O 与 17O 具有相同的电子数 C．15N 与 14N 具有相同的质子数 D．12C 与 13C 具有相同的质量数
答案：D
3.15331I 是常规核裂变产物之一，可以通过测定大气或水中15331I 的 含量变化来监测核电站是否发生放射性物质泄漏。下列有关15331I 的 叙述中错误的是( )
答案：B
7．近年来，研制的 NF3 气体可用作氟化氢-氟化氚高能化学激 光器的氟源，也可作为火箭推进剂，NF3 可用 NH3 与氟气制取，化 学方程式为 4NH3＋3F2===NF3＋3NH4F，下列说法中不正确的是 ()
B．NF3 的氧化性大于 F2 的 C．NF3 分子空间构型为三角锥形 D．NH4F 中既有离子键又有极性共价键
综合考查重要的化学反应，微粒中质子数、中子数、电子数 等的计算，离子半径的比较等。在综合推断题中考查核外电 子排布、化学键等。
自主复习
一、原子结构 1．原子的构成
2．原子中各粒子之间的数量关系
(1)18O 中的质子数为 8 ，中子数为 10 。 (2)15331I 中的中子数与质子数之差为 25 。 (3)D3O＋中的质子数为 11 ，电子数为 10 ，中子数为 11 。 (4)CO32－中的质子数为 30 ，电子数为 32 。
(1)X、Z 两种元素的元素符号：X________、Z________。 (2)由以上元素中两两形成的化合物中，溶于水显碱性的气态氢 化物的电子式为________，它的共价键属于________(填“极性” 或“非极性”)键；含有离子键和非极性共价键的化合物的电子式 为________；含有极性共价键和非极性共价键的化合物的电子式为 ________。
(学习指导)专题5第1单元 原子结构 核外电子排布含解析
第一单元原子结构核外电子排布[课标解读]1.了解元素、核素和同位素的含义。
2.了解原子的构成，了解原子序数、核电荷数、质子数、中子数、核外电子数以及它们之间的相互关系。
3.了解核外电子排布规律，掌握原子或离子结构示意图。
4.了解原子核外电子的运动状态和排布原理，能正确书写1～36号元素原子核外电子、价电子的电子排布式和轨道表示式(或电子排布图)。
原子结构同位素知识梳理1．原子构成(1)原子符号与构成(2)粒子中的“各数”间的关系①质量关系：质量数(A)＝质子数(Z)＋中子数(N)。
2．元素、核素、同位素(1)“三素”关系及含义(2)几种重要的核素及其应用核素23592U 14 6C 21H 31H 18 8O用途核燃料用于考古断代制氢弹示踪原子(3)1H：用字母H表示，名称为氕，不含中子。
12H：用字母D表示，名称为氘或重氢，含1个中子。
13H：用字母T表示，名称为氚或超重氢，含2个中子。
1注意：相对原子质量的分类①原子(即核素)的相对原子质量的比值。
一种元素有几种同位素，一个原子(即核素)的质量与一个12C质量的112就有几种不同核素的相对原子质量。
②元素的相对原子质量是按该元素各种天然同位素原子所占的原子百分比算出的平均值。
如：A r(Cl)＝A r(35Cl)×a%＋A r(37Cl)×b%。
③核素的近似相对原子质量＝质量数。
④元素的近似相对原子质量＝A1×a%＋A2×b%＋……[辨易错](1)任何原子都有质子、中子和电子。
()(2)质子数相同的粒子相应的元素一定是同一种元素。
()(3)任何阴、阳离子中均含有电子。
()(4)一种元素可以有多种核素，也可能只有一种核素，有多少种核素就有多少种原子。
()(5)核聚变如21H＋31H―→42He＋10n，因为有新粒子生成，所以该变化是化学变化。
()(6)H2、D2、HD均为氢元素的不同单质，三者属于同素异形体。
“核电子学”课程的改进和建议——以西南科技大学为例
基金项目： 西南科技大学高教研究项目（ 项目编号： 12GJZX18） 。 70
一、课程内容需要更新
对信 号 的 等 效 和 放 大 内 容，在 传 统 的 “电路分析”与“模拟电子技术”中早就有讲 述，放到这里再讲内容有些重复。应该从更 高的层次进行分析，换句话说，从信号与系统 的角度讲述该内容，才会显得更加合理。具 体其中的一些技术细节或电路实现，可以在 日后的工作弥补，通过翻阅资料来进行补充 或实践来解决。如针对一个具体的放大器， 以后到了工作单位，有了设计条件，处理起来 很容易。课堂上应该更加聚焦基本原理，基 本理论，基本方法传授。不应局限于某一具 体电路。 这 里 就 提 出 一 个 问 题，应 该 对“信 号与系统”进行开设或者开设“工程数学”， 针对连续信号的傅里叶变换或者拉普拉斯变 换进行讲解，使得学生对基本原理清楚，而在 日后的应用中灵活处理。或者改成“拉普拉 斯变化 在 核 电 子 学 中 的 应 用 ”，这 样 可 以 将 传统的模拟核电子学前端内容讲透。
为电压灵敏型、电荷灵敏型、电流灵敏型，不 论何种都可等效成积分型的电流电压转换的 夸导放大器。其作用是对微弱的电荷或者电 流信号进行放大，完成阻抗转换与匹配。主 放大器也叫谱仪放大器，其作用是对信号滤 波或者称之为成型，以达到最佳信噪比。多 道幅度分析器或甄别器完成对信号幅度的分 类统计，得到放射性能谱或者计数率或者活 度等。随着时间的推移上述问题的教学内容 需要更新与改进，传统的以模拟信号处理为 主的方式，已很难适应新的形势的发展，下面 从四方面进行阐述。
核电子学是核科学与技术中一门重要的 课程，主要讲述探测器输出信号后的处理，包 括对探测器三类输出信号的研究以及等效电 路的研究等。国内外开设的学校有： 清华大 学、中国科技大学、南华大学、哈尔滨工程大 学、四川大学、成都理工大学等等［1 －6］。使用 的教材基本局限于王经谨教授编写的《核电 子学》及其变本。主要内容包括： 探测等效 电路，通常等效成一个电流源于一个电容电 阻的并联形式，对其赋值不同的参数可以得 到其输出形式，通常其冲击响应的形式为标 准的负指数形式。前置放大器电路。通常分
微专题1 核外电子排布的规范书写与应用课件高二化学人教版选择性必修2
,占据该能
。
。
(2)写出33号元素As的基态原子的最外层电子轨道表示式:
。
(3)已知铁是26号元素,写出Fe的价层电子排布式:
(4)Zn2+的核外电子排布式为
答案 (1)L
球形和哑铃状
(2)
(3)3d64s2 (4)1s22s22p63s23p63d10
。
解析 (1)N是7号元素,根据构造原理可知,基态N原子的核外电子排布式是
(6)有6个未成对电子:3d54s1。
例2 (1)[202X海南卷]基态O原子的电子排布式为
。
。
(2)[202X福建卷]基态C原子的成对电子数与未成对电子数之比为
(3)[202X全国卷Ⅰ]基态Fe2+与Fe3+中未成对的电子数之比为
(4)[202X海南卷]Mn位于元素周期表中第四周期第
核外未成对电子有
为
。
(2)[202X江苏高考]Cu2+基态核外电子排布式为
。
(3)[202X全国卷Ⅱ]基态Fe原子价层电子的电子排布图(轨道表示式)
为
形。
,基态S原子电子占据最高能级的电子云轮廓图为
(4)[202X全国卷Ⅲ]Co基态原子核外电子排布式为
(5)[202X全国卷Ⅰ]基态Ge原子的核外电子排布式为[Ar]
。
(3)铁是26号元素,根据构造原理可知,基态Fe原子核外电子排布式是
1s22s22p63s23p63d64s2,简写为[Ar]3d64s2,则Fe的价层电子排布式为3d64s2。
(4)Zn是30号元素,根据构造原理可知,基态Zn原子核外电子排布式是
1s22s22p63s23p63d104s2。Zn2+是Zn原子失去最外层的2个4s电子形成的离子,
高考化学一轮复习 第1部分 专题5 第1单元 原子结构 核外电子排布教案
原子结构 核外电子排布 考纲定位 核心素养 1.了解元素、核素和同位素的含义。
2．了解原子构成。
了解原子序数、核电荷数、质子数、中子数、核外电子数及它们之间的相互关系。
3．了解原子的核外电子排布规律。
掌握原子结构示意图、原子符号、离子符号、元素符号的表示方法。
1.微观探析——从核电荷数、质子数、中子数、核外电子数及其排布掌握原子的微观结构。
2．模型认知——根据核外电子排布规律领会原子结构模型。
3．科学探究——能发现和提出有探究价值的原子结构及核外电子排布规律。
考点一| 原子结构和核素、同位素1．原子结构(1)原子的构成(2)核素(原子)符号表示AZ X 表示质子数为Z 、质量数为A 、中子数为A －Z 的核素，如氘21H 。
(3)微粒中的“各数”间的关系①质量关系：质量数(A )＝质子数(Z )＋中子数(N )。
②电性关系⎩⎪⎨⎪⎧ 原子AZ X ：核外电子数＝质子数Z ＝ 核电荷数＝原子序数阴离子o\al(A ,Z )X n －：核外电子数＝Z ＋n 阳离子A Z X n ＋：核外电子数＝Z －n提醒：原子结构中的“不一定”(1)原子中不一定都含有中子，如11H 中没有中子；(2)电子排布完全相同的原子不一定是同一种原子，如互为同位素的各原子；(3)易失去1个电子形成＋1价阳离子的不一定是金属原子，如氢原子失去1个电子形成H＋；(4)形成稳定结构的离子最外层不一定是8个电子，如Li＋为2电子稳定结构；(5)阳离子不一定均有电子，如H＋。
2．元素、核素、同位素(1)“三素”关系及含义(2)几种重要的核素及其应用11H：用字母H表示，名称为氕，不含中子。
21H：用字母D表示，名称为氘或重氢，含1个中子。
31H：用字母T表示，名称为氚或超重氢，含2个中子。
提醒：(1)现行元素周期表已发现的元素有118种，由于同位素的存在，故核素(或原子)的种数远大于118种。
(2)不同核素可能具有相同的质子数，如21H、31H；也可能具有相同的中子数，如14 6C、16 8 O；也可能具有相同的质量数，如11 6C、11 7N。
大学物理第五版(马文蔚)电磁学习题答案
第五章 静 电 场5 －1 电荷面密度均为＋ζ的两块“无限大”均匀带电的平行平板如图(A )放置，其周围空间各点电场强度E (设电场强度方向向右为正、向左为负)随位置坐标x 变化的关系曲线为图(B )中的( )分析与解 “无限大”均匀带电平板激发的电场强度为02εζ，方向沿带电平板法向向外，依照电场叠加原理可以求得各区域电场强度的大小和方向.因而正确答案为(B ).5 －2 下列说法正确的是( )(A )闭合曲面上各点电场强度都为零时，曲面内一定没有电荷(B )闭合曲面上各点电场强度都为零时，曲面内电荷的代数和必定为零(C )闭合曲面的电通量为零时，曲面上各点的电场强度必定为零(D )闭合曲面的电通量不为零时，曲面上任意一点的电场强度都不可能为零 分析与解 依照静电场中的高斯定理，闭合曲面上各点电场强度都为零时，曲面内电荷的代数和必定为零，但不能肯定曲面内一定没有电荷；闭合曲面的电通量为零时，表示穿入闭合曲面的电场线数等于穿出闭合曲面的电场线数或没有电场线穿过闭合曲面，不能确定曲面上各点的电场强度必定为零；同理闭合曲面的电通量不为零，也不能推断曲面上任意一点的电场强度都不可能为零，因而正确答案为(B ).5 －3下列说法正确的是( )(A) 电场强度为零的点，电势也一定为零(B) 电场强度不为零的点，电势也一定不为零(C) 电势为零的点，电场强度也一定为零(D) 电势在某一区域内为常量，则电场强度在该区域内必定为零分析与解电场强度与电势是描述电场的两个不同物理量，电场强度为零表示试验电荷在该点受到的电场力为零，电势为零表示将试验电荷从该点移到参考零电势点时，电场力作功为零.电场中一点的电势等于单位正电荷从该点沿任意路径到参考零电势点电场力所作的功；电场强度等于负电势梯度.因而正确答案为(D).*5 －4在一个带负电的带电棒附近有一个电偶极子，其电偶极矩p的方向如图所示.当电偶极子被释放后，该电偶极子将( )(A) 沿逆时针方向旋转直到电偶极矩p水平指向棒尖端而停止(B) 沿逆时针方向旋转至电偶极矩p水平指向棒尖端，同时沿电场线方向朝着棒尖端移动(C) 沿逆时针方向旋转至电偶极矩p水平指向棒尖端，同时逆电场线方向朝远离棒尖端移动(D) 沿顺时针方向旋转至电偶极矩p 水平方向沿棒尖端朝外，同时沿电场线方向朝着棒尖端移动分析与解电偶极子在非均匀外电场中，除了受到力矩作用使得电偶极子指向电场方向外，还将受到一个指向电场强度增强方向的合力作用，因而正确答案为(B).5 －5精密实验表明，电子与质子电量差值的最大范围不会超过±10－21e，而中子电量与零差值的最大范围也不会超过±10－21e，由最极端的情况考虑，一个有8个电子，8个质子和8个中子构成的氧原子所带的最大可能净电荷是多少？若将原子视作质点，试比较两个氧原子间的库仑力和万有引力的大小.分析 考虑到极限情况， 假设电子与质子电量差值的最大范围为2×10－21 e ，中子电量为10－21 e ，则由一个氧原子所包含的8 个电子、8 个质子和8个中子可求原子所带的最大可能净电荷.由库仑定律可以估算两个带电氧原子间的库仑力，并与万有引力作比较.解 一个氧原子所带的最大可能净电荷为()e q 21max 10821-⨯⨯+=二个氧原子间的库仑力与万有引力之比为1108.2π46202max <<⨯==-Gmεq F F g e 显然即使电子、质子、中子等微观粒子带电量存在差异，其差异在±10－21e 范围内时，对于像天体一类电中性物体的运动，起主要作用的还是万有引力. 5 －6 1964年，盖尔曼等人提出基本粒子是由更基本的夸克构成，中子就是由一个带e 32 的上夸克和两个带e 31-的下夸克构成.若将夸克作为经典粒子处理(夸克线度约为10－20 m)，中子内的两个下夸克之间相距2.60×10－15 m .求它们之间的相互作用力.解 由于夸克可视为经典点电荷，由库仑定律()r r r re εr q q εe e e F N 78.3π41π412202210=== F 与径向单位矢量e r 方向相同表明它们之间为斥力.5 －7 质量为m ，电荷为－e 的电子以圆轨道绕氢核旋转，其动能为E ｋ .证明电子的旋转频率满足4320232me E εk =v 其中ε0 是真空电容率，电子的运动可视为遵守经典力学规律.分析 根据题意将电子作为经典粒子处理.电子、氢核的大小约为10－15 m ，轨道半径约为10－10 m ，故电子、氢核都可视作点电荷.点电荷间的库仑引力是维持电子沿圆轨道运动的向心力，故有2202π41r e εr m =v由此出发命题可证.证 由上述分析可得电子的动能为re εm E K 202π8121==v 电子旋转角速度为3022π4mr εe ω= 由上述两式消去r ，得432022232π4m e E εωK ==v 5 －8 在氯化铯晶体中，一价氯离子Cl －与其最邻近的八个一价铯离子Cs +构成如图所示的立方晶格结构.(1) 求氯离子所受的库仑力；(2) 假设图中箭头所指处缺少一个铯离子(称作晶格缺陷)，求此时氯离子所受的库仑力.分析 铯离子和氯离子均可视作点电荷，可直接将晶格顶角铯离子与氯离子之间的库仑力进行矢量叠加.为方便计算可以利用晶格的对称性求氯离子所受的合力.解 (1) 由对称性，每条对角线上的一对铯离子与氯离子间的作用合力为零，故F 1 ＝0.(2) 除了有缺陷的那条对角线外，其它铯离子与氯离子的作用合力为零，所以氯离子所受的合力F 2 的值为N 1092.1π3π4920220212⨯===aεe r εq q F F 2 方向如图所示.5 －9 若电荷Q 均匀地分布在长为L 的细棒上.求证：(1) 在棒的延长线，且离棒中心为r 处的电场强度为 2204π1L r Q εE -= (2) 在棒的垂直平分线上，离棒为r 处的电场强度为2204π21Lr r Q εE += 若棒为无限长(即L →∞)，试将结果与无限长均匀带电直线的电场强度相比较.分析 这是计算连续分布电荷的电场强度.此时棒的长度不能忽略，因而不能将棒当作点电荷处理.但带电细棒上的电荷可看作均匀分布在一维的长直线上.如图所示，在长直线上任意取一线元d x ，其电荷为d q ＝Q d x /L ，它在点P 的电场强度为r r q εe E 20d π41d '=整个带电体在点P 的电场强度⎰=E E d接着针对具体问题来处理这个矢量积分.(1) 若点P 在棒的延长线上，带电棒上各电荷元在点P 的电场强度方向相同，⎰=LE i E d (2) 若点P 在棒的垂直平分线上，如图(A )所示，则电场强度E 沿x 轴方向的分量因对称性叠加为零，因此，点P 的电场强度就是⎰⎰==Ly E αE j j E d sin d 证 (1) 延长线上一点P 的电场强度⎰'=L r πεq E 202d ，利用几何关系 r ′＝r －x 统一积分变量，则 ()220022204π12/12/1π4d π41L r Q εL r L r L εQ x r L x Q εE L/-L/P -=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+--=-=⎰电场强度的方向沿x 轴.(2) 根据以上分析，中垂线上一点P 的电场强度E 的方向沿y 轴，大小为E r εq αE L d π4d sin 2⎰'= 利用几何关系 sin α＝r /r ′，22x r r +=' 统一积分变量，则()2203/22222041π2d π41L r r εQ r x L xrQ εE L/-L/+=+=⎰ 当棒长L →∞时，若棒单位长度所带电荷λ为常量，则P 点电场强度r ελL r L Q r εE l 0220π2 /41/π21lim =+=∞→此结果与无限长带电直线周围的电场强度分布相同［图(B )］.这说明只要满足r 2/L 2 ＜＜1，带电长直细棒可视为无限长带电直线.5 －10 一半径为R 的半球壳，均匀地带有电荷，电荷面密度为ζ，求球心处电场强度的大小.分析 这仍是一个连续带电体问题，求解的关键在于如何取电荷元.现将半球壳分割为一组平行的细圆环，如图所示，从教材第5 －3 节的例1 可以看出，所有平行圆环在轴线上P 处的电场强度方向都相同，将所有带电圆环的电场强度积分，即可求得球心O 处的电场强度.解 将半球壳分割为一组平行细圆环，任一个圆环所带电荷元θθR δS δq d sin π2d d 2⋅==，在点O 激发的电场强度为()i E 3/2220d π41d r x qx ε+=由于平行细圆环在点O 激发的电场强度方向相同，利用几何关系θR x cos =，θR r sin =统一积分变量，有()θθθεδθθR πδR θR πεr x q x πεE d cos sin 2 d sin 2cos 41d 41d 02303/2220=⋅=+= 积分得 02/004d cos sin 2εδθθθεδE π⎰== 5 －11 水分子H 2O 中氧原子和氢原子的等效电荷中心如图所示，假设氧原子和氢原子等效电荷中心间距为r 0 .试计算在分子的对称轴线上，距分子较远处的电场强度.分析 水分子的电荷模型等效于两个电偶极子，它们的电偶极矩大小均为00er P =，而夹角为2θ.叠加后水分子的电偶极矩大小为θer P cos 20=，方向沿对称轴线，如图所示.由于点O 到场点A 的距离x ＞＞r 0 ，利用教材第5 －3 节中电偶极子在延长线上的电场强度302π41xp εE = 可求得电场的分布.也可由点电荷的电场强度叠加，求电场分布. 解1 水分子的电偶极矩θer θP P cos 2cos 200==在电偶极矩延长线上30030030cos π1cos 4π412π41xθer εx θer εx p εE === 解2 在对称轴线上任取一点A ，则该点的电场强度+-+=E E E2020π42π4cos 2cos 2xεe r εθer E βE E -=-=+ 由于 θxr r x r cos 202022-+=rθr x βcos cos 0-=代入得()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--+-=23/20202001cos 2cos π42x θxr r x θr x εe E 测量分子的电场时， 总有x ＞＞r 0 ， 因此， 式中()⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-≈⎪⎭⎫ ⎝⎛-≈-+x θr x x θr x θxr r x cos 2231cos 21cos 2033/2033/20202，将上式化简并略去微小量后，得300cos π1x θe r εE = 5 －12 两条无限长平行直导线相距为r 0 ，均匀带有等量异号电荷，电荷线密度为λ.(1) 求两导线构成的平面上任一点的电场强度( 设该点到其中一线的垂直距离为x )；(2) 求每一根导线上单位长度导线受到另一根导线上电荷作用的电场力.分析 (1) 在两导线构成的平面上任一点的电场强度为两导线单独在此所激发的电场的叠加.(2) 由F ＝q E ，单位长度导线所受的电场力等于另一根导线在该导线处的电场强度乘以单位长度导线所带电量，即：F ＝λE .应该注意：式中的电场强度E 是另一根带电导线激发的电场强度，电荷自身建立的电场不会对自身电荷产生作用力.解 (1) 设点P 在导线构成的平面上，E ＋、E －分别表示正、负带电导线在P 点的电场强度，则有()i i E E E x r x r ελx r x ελ-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=+=+-00000π211π2 (2) 设F ＋、F －分别表示正、负带电导线单位长度所受的电场力，则有 i E F 00π2r ελλ==-+ i E F 002π2r ελλ-=-=+- 显然有F ＋＝F －，相互作用力大小相等，方向相反，两导线相互吸引.5 －13 如图为电四极子，电四极子是由两个大小相等、方向相反的电偶极子组成.试求在两个电偶极子延长线上距中心为z 的一点P 的电场强度(假设z ＞＞d).分析 根据点电荷电场的叠加求P 点的电场强度.解 由点电荷电场公式，得()()k k k E 202020π41π412π41d z q εd z q εz q ε++-+= 考虑到z ＞＞d ，简化上式得()()k k k E 42022220222206π4...321...32112π4/11/1112π4z qd εq z d z d z d z d z z εq z d z d z z εq =⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-+++++-=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+-= 通常将Q ＝2qd 2 称作电四极矩，代入得P 点的电场强度k E 403π41z Q ε= 5 －14 设匀强电场的电场强度E 与半径为R 的半球面的对称轴平行，试计算通过此半球面的电场强度通量.分析 方法1：由电场强度通量的定义，对半球面S 求积分，即⎰⋅=SS d s E Φ 方法2：作半径为R 的平面S ′与半球面S 一起可构成闭合曲面，由于闭合面内无电荷，由高斯定理∑⎰==⋅01d 0q εS S E 这表明穿过闭合曲面的净通量为零，穿入平面S ′的电场强度通量在数值上等于穿出半球面S 的电场强度通量.因而⎰⎰'⋅-=⋅=S S S E S E Φd d 解1 由于闭合曲面内无电荷分布，根据高斯定理，有⎰⎰'⋅-=⋅=S S S E S E Φd d 依照约定取闭合曲面的外法线方向为面元d S 的方向，E R πR E 22πcos π=⋅⋅-=Φ解2 取球坐标系，电场强度矢量和面元在球坐标系中可表示为①()r θθθE e e e E sin sin cos sin cos ++=r θθR e S d d sin d 2=ER θθER θθER SS 2π0π02222πd sin d sin d d sin sin d ===⋅=⎰⎰⎰⎰S E Φ5 －15 边长为a 的立方体如图所示，其表面分别平行于Oxy 、Oyz 和Ozx 平面，立方体的一个顶点为坐标原点.现将立方体置于电场强度()12E kx E +E =i +j (k ，E 1 ，E 2 为常数)的非均匀电场中，求电场对立方体各表面及整个立方体表面的电场强度通量.解 如图所示，由题意E 与Oxy 面平行，所以任何相对Oxy 面平行的立方体表面，电场强度的通量为零，即0==D EFG O ABC ΦΦ.而()[]()2221ABGF d a E dS E kx E =⋅++=⋅=⎰⎰j j i S E Φ考虑到面CDEO 与面ABGF 的外法线方向相反，且该两面的电场分布相同，故有22a E ABG F CD EO -=-=ΦΦ同理 ()[]()2121AOEF d a E dS E E -=-⋅+=⋅=⎰⎰i j i S E Φ ()[]()()2121BCDG d a ka E dS E ka E Φ+=⋅++=⋅=⎰⎰i j i S E因此，整个立方体表面的电场强度通量3ka ==∑ΦΦ5 －16 地球周围的大气犹如一部大电机，由于雷雨云和大气气流的作用，在晴天区域，大气电离层总是带有大量的正电荷，云层下地球表面必然带有负电荷.晴天大气电场平均电场强度约为1m V 120-⋅，方向指向地面.试求地球表面单位面积所带的电荷(以每平方厘米的电子数表示).分析 考虑到地球表面的电场强度指向地球球心，在大气层中取与地球同心的球面为高斯面，利用高斯定理可求得高斯面内的净电荷.解 在大气层临近地球表面处取与地球表面同心的球面为高斯面，其半径E R R ≈(E R 为地球平均半径).由高斯定理∑⎰=-=⋅q εR E E 021π4d S E 地球表面电荷面密度∑--⨯-=-≈=2902cm 1006.1π4/E εR q ζE单位面积额外电子数25cm 1063.6/-⨯=-=e ζn5 －17 设在半径为R 的球体内，其电荷为球对称分布，电荷体密度为()()R r ρkr ρ>=≤≤=0R r 0 k 为一常量.试分别用高斯定理和电场叠加原理求电场强度E 与r 的函数关系.分析 通常有两种处理方法：(1) 利用高斯定理求球内外的电场分布.由题意知电荷呈球对称分布，因而电场分布也是球对称，选择与带电球体同心的球面为高斯面，在球面上电场强度大小为常量，且方向垂直于球面，因而有2Sπ4d r E ⋅=⋅⎰S E 根据高斯定理⎰⎰=⋅V ρεd 1d 0S E ，可解得电场强度的分布. (2) 利用带电球壳电场叠加的方法求球内外的电场分布.将带电球分割成无数个同心带电球壳，球壳带电荷为r r ρq ''⋅=d π4d 2，每个带电球壳在壳内激发的电场0d =E ，而在球壳外激发的电场r rεq e E 20π4d d = 由电场叠加可解得带电球体内外的电场分布()()()()R r r r R r>=≤≤=⎰⎰ d R r 0 d 00E E E E解1 因电荷分布和电场分布均为球对称，球面上各点电场强度的大小为常量，由高斯定理⎰⎰=⋅V ρεd 1d 0S E 得球体内(0≤r ≤R )()400202πd π41π4r εk r r kr εr r E r ==⎰ ()r εkr r e E 024= 球体外(r ＞R )()400202πd π41π4r εk r r kr εr r E R ==⎰ ()r εkR r e E 024= 解2 将带电球分割成球壳，球壳带电r r r k V ρq '''==d π4d d 2由上述分析，球体内(0≤r ≤R )()r r rεkr r r r r k εr e e E 0222004d π4π41=''⋅'=⎰ 球体外(r ＞R )()r r Rr εkR r r r πr k πεr e e E 20222004d 441=''⋅'=⎰ 5 －18 一无限大均匀带电薄平板，电荷面密度为ζ，在平板中部有一半径为r 的小圆孔.求圆孔中心轴线上与平板相距为x 的一点P 的电场强度.分析 用补偿法求解利用高斯定理求解电场强度只适用于几种非常特殊的对称性电场.本题的电场分布虽然不具有这样的对称性，但可以利用具有对称性的无限大带电平面和带电圆盘的电场叠加，求出电场的分布.若把小圆孔看作由等量的正、负电荷重叠而成，挖去圆孔的带电平板等效于一个完整的带电平板和一个带相反电荷(电荷面密度ζ′＝－ζ)的小圆盘.这样中心轴线上的电场强度等效于平板和小圆盘各自独立在该处激发电场的矢量和. 解 由教材中第5 －4 节例4 可知，在无限大带电平面附近n εζe E 012= n e 为沿平面外法线的单位矢量；圆盘激发的电场n r x x εζe E ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+--=220212 它们的合电场强度为 n r x x εζe E E E 220212+=+=在圆孔中心处x ＝0，则 E ＝0在距离圆孔较远时x ＞＞r ，则n n εζx r εζe e E 02202/112≈+= 上述结果表明，在x ＞＞r 时，带电平板上小圆孔对电场分布的影响可以忽略不计. 5 －19 在电荷体密度为ρ 的均匀带电球体中，存在一个球形空腔，若将带电体球心O 指向球形空腔球心O ′的矢量用a 表示(如图所示).试证明球形空腔中任一点的电场强度为a E 03ερ=分析 本题带电体的电荷分布不满足球对称，其电场分布也不是球对称分布，因此无法直接利用高斯定理求电场的分布，但可用补偿法求解.挖去球形空腔的带电球体在电学上等效于一个完整的、电荷体密度为ρ 的均匀带电球和一个电荷体密度为－ρ、球心在O ′的带电小球体(半径等于空腔球体的半径).大小球体在空腔内P 点产生的电场强度分别为E 1 、E 2 ，则P 点的电场强度 E ＝E 1 ＋E 2 .证 带电球体内部一点的电场强度为r E 03ερ= 所以 r E 013ερ=，2023r E ερ-= ()210213r r E E E -=+=ερ 根据几何关系a r r =-21，上式可改写为a E 03ερ= 5 －20 一个内外半径分别为R 1 和R 2 的均匀带电球壳，总电荷为Q 1 ，球壳外同心罩一个半径为R 3 的均匀带电球面，球面带电荷为Q 2 .求电场分布.电场强度是否为离球心距离r 的连续函数？ 试分析.分析 以球心O 为原点，球心至场点的距离r 为半径，作同心球面为高斯面.由于电荷呈球对称分布，电场强度也为球对称分布，高斯面上电场强度沿径矢方向，且大小相等.因而24d r πE ⋅=⎰S E .在确定高斯面内的电荷∑q 后，利用高斯定理∑⎰=0/d εq S E 即可求出电场强度的分布.解 取半径为r 的同心球面为高斯面，由上述分析∑=⋅02/π4εq r Er ＜R 1 ，该高斯面内无电荷，0=∑q ，故01=ER 1 ＜r ＜R 2 ，高斯面内电荷()31323131R R R r Q q --=∑ 故 ()()23132031312π4r R R εR r Q E --= R 2 ＜r ＜R 3 ，高斯面内电荷为Q 1 ，故 2013π4rεQ E = r ＞R 3 ，高斯面内电荷为Q 1 ＋Q 2 ，故20214π4r εQ Q E += 电场强度的方向均沿径矢方向，各区域的电场强度分布曲线如图(B )所示.在带电球面的两侧，电场强度的左右极限不同，电场强度不连续，而在紧贴r ＝R 3 的带电球面两侧，电场强度的跃变量230234π4ΔεζR εQ E E E ==-= 这一跃变是将带电球面的厚度抽象为零的必然结果，且具有普遍性.实际带电球面应是有一定厚度的球壳，壳层内外的电场强度也是连续变化的，本题中带电球壳内外的电场，在球壳的厚度变小时，E 的变化就变陡，最后当厚度趋于零时，E 的变化成为一跃变.5 －21 两个带有等量异号电荷的无限长同轴圆柱面，半径分别为R 1 和R 2 ＞R 1 )，单位长度上的电荷为λ.求离轴线为r 处的电场强度：(1) r ＜R 1 ，(2) R 1 ＜r ＜R 2 ，(3) r ＞R 2 .分析 电荷分布在无限长同轴圆柱面上，电场强度也必定沿轴对称分布，取同轴圆柱面为高斯面，只有侧面的电场强度通量不为零，且⎰⋅=rL E d π2S E ，求出不同半径高斯面内的电荷∑q .即可解得各区域电场的分布.解 作同轴圆柱面为高斯面，根据高斯定理∑=⋅0/π2εq rL Er ＜R 1 ， 0=∑q01=E在带电面附近，电场强度大小不连续，电场强度有一跃变R 1 ＜r ＜R 2 ，L λq =∑rελE 02π2= r ＞R 2， 0=∑q03=E在带电面附近，电场强度大小不连续，电场强度有一跃变00π2π2ΔεζrL εL λr ελE === 这与5 －20 题分析讨论的结果一致.5 －22 如图所示，有三个点电荷Q 1 、Q 2 、Q 3 沿一条直线等间距分布且Q 1 ＝Q 3 ＝Q .已知其中任一点电荷所受合力均为零，求在固定Q 1 、Q 3 的情况下，将Q 2从点O 移到无穷远处外力所作的功.分析 由库仑力的定义，根据Q 1 、Q 3 所受合力为零可求得Q 2 .外力作功W ′应等于电场力作功W 的负值，即W ′＝－W .求电场力作功的方法有两种：(1)根据功的定义，电场力作的功为l E d 02⎰∞=Q W 其中E 是点电荷Q 1 、Q 3 产生的合电场强度.(2) 根据电场力作功与电势能差的关系，有()0202V Q V V Q W =-=∞其中V 0 是Q 1 、Q 3 在点O 产生的电势(取无穷远处为零电势). 解1 由题意Q 1 所受的合力为零()02π4π420312021=+d εQ Q d εQ Q 解得 Q Q Q 414132-=-=由点电荷电场的叠加，Q 1 、Q 3 激发的电场在y 轴上任意一点的电场强度为()2/322031π2yd εQ E E E yy y +=+=将Q 2 从点O 沿y 轴移到无穷远处，(沿其他路径所作的功相同，请想一想为什么？)外力所作的功为()dεQ y y d εQ Q Q W y 022/322002π8d π241d =+⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⋅-='⎰⎰∞∞l E 解2 与解1相同，在任一点电荷所受合力均为零时Q Q 412-=，并由电势 的叠加得Q 1 、Q 3 在点O 的电势dεQd εQ d εQ V 003010π2π4π4=+=将Q 2 从点O 推到无穷远处的过程中，外力作功dεQ V Q W 0202π8=-=' 比较上述两种方法，显然用功与电势能变化的关系来求解较为简洁.这是因为在许多实际问题中直接求电场分布困难较大，而求电势分布要简单得多. 5 －23 已知均匀带电长直线附近的电场强度近似为r rελe E 0π2=为电荷线密度.(1)求在r ＝r 1 和r ＝r 2 两点间的电势差；(2)在点电荷的电场中，我们曾取r →∞处的电势为零，求均匀带电长直线附近的电势时，能否这样取？ 试说明.解 (1) 由于电场力作功与路径无关，若沿径向积分，则有12012ln π2d 21r r ελU r r =⋅=⎰r E (2) 不能.严格地讲，电场强度r e rελE 0π2=只适用于无限长的均匀带电直线，而此时电荷分布在无限空间，r →∞处的电势应与直线上的电势相等. 5 －24 水分子的电偶极矩p 的大小为6.20 ×10－30C· m .求在下述情况下，距离分子为r ＝5.00 ×10－9 m 处的电势.(1) 0θ=︒；(2) 45θ=︒；(3) 90θ=︒，θ 为r 与p 之间的夹角. 解 由点电荷电势的叠加2000P π4cos π4π4rεθp r εq r εq V V V =-+=+=-+-+ (1) 若o0=θ V 1023.2π4320P -⨯==rεpV (2) 若o45=θ V 1058.1π445cos 320oP -⨯==rεp V (3) 若o90=θ 0π490cos 20oP ==r εp V5 －25 一个球形雨滴半径为0.40 mm ，带有电量1.6 pC ，它表面的电势有多大？ 两个这样的雨滴相遇后合并为一个较大的雨滴，这个雨滴表面的电势又是多大？分析 取无穷远处为零电势参考点，半径为R 带电量为q 的带电球形雨滴表面电势为RqεV 0π41=当两个球形雨滴合并为一个较大雨滴后，半径增大为R 32，代入上式后可以求出两雨滴相遇合并后，雨滴表面的电势.解 根据已知条件球形雨滴半径R 1 ＝0.40 mm ，带有电量q 1 ＝1.6 pC ，可以求得带电球形雨滴表面电势V 36π411101==R q εV当两个球形雨滴合并为一个较大雨滴后，雨滴半径1322R R =，带有电量q 2 ＝2q 1 ，雨滴表面电势V 5722π4113102==R q εV5 －26 电荷面密度分别为＋ζ和－ζ的两块“无限大”均匀带电的平行平板，如图(a )放置，取坐标原点为零电势点，求空间各点的电势分布并画出电势随位置坐标x 变化的关系曲线.分析 由于“无限大”均匀带电的平行平板电荷分布在“无限”空间，不能采用点电荷电势叠加的方法求电势分布：应该首先由“无限大”均匀带电平板的电场强度叠加求电场强度的分布，然后依照电势的定义式求电势分布. 解 由“无限大” 均匀带电平板的电场强度i 02εζ±，叠加求得电场强度的分布，()()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧><<--<=a x a x a εζa x0 2 00i E电势等于移动单位正电荷到零电势点电场力所作的功()a x a x εζV x <<--=⋅=⎰ d 0l E ()a x a εζV -<=⋅+⋅=⎰⎰- d d 0a-axl E l E ()a x a εζV >-=⋅+⋅=⎰⎰ d d 0a-axl E l E 电势变化曲线如图(b )所示.5 －27 两个同心球面的半径分别为R 1 和R 2 ，各自带有电荷Q 1 和Q 2 .求：(1) 各区域电势分布，并画出分布曲线；(2) 两球面间的电势差为多少？分析 通常可采用两种方法(1) 由于电荷均匀分布在球面上，电场分布也具有球对称性，因此，可根据电势与电场强度的积分关系求电势.取同心球面为高斯面，借助高斯定理可求得各区域的电场强度分布，再由⎰∞⋅=pp V lE d 可求得电势分布.(2) 利用电势叠加原理求电势.一个均匀带电的球面，在球面外产生的电势为rεQV 0π4=在球面内电场强度为零，电势处处相等，等于球面的电势RεQV 0π4=其中R 是球面的半径.根据上述分析，利用电势叠加原理，将两个球面在各区域产生的电势叠加，可求得电势的分布. 解1 (1) 由高斯定理可求得电场分布()()()22021321201211 π4 π40R r rεQ Q R r R rεQ R r r r>+=<<=<=e E e E E 由电势⎰∞⋅=rV l E d 可求得各区域的电势分布.当r ≤R 1 时，有20210120212113211π4π4π411π40d d d 2211R εQ R εQ R εQ Q R R εQ V R R R R r+=++⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=⋅+⋅+⋅=⎰⎰⎰∞lE l E l E当R 1 ≤r ≤R 2 时，有202012021201322π4π4π411π4d d 22R εQ r εQ R εQ Q R r εQ V R R r+=++⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⋅+⋅=⎰⎰∞lE l E当r ≥R 2 时，有rεQ Q V r02133π4d +=⋅=⎰∞l E(2) 两个球面间的电势差⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=⋅=⎰210121211π4d 21R R εQ U R R l E 解2 (1) 由各球面电势的叠加计算电势分布.若该点位于两个球面内，即r ≤R 1 ，则2021011π4π4R εQ R εQ V +=若该点位于两个球面之间，即R 1 ≤r ≤R 2 ，则202012π4π4R εQ r εQ V +=若该点位于两个球面之外，即r ≥R 2 ，则rεQ Q V 0213π4+=(2) 两个球面间的电势差()2011012112π4π42R εQ R εQ V V U R r -=-== 5 －28 一半径为R 的无限长带电细棒，其内部的电荷均匀分布，电荷的体密度为ρ.现取棒表面为零电势，求空间电势分布并画出分布曲线.分析 无限长均匀带电细棒电荷分布呈轴对称，其电场和电势的分布也呈轴对称.选取同轴柱面为高斯面，利用高斯定理⎰⎰=⋅V V εd 1d 0S E可求得电场分布E (r )，再根据电势差的定义()l E d ⋅=-⎰bab a r V V并取棒表面为零电势(V b ＝0)，即可得空间任意点a 的电势.解 取高度为l 、半径为r 且与带电棒同轴的圆柱面为高斯面，由高斯定理 当r ≤R 时02/ππ2ερl r rl E =⋅得 ()02εr ρr E = 当r ≥R 时02/ππ2ερl R rl E =⋅得 ()rεR ρr E 022=取棒表面为零电势，空间电势的分布有 当r ≤R 时()()22004d 2r R ερr εr ρr V Rr-==⎰当r ≥R 时()rRεR ρr r εR ρr V Rrln 2d 20202==⎰如图所示是电势V 随空间位置r 的分布曲线.5 －29 一圆盘半径R ＝3.00 ×10－2 m .圆盘均匀带电，电荷面密度ζ＝2.00×10－5 C·m －2 .(1) 求轴线上的电势分布；(2) 根据电场强度与电势梯度的关系求电场分布；(3) 计算离盘心30.0 cm 处的电势和电场强度.分析 将圆盘分割为一组不同半径的同心带电细圆环，利用带电细环轴线上一点的电势公式，将不同半径的带电圆环在轴线上一点的电势积分相加，即可求得带电圆盘在轴线上的电势分布，再根据电场强度与电势之间的微分关系式可求得电场强度的分布. 解 (1) 带电圆环激发的电势220d π2π41d xr rr ζεV +=由电势叠加，轴线上任一点P 的电势的()x x R εζx r r r εζV R-+=+=⎰222202d 2 (1)(2) 轴线上任一点的电场强度为i i E ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=-=22012d d x R xεζx V (2) 电场强度方向沿x 轴方向.(3) 将场点至盘心的距离x ＝30.0 cm 分别代入式(1)和式(2)，得V 1691=V-1m V 5607⋅=E当x ＞＞R 时，圆盘也可以视为点电荷，其电荷为C 1065.5π82-⨯==ζR q .依照点电荷电场中电势和电场强度的计算公式，有V 1695π40==xεqV 1-20m V 5649π4⋅==xεqE 由此可见，当x ＞＞R 时，可以忽略圆盘的几何形状，而将带电的圆盘当作点电荷来处理.在本题中作这样的近似处理，E 和V 的误差分别不超过0.3％和0.8％，这已足以满足一般的测量精度.5 －30 两个很长的共轴圆柱面(R 1 ＝3.0×10－2 m ，R 2 ＝0.10 m )，带有等量异号的电荷，两者的电势差为450 Ｖ.求：(1) 圆柱面单位长度上带有多少电荷？(2) r ＝0.05 m 处的电场强度.解 (1) 由习题5 －21 的结果，可得两圆柱面之间的电场强度为rελE 0π2=根据电势差的定义有120212ln π2d 21R R ελU R R =⋅=⎰l E 解得 1812120m C 101.2ln/π2--⋅⨯==R R U ελ (2) 解得两圆柱面之间r ＝0.05m 处的电场强度10m V 7475π2-⋅==rελE 5 －31 轻原子核(如氢及其同位素氘、氚的原子核)结合成为较重原子核的过程，叫做核聚变.在此过程中可以释放出巨大的能量.例如四个氢原子核(质子)结合成一个氦原子核(α粒子)时，可释放出25.9MeV 的能量.即MeV 25.9e 2He H 4014211++→这类聚变反应提供了太阳发光、发热的能源.如果我们能在地球上实现核聚变，就能获得丰富廉价的能源.但是要实现核聚变难度相当大，只有在极高的温度下，使原子热运动的速度非常大，才能使原子核相碰而结合，故核聚。
核电子学 Nuclear Electronics
主放大器
计数器
前置放大器
信号处理
数据获取和处理
核电子学系统组成框图
探测器 前置放大器
能量信息 时间信息 位置信息
幅度分析 时间分析
探测器 前置放大器
线性放大 滤波成形
堆积判弃 基线恢复
时间检出
快放大器
幅度甄别
至
数
模数变换
据
获
取
和
处
时幅变换
理
系
时间数字变换
统
时间甄别
实验测量系统的组成
探测器
核电子学系统
• 辐射、电磁辐射、核（电离）辐射
• 该输出电流具有一定的形状，即有一定时间特性， 所以可用于时间分析；
• 如在输出电容上取积分电压信号，电压幅度正比
于E，可做入射粒子更能多量的测知量识。 可在《核辐射探测与测量方法》课中学习
电子行业核电子学及其进展
电子行业核电子学及其进展1. 简介电子行业核电子学（Nuclear Electronics in the Electronics Industry）是指在电子行业中应用核电子学原理和技术的领域。
随着科技的发展和进步，核电子学在电子行业中得到了广泛的应用和重视。
本文将介绍电子行业核电子学的基本概念、应用领域以及最新的研究进展。
2. 基本概念核电子学是集成电路与核技术相结合的学科，其研究的核心是利用核技术方法和仪器来实现电子器件的性能优化和功能增强。
核电子学主要关注以下方面：2.1 放射性同位素应用通过放射性同位素的嵌入，可以实现电子器件的性能改善。
例如，采用放射性同位素注入法可以提高电子器件的灵敏度和稳定性。
2.2 核探测器和核传感器核探测器和核传感器是核电子学的重要组成部分。
它们可以用于测量和检测辐射，广泛应用于核能、医学影像、无损检测等领域，提高了相关技术的精度和可靠性。
2.3 核电子学器件核电子学器件是指利用核技术原理制造的电子器件，例如核电池、核电晶体管等。
这些器件具有较高的稳定性和抗干扰能力，广泛应用于高温、高辐射等恶劣环境下的电子系统。
3. 应用领域电子行业核电子学的应用领域非常广泛，以下是其中几个典型的应用领域：3.1 核电能源核电能源是核电子学的一个重要应用领域。
利用核技术的原理和方法，可以设计和制造高效、安全、稳定的核电站。
核电站不仅可以提供大量的清洁能源，还能为建设智能电网、推动可持续能源发展作出贡献。
3.2 智能医疗影像核电子学在医疗影像领域有着重要的应用。
核技术可以提供更高的图像分辨率和对比度，帮助医生更准确地进行诊断和治疗。
此外，核电子学还可以应用于放射治疗、核医学等领域。
3.3 环境监测核电子学在环境监测中担当着重要的角色。
利用核技术的方法和仪器，可以对土壤、水体、大气中的放射性物质进行快速准确的监测。
这对于预防和应对环境污染有着重要意义。
3.4 无损检测核电子学在无损检测领域也得到了广泛应用。
高等核电子学课件(1)
DEPT OF MODERN PHYSICS, USTC
3.2 前端电子学系统－探测单元信号处理
➢ 半导体探测器除有很高能量分辨之外, 另一个特点是其空间分辨很好， 这是因为当代半导体工艺使探测单元可以做得很小，集成密度很高。 具体有以下特性： – 位置精度5μm – 双径迹分辨在10μm以下 – 对于微条型探测器偏压低于100v – 时间响应小于5ns – 安装相对比较简单
➢ 如果阳极与阴极之间电压加得足够高，在阳极丝周围形成很高电场， 在电场作用下，电子进入高场区（在阳极丝周围极小空间），电子 动能很大，因而会产生再电离，甚至雪崩式电离，使电荷量激倍增， 即称为气体放大作用。在这种条件下，电极收集到的电荷量远比原 始电荷量大得多。在一定电压范围内，气体放大倍数是常数，这样 组成的多丝室即为多丝正比室。多丝正比室不仅可以用来定位，也 可以测量带电粒子在室内沉积的能量，作为dE/dx测量
3.2 前端电子学系统－探测单元信号处理
DEPT OF MODERN PHYSICS, USTC
3.2 前端电子学系统－探测单元信号处理
3. 丝室读出电路
② 读出电路
➢ 丝室通常多作为位置探测，最简单为多丝正比室，其前 端信号处理由放大器／甄别器（具有较低阈值）和锁存 电路等组成。
➢ TGC信号提取和模拟处理的放大、成形和甄别电路的原 理框图
一级触发判选系统
DEPT OF MODERN PHYSICS, USTC
3.2 前端电子学系统－探测单元信号处理
DEPT OF MODERN PHYSICS, USTC
3.2 前端电子学系统－探测单元信号处理
DEPT OF MODERN PHYSICS, USTC
3.2 前端电子学系统－探测单元信号处理
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1. ICF实验的复杂性 2) 实验装置的复杂性:(以NIF为例)
NIF光路调整子系统的功能: 自动调整192束激光聚焦到极小的靶位点上 打靶时的时间精确度极高 NIF光路调整子系统的组成:
600台视频相机,10000个步进电机,3000个传动器, 110个支架,150英里电缆,一个用于传输数字视频 图像的高速网络和集成这些硬件的软件组成
b) 能量时间分辨测量
测量仪器
各种能区的条纹相机 快X光二极管阵列 热释电 X 光分幅相机
等
测量目标
等离子体辐射的时间特性 了解X光等离子体在时域的形成和演变过程
c) 能量空间分辨测量
测量仪器
光学波段的显微光学成象系统 X 光波段的针孔相机 编码孔径相机 中子和α离子针孔成象和波带编码系统
Байду номын сангаас
一.惯性约束核聚变(ICF)实验 惯性约束核聚变(ICF)
1. 聚变核物理 2. 惯性约束聚变研究 3. ICF实验诊断
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1. 聚变核物理
1) 聚变与裂变反应理论基础 2)聚变反应的条件 3) 核聚变和聚变反应方式
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1) 聚变与裂变反应理论基础
爱因斯坦著名的质量与能量等价关系式 E = mc2 是核聚变和核裂变的基础 原子核的结合能 Eb =[ M核-∑ mi ]c2 其中 M核为原子核的质量, mi为组成原子核的核子质量. 如果参与反应的原子核的核子结合能(单位核子结合能 为Eb /n )小于反应产物的核子结合能,将会产生聚变和 裂变反应,从而释放出巨大能量.
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二. ICF实验的数据采集处理和管理系统综述 1. ICF实验的复杂性 2. ICF实验的数据采集处理和管理系统基 本结构
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1. ICF实验的复杂性
1) 实验过程的复杂性:
专家评审实验方案: 物理目标多样性 实验编排多变性 边界条件复杂多样 控制系统与参加实验人员准备实验: 调整光路 测试诊断设备 核实或确认其它的实验参数
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惯性约束聚变研究的意义
长远目标:开发新能源 近中期目标:为核武器物理研究和核爆 模拟服务
牵引派生出来的多种学科和技术具有广 阔的应用前景
美国国家点火装置(NIF)
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一,惯性约束核聚变(ICF)实验 惯性约束核聚变(ICF)
2.惯性约束聚变研究 2.
3. ICF实验诊断
ICF实验诊断的对象和目的 1) ICF实验诊断的对象和目的 ICF实验诊断系统包含的内容 2) ICF实验诊断系统包含的内容 ICF实验诊断装置布局 3) ICF实验诊断装置布局
NIF光路调整子系统的信息交换:
返回 管理系统与前端处理器之间在此期间大概要交换48000 条信息
2. ICF实验的数据采集处理和管理系统基本结构
2. ICF实验的数据采集处理和管理系统基本结构
ICF实验数据采集,处理和管理系统可分为实时控制层和管理控制层两 个层次,中间用总线或网络相连接,应包括前端物理测量节点的数据采 集(即各物理诊断项目的数据采集又叫前端处理器FEP),所有测试项 目的综合数据采集,实验数据库,实验数据处理程序库四部分组成-集 集 成计算机控制系统( 成计算机控制系统(ICCS)
2) 聚变反应的条件
图为两种聚变反应的速率系数与温度之间关系,可以发现, "P-P"聚变反应链的R值比D+T反应小20多个数量级,这说 明"P-P"聚变链极难实现,人类在地球上实现的聚变反应是 D+T反应.
聚变反应的速率系数R 与离子温度之间关系
2)聚变反应的条件
聚变要求高温等离子状态下能维持足够时间,使聚 变产生释放出足够的能量,以保持足够温度而进行 持续的聚变.
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ICF实验诊断的对象和目的 1) ICF实验诊断的对象和目的
由于ICF研究的对象是激光打靶产生的高温高密度等离子 体,这样的等离子体产生的辐射几乎遍布整个电磁波谱. 即从微波谱段,光学谱段,X光谱段直到硬X光谱段,它 还发射大量的电子,中子,α粒子和其它状态的粒子. 所以采用的诊断手段,几乎涉及到所有辐射测量技术 ICF实验诊断的目的之一
a) 能量平衡测量
能量平衡测量包括光学,X射线和等离子体等多种 能量分量测量系统 ,主要包括以下几方面测量:
1) 2) 3) 4) 5) 入射激光和反射激光能量 散射光和其谐波能量及角分布 等离子体能量及角分布 X光能量及角分布(包括亚千X光和硬X光) 离子飞行时间谱,速度谱,能谱和角分布
通过这些测量得出相应能量分量的分配情况和ICF实 验靶发出的光辐射,X光辐射和各种粒子的能谱特 征及角分布,准确地给出能量吸收效率,揭示激光— 靶的能量藕合机制,为研究靶能量吸收机制, 提高靶 的吸收效率提供实时的准确的依据.
1) 聚变与裂变反应理论基础
两种重要的聚变反应 1) D + T => 4 He + n
2) "P-P"聚变链(在 聚变链( 聚变链 太阳中发生的聚变 反应) 反应) 返回
2) 聚变反应的条件
只有当两个原子核靠近到10-15m时,通过强 相互作用,克服质子之间库仑斥力,达到 相互吸引,产生聚变. 只有获得足够的动能进行碰撞,才能使原 子核之间靠得如此近,产生反应. 只有在极高的温度下,才能使原子核获得 足够的动能. 等离子体聚变反应速率=R×n1×n2 n1 ,n2 为反应物的密度(粒子数/m3) R 为反应速率系数(m3/s)
Ef =每次反应的能量变化 mi =反应物的总质量 mf =反应产物的总质量 k是转换系数,在自然单位中,E的单位为Mev,m的单位是原子质量单 位,则k = 931.466 MeV/c2
系统的能量变化正比于反应物和反应产物的质量差(m 系统的能量变化正比于反应物和反应产物的质量差 i-mf)
约束方法 重力 惯性 加热机制 压缩(重力) 聚变反应(P-P链) 压缩(由激光或离子束直接内爆驱动,或由 激光或离子束产生X射线间接内爆驱动) 聚变反应 (主要是D+T) 压缩(磁场) 聚变反应(主要是D+T) 加热 (电磁波 ,欧姆加热[电流],中性粒 子束[氢原子] ) 返回
磁
1.聚变核物理 1.
高等核电子学
第五讲 ICF实验数据综合采集处理 ICF实验数据综合采集处理 和管理系统
第五讲
ICF实验数据综合采集处理和管理系统 ICF实验数据综合采集处理和管理系统
一.惯性约束核聚变(ICF)实验 惯性约束核聚变(ICF) ICF实验的数据采集处理和管理系统综述 二.ICF实验的数据采集处理和管理系统综述 三.数据采集处理系统 四.数据管理系统
测量目标
ICF实验诊断装置布局 3) ICF实验诊断装置布局
1.入射激光(南北各四束) 1.入射激光(南北各四束) 入射激光 2.OMA谱仪 2.OMA谱仪 3.晶体谱仪 3.晶体谱仪 4.针孔相机 4.针孔相机 ,19 条纹相机A ,C, 5 ,10 ,19 .条纹相机A ,C,D .塑料闪烁体 塑料闪烁体A 6 ,7 .塑料闪烁体A, B DANTE谱仪 谱仪A, 8, 9 -DANTE谱仪A, B 11-可见光条纹相机C 11-可见光条纹相机C 1212-透射光栅谱仪 1313-活化法中子产额测量探头 1414-X光分幅相机 1515-X光CCD 1616-菲涅尔波带片 17-F.F谱仪 17-F.F谱仪 18-反射光测量仪 18-反射光测量仪 2020-靶
2. ICF实验的数据采集处理和管理系统基本结构 1) 2) 3) 4) ICCS管理控制层 ICCS实时控制层 ICCS管理软件框架 ICCS数据库
链接
2.基本结构
1) ICCS管理控制层
管理控制层的组成:
管理控制层是一个大型的软件系统,一般集成在 几台UNIX工作站上或高档的微机服务器上,由实验数 据库和操作数据库来管理各类数据,也包括应用程序 库.
管理控制层的功能:
以操作台显示方式提供人机接口 数据存储和处理 协调控制功能
2.基本结构
1) ICCS管理控制层 ICCS管理控制子系统
光路调整子系统 等离子体电极普克尔盒单元(PEPC) 电源调节子系统 激光诊断子系统 靶诊断子系统 光脉冲产生子系统 工业控制子系统 返回
2.基本结构
1) 聚变与裂变反应理论基础
图为原子核的核子结合能与核的质量关系式,由图中所示, 裂变将发生在重核区,而聚变发生在轻核区.
Binding Energy per Nucleon as a Function of Nuclear Mass
1) 聚变与裂变反应理论基础
由爱因斯坦质能关系式E 由爱因斯坦质能关系式 = mc2推得 反应能E 反应能 f = k× (mi-mf) ×c2 其中
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1) ICF (Initial Confinement Fusion)的基本概念 – "惯性约束"的原始含义是:在充分高的燃料密度(n) 状态下产生聚变反应,利用物质密度惯性来维持所 需燃烧时间(τ),当燃料飞散前,热核燃料nτ值已达 到劳森判据 – 对于氘-氚(D,T)反应,劳森判据为: nτ > 1014 cm-3.s
等
测量目标
靶等离子体的参数(如温度,密度在各种特征 区域的细致的空间结构), 从而了解内爆动力学的相关信息: 对称性,稳 定性,速度和压力
d) 聚变中子诊断
测量仪器
塑料闪烁体+微通道板光电倍加管 活化法中子产额测量探头 单中子作用探测器阵列 对ICF实验中子产额,中子能谱,中子时间特 性和空间特性以及<ρr>的诊断, 从而获得中子产额,离子温度,燃料<ρr>, 推进剂<ρr>,中子发射时间等内爆动力学参 数 返回
式中的n为DT燃料密度,τ是核反应持续时间,对应燃料温度 为10kev
– ICF的完整概念是:利用高功率驱动器(现在主要是 高功率激光),通过聚心内爆,压缩加热DT靶丸, 使之达到高温,高密度的热核燃料点火状态,在惯 性约束的条件下发生自持热核反应