核物理基礎(chǔ)與輻射防護(hù)第一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-302綱要原子核的基本性質(zhì)原子核放射性與核衰變原子核反應(yīng)原子核的裂變與聚變射線與物質(zhì)的相互作用核輻射防護(hù)第二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-303核物理發(fā)展史原子核物理學(xué)是20世紀(jì)新建立的一個物理學(xué)分支。它研究原子核的結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律，射線束的產(chǎn)生、探測和分析技術(shù)，以及同核能、核技術(shù)應(yīng)用有關(guān)的物理問題。它是一門既有深刻理論意義又有重大實踐意義的學(xué)科。一、初期

（十九世紀(jì)末~二十世紀(jì)四十年代左右）1896年，貝可勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性——核物理學(xué)的開端

主要工作：人們主要從事放射性衰變規(guī)律和射線性質(zhì)的研究，并且利用放射性射線對原子核做了初步的探討。

主要成果：原子的核式結(jié)構(gòu)、質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)、人工放射性核素的合成、鑒別射線種類并測定其能量，初步創(chuàng)建了一系列探測方法和測量儀器，如云室、氣泡室、計數(shù)管、電離室等。第三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-304二、大發(fā)展時期（20世紀(jì)40年代前后——70年代）主要得益于粒子加速器和粒子探測技術(shù)的發(fā)展。

主要成果：（1）1939年哈恩和斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象。1942年費米建立了第一個鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)堆——核能源的開端。（2）合成天然不存在的超鈾元素和新的放射性核素

（3）核天體物理：核過程是天體演化中起關(guān)鍵作用的過程

（4）粒子物理學(xué)：高能和超高能射線束與原子核的相互作用

短壽命的輕粒子，即重子、介子、輕子和共振態(tài)粒子等

（5）核技術(shù)的廣泛應(yīng)用：遍及理工農(nóng)醫(yī)各部門如核磁共振、穆斯堡爾譜學(xué)等第四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-305三、完善和提高階段：20世紀(jì)70年代——

由于粒子物理逐漸成為一門獨立的學(xué)科，核物理已不再是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最前沿，核物理進(jìn)入了一個縱深發(fā)展和廣泛應(yīng)用的新的更成熟的階段。

在此期間兩個方面的技術(shù)發(fā)展對核物理研究產(chǎn)生了深刻的影響。（1）計算機(jī)技術(shù)的使用：微機(jī)處理和在線數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)的應(yīng)用，可以讓上百個探測設(shè)備協(xié)作運行，同時記錄和處理成上百個參量，這就大大擴(kuò)展了我們的觀測能力，從而可以對比較復(fù)雜的核現(xiàn)象進(jìn)行全面的觀測和研究。

（2）重離子加速技術(shù)的發(fā)展：能夠有效的加速從氫到鈾所有元素的離子，其能量從每個核子幾個兆電子伏到幾千兆電子伏甚至幾百GeV的能量。1eV=1.6*10-19J，1keV=103eV，1MeV=106eV，1GeV=109eV，1TeV~1012eV比較有名的重離子加速器中心：美國RHIC、德國GSI、法國GANIL、日本RIKEN、俄羅斯DUBUNA、我國中科院蘭州近代物理研究所CSR歐洲核子中心LHC（目前最高能）第五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-306第一章原子核的基本性質(zhì)1.原子核的組成2.原子核的大小3.原子核的結(jié)合能4.核力5.原子核的矩第六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-307上世紀(jì)初的原子模型（發(fā)現(xiàn)原子核之前）J.J.湯姆生的原子模型（棗糕模型）：

正電荷均勻分布在一個球體內(nèi)，電子鑲嵌在其中某些平衡位置上，并作簡諧振動。I.原子核的發(fā)現(xiàn)與組成1856～19401906年諾貝爾物理獎1.1原子核的組成第七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-308

1、原子的核式模型1871～19371908年諾貝爾化學(xué)獎其他主要貢獻(xiàn)：1919年，1920年，預(yù)言中子存在。培養(yǎng)了12位諾貝爾獎獲獎?wù)摺?909年盧瑟福散射試驗，實驗現(xiàn)象：絕大多數(shù)的粒子平均只有2-3度的偏轉(zhuǎn)，但是有1/8000的粒子偏轉(zhuǎn)大于90度，甚至有接近180度的。

第八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-309盧瑟福散射實驗結(jié)論：正電荷集中在原子的中心，即原子核；估算出原子核直徑約為10–15~10-14m量級，而原子直徑約為10–10m量級；通常用fm表示：1fm=10-15m

質(zhì)量為整個原子的99.9%以上；從此建立了原子的有核模型。原子的電中性，要求：原子核所帶電量與核外電子電量相等，核電荷與核外電子電荷符號相反。即：核電荷Ze，核外電子電荷–Ze。第九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-30102、中子的發(fā)現(xiàn)與原子核的組成

發(fā)現(xiàn)中子之前，人們猜測原子核是由質(zhì)子和電子組成的。

這個假設(shè)可以解釋原子核的質(zhì)量和電荷。但也遇到了不可克服的困難。與實驗和理論不符。1932年查德威克(J.Chadwick)發(fā)現(xiàn)中子。(據(jù)此獲1935年諾貝爾物理學(xué)獎)用粒子轟擊鈹，鈹放射出穿透力很強(qiáng)的中性粒子，可以將含氫物質(zhì)中的質(zhì)子擊出，并證明其有與質(zhì)子相近的質(zhì)量。實驗中放出的不是高能，而是中子。小居里夫婦錯失諾貝爾獎！！！第十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-3011中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子。中子發(fā)現(xiàn)后，海森堡(W.Heisenberg)很快提出，原子核由質(zhì)子和中子組成，并得到實驗支持。－1電子＋1質(zhì)子0中子電荷(e)質(zhì)量(u)第十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-3012實際上核素符號X和質(zhì)子數(shù)Z具有唯一、確定的關(guān)系，所以用符號AX足以表示一個特定的核素。II.原子核的表示核子數(shù)A質(zhì)子數(shù)Z中子數(shù)N元素符號X第十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-3013III.原子核表示常用術(shù)語及意義1、核素（nuclide）

具有一定數(shù)目的中子和質(zhì)子以及特定能態(tài)的一種原子核或原子稱為核素。核子數(shù)、中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)和能態(tài)只要有一個不同，就是不同的核素兩種核素，A同，Z、N不同。兩種核素，N同，A、Z不同。兩種核素，Z同，A、N不同。兩種核素，A、Z、N同，能態(tài)不同。第十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-3014

某元素中各同位素天然含量的原子數(shù)百分比稱為同位素豐度。

具有相同原子序數(shù)但質(zhì)量數(shù)不同的核素稱為某元素的同位素。(即Z相同，N不同，在元素周期表中處于同一個位置，具有基本相同化學(xué)性質(zhì)。)2、同位素（isotope）和同位素豐度鈾的二種同位素。氫的三種同位素；99.756%、0.039%、0.205%99.985%、0.015%第十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-30153、同中子異荷素（isotone）4、同量異位素（isobar）質(zhì)量數(shù)A相同，質(zhì)子數(shù)Z不同的核素。

中子數(shù)N相同，質(zhì)子數(shù)Z不同的核素。也稱為同中子素或同中異位素。第十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-30165、同質(zhì)異能素（isomer）質(zhì)子數(shù)Z

和中子數(shù)N

均相同，而能態(tài)不同的核素。同質(zhì)異能態(tài)：同質(zhì)異能素所處的能態(tài)，是壽命比較長的激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)半衰期為2.81hr。第十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-30176、偶A核：奇A核：偶奇核(e-o核)、奇偶核(o-e核)。奇中子核，奇質(zhì)子核。鏡像核：中子數(shù)N、質(zhì)子數(shù)Z互換的核素。中子數(shù)N、質(zhì)子數(shù)Z均為偶數(shù)的核素。

偶偶核(e-e核)中子數(shù)N、質(zhì)子數(shù)Z均為奇數(shù)的核素。

奇奇核(o-o核)第十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-3018IV.核素圖及β穩(wěn)定曲線穩(wěn)定的核素都分布在一條光滑曲線上或緊靠曲線的兩側(cè)，即為β穩(wěn)定線

理論預(yù)言，可能存在的核素至少應(yīng)有5000種，分布在兩條實線范圍內(nèi)。上面的一條實線為質(zhì)子滴線，線上核素的質(zhì)子結(jié)合能為零；下面一條實線為中子滴線，線上核素的中子結(jié)合能為零。第十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-3019核素圖及β穩(wěn)定曲線的特點：１).核素圖包括300多個天然存在的核素(其中穩(wěn)定核素280多個，放射性核素30多個)及1600多個人工放射性核素。２).穩(wěn)定同位素幾乎全落在一條光滑的曲線，穩(wěn)定曲線在輕核靠近Z＝N線，而對重核則N>Z.3).偏離穩(wěn)定曲線下方的核素為豐中子核素，易發(fā)生β－衰變；上方的核素為缺中子核素，易發(fā)生β＋衰變。發(fā)生衰變后都趨向于穩(wěn)定線，故稱β穩(wěn)定線。第十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-30201.2原子核的大小原子核形狀可近似看作球形，由于角動量，略呈旋轉(zhuǎn)橢球形。

根據(jù)測量方法可分為：核力作用半徑：核力有一作用半徑，在半徑之外核力為0；

通過中子、質(zhì)子或其他原子核與核的作用所測得。

電荷分布半徑：其實就是質(zhì)子分布半徑；利用高能電子在原子核上的散射。電荷半徑：核力半徑：原子核半徑近似正比于A1/3，原子核體積近似正比于A。第二十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-3021原子核的密度：代入：得：結(jié)論：原子核密度近似為常數(shù)，且非常大。第二十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-30221.3原子核的結(jié)合能1、原子核結(jié)合能的概念當(dāng)若干質(zhì)子和中子結(jié)合成一個核時，由于核力的作用，將釋放一部分能量叫結(jié)合能。

以原子質(zhì)量M表示，且忽略原子電子的結(jié)合能，得：第二十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-30232、質(zhì)量虧損與質(zhì)量過剩質(zhì)量虧損和原子核結(jié)合能是同一個物理量的質(zhì)量和能量表示。它們的聯(lián)系就是質(zhì)能關(guān)系。原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和的，少的那部分質(zhì)量稱為質(zhì)量虧損(MassDefect)。表示為。所有的核都存在質(zhì)量虧損，即

第二十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-3024計算中，常用原子質(zhì)量代替核質(zhì)量：為了計算方便，定義質(zhì)量過剩為：也稱為質(zhì)量盈余(MassExcesses)，單位為MeV，在核數(shù)據(jù)手冊中可查到由它可求出原子質(zhì)量

第二十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-30253、比結(jié)合能及比結(jié)合能曲線比結(jié)合能：（平均結(jié)合能）單位是MeV/Nu，Nu代表核子。比結(jié)合能的物理意義：原子核拆散成自由核子時，外界對每個核子所做的最小的平均功。

或者說，它表示核子結(jié)合成原子核時，平均一個核子所釋放的能量。

比結(jié)合能表征了原子核結(jié)合的松緊程度：

比結(jié)合能大，核結(jié)合緊，穩(wěn)定性高；

比結(jié)合能小，核結(jié)合松，穩(wěn)定性差。

第二十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-3026比結(jié)合能曲線：8.797.071.112裂變聚變第二十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-30274、原子核最后一個核子的結(jié)合能原子核最后一個核子的結(jié)合能，是一個自由核子與核的其余部分組成原子核時所釋放的能量。也就是從核中分離出一個核子所需要給予的能量。顯然，質(zhì)子與中子的分離能是不等的。原子核最后一個核子的結(jié)合能的大小，反映了這種原子核對鄰近的那些原子核的穩(wěn)定程度。

第二十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-3028最后一個質(zhì)子的結(jié)合能為：或

最后一個中子的結(jié)合能為：

或

第二十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-3029例如：最后一個核子結(jié)合能的物理意義：反映了這種原子核相對臨近的那些原子核的穩(wěn)定程度。表明16O與鄰近的原子核17O、17F相比，穩(wěn)定性要大得多。

第二十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-30305、核結(jié)合能的經(jīng)驗公式原子核模型理論：

從實驗入手對原子核作各種各樣的設(shè)想，把它類比為人們已經(jīng)熟悉的某種事物，來研究原子核的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和相互作用的規(guī)律，解釋已有的實驗現(xiàn)象(如結(jié)合能、核力、核衰變、核反應(yīng)等)

，探索預(yù)告新的實驗結(jié)果。在原子核的模型理論中，較早提出并且取得極大成功的模型是玻爾(N.Bohr)提出的液滴模型。除液滴模型外，還有殼模型、集體模型、費米氣體模型等。一種模型理論是否成功，根本在于是否能經(jīng)受實驗的檢驗。第三十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-30311).核力具有飽和性，與液體中分子的飽和性相似。

液滴模型：把原子核類比為一個液滴。主要根據(jù)有兩個：2).原子核是不可壓縮的，與液體的不可壓縮性相類似。由于質(zhì)子帶正電，原子核的液滴模型把原子核當(dāng)作帶正電荷的液滴。第三十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-3032根據(jù)液滴模型，結(jié)合能半經(jīng)驗公式為：體積能項表面能項庫侖能項對稱能項對能項第三十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-3033體積能項：結(jié)合能中的主導(dǎo)項，由于核力的飽和性，它正比于核體積（V

A）。表面能項：表面核子的核力沒有飽和。表面核子的結(jié)合弱，要從體結(jié)合能減去一部分。該部分正比于核的表面積(SA2/3)庫侖能項：核內(nèi)有Z個質(zhì)子，它們之間存在庫侖斥力，使結(jié)合能變小。對稱能項：反映核內(nèi)的中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)是否相等，若它們相等時為零。第三十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-3034對能項：由核內(nèi)N，Z的奇偶性確定。不同奇偶性的核有不同的對能項。偶偶核奇A核奇奇核理論與實驗結(jié)果比較：1、理論與實驗結(jié)果比較相符；2、僅當(dāng)Z，N＝20，28，50，82等幻數(shù)時有偏離；3、輕核的理論結(jié)果與實驗差別也較大。——原因：液滴模型給出的是統(tǒng)計的平均結(jié)果第三十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-30351.4核力1、核力的一般性質(zhì)A、核力是強(qiáng)相互作用力。核力約比庫侖力大一百倍。

B、核力的電荷無關(guān)性。p、p，n、n，n、p之間的核力近似相等。

C、核力具有短程性和飽和性。短程性：核力是短程力，其有效力程小于3fm。飽和性：核力只作用于相鄰核子，而相鄰核子數(shù)目是有限的。D、核力主要是吸引力，在極短程內(nèi)有排斥芯。0.8-2fm時，核力表現(xiàn)為吸引力；在小于0.8fm時，有較強(qiáng)的排斥力；在大于10fm時核力幾乎完全消失。

第三十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-30362、核力的介子理論電磁相互作用通過交換光子而發(fā)生相互作用。1935年，日本湯川秀樹提出了核力的介子理論。核子間通過交換介子而發(fā)生相互作用。可由核力的作用范圍及不確定關(guān)系估計介子質(zhì)量的量級約為電子的200多倍。后來發(fā)現(xiàn)，在核力作用中，

介子是核子相互作用的傳播子。

第三十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-30373、原子核的勢壘α粒子與原子核作用過程的勢能曲線。

核力為零，僅為庫侖勢位，稱為庫侖勢壘勢壘最高，為庫侖勢壘高度

核力大大超過庫侖力，勢能迅速下降并改變符號。

粒子進(jìn)入靶核，合力為零，勢能為常數(shù)值稱為勢阱深度。

第三十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-3038

量子力學(xué)中穿透勢壘的概率在經(jīng)典力學(xué)中是難以解釋的。量子力學(xué)中，能量大于勢壘的入射粒子有可能越過勢壘，但也可能被反射回來。而能量小于勢壘的粒子有可能被勢壘反射回來，也有可能穿透勢壘進(jìn)入核勢阱，這種效應(yīng)稱之為隧道效應(yīng)。

隧道效應(yīng)：第三十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期六2009-05-30391.5