原子核物理概述

原子核物理基础

原子核物理研究史

• 1896：H.Becquerel发现了 U 放射现象
• 1897：P.&M.Curie发现 Po和镭 Ra
• 1899：卢瑟福发现\alpha \beta 射线 
• 1900：维拉德发现 \gamma 射线
• 1903：卢瑟福证实\alpha 射线为He_2^+,\beta 射线为电子
• 1911：卢瑟福提出原子的核式模型
• 1919：卢瑟福首次实现人工核反应，发现了质子
• 1932：J.Chadwick发现了中子
• 1934：F.&I.Joliot-Curie发现人工放射性
• 1939：O.Hahn等人发现重核裂变
• 1939：N.Bohr等提出液滴模型
• 1942：E.Fermi发明热中子链式反应堆

• H.Becquerel, 法国物理学家（1852-1908），1903年获得诺贝尔奖
• M.Curie，法国物理学家（1867-1934），波兰人，1897年发现 Po 和 Ra; 1903年获得诺贝尔奖。她的女儿(I.Joliot-Curie, 1897-1956)和女婿(F. Joliot-Curie, 1900-1958)因发现人工放射性获1934年诺贝尔奖
• E.Rutherford，英国物理学家(1871-1937)，新西兰人，1908年获得诺贝尔奖。1903年证实了a 射线为He2+， b 射线为电子； 提出了原子的核式模型；首次实现人工核反应；培养了10诺贝尔奖获得者
• J.Chadwick，英国物理学家(1891-1974)，1935年因发现了中子获得诺贝尔奖。中子的发现被认为是原子核物理的诞生
• E.Fermi，意大利物理学家(1901-1954)，1938年获得诺贝尔奖。1942年发明了热中子链式反应堆
• J. Robert Oppenheimer(1904~1967)美国犹太人物理学家，曼哈顿计划的主要领导者之一，被称为美国“原子弹之父”
• R.L.Mossbauer, 德国物理学家(1929-1976)。1961年因为对γ辐射的共振吸收的研究和发现的Mossbauer效应获诺贝尔物理学奖。
• 李政道、杨振宁发现了在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄的实验所证实。
• 丁肇中，(1936—)与 B.Richter, (1931—)分别发现J／ψ粒子，找到了美夸克存在的证据，1976年获诺贝尔奖。

原子核的基本特性

原子核研究史

• 1909年Rutherford的学生H.Geiger和E.Marsden在用a 粒子轰击金箔的实验中，发现有大约八千分之一的几率被反射
• 1919年Rutherford用a 粒子轰击 ^{14}N，发现了质子
• 1920年Rutherford在Bakerian讲演中提出：“在某种情况下，也许由一个电子更紧密地与H核结合在一起，组成一个中性的双子，这样的原子也许有很新颖的特性”。同时他指出：“要解释重元素的组成，这种原子的存在看来几乎是必需的”。
• 1930年博思（Bothe）完成了9Be + \alpha ---->^{12}C + n实验，但他认为产生的中性射线是\gamma 射线。
• 1932年Chadwick利用 ^{9}Be + \alpha ----> ^{12}C + n 实验中所产生的中子轰击 ^{14}N，测量到其最大反冲动能为1.2MeV，估算出中性射线的质量为1.15u，并大胆预言该射线是中子。

原子核基本概念

• 核素是指具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子
• 原子量是指各种同位素原子质量的平均值
• 同位素：Z相同N不同的核素
• 同中子异核素：N相同Z不同的核素
• 同量异位素：A相同Z不同的核素
• 核素图
  • 滴线:结合能为零的线
  • β稳定线：原子核中，质子和中子的比例使得核稳定的一条曲线。β稳定线上的核素具有稳定的质子和中子比例，不会发生自发的β衰变
• 低能物理与高能物理中对待原子核的区别
  • 低能物理：核由质子和中子所组成的
  • 高能物理：应考虑核内介子流的作用，甚至要考虑夸克的作用

原子核的大小

• 均方根半径
• 等效均匀半径
• 经验拟合半径
• 核力作用半径
  • 中子皮

原子核电荷分布

原子核的结合能和半经验公式

原子核的自旋与磁矩

• 费米子(自旋为半整数的粒子)
• 玻色子(自旋为整数的粒子)
• 费米-狄拉克统计规律
• 玻色-爱因斯坦统计规律
• 核磁共振方法
• 磁超精细相互作用引起的核能级的分裂
• 原子核的电四极矩
• 宇称

原子核的结构

核力

• 原子核的密度1014g/cm3,  金的密度18.9 g/cm3
• 核力是强相互作用:核力约比库仑力大100倍
• 核力是短程力：核力的力程为fm量级
• 核力的饱和性：核力具有饱和性，相邻核子数目有限
• 核力的电荷无关性：Fpp=Fnn=Fnp
• 核力的排斥力芯(核子不能无限靠近)
• 核力与自旋相关
• 核力含有非中心力成分
• 核力的自旋-轨道耦合成分

费米气体模型

• 把粒子看作几乎没有相互作用的气体分子，由于核子是费米子，原子核就可视为费米气体。对核子运动起约束作用的主要因素只有泡利不相容原理
  • 势阱内有一定的分立能级，当原子核处于基态时，核子都处于他们可能的最低能态。
  • 费米能级：基态时核子可以处的最高能级的位置称为费米能级。

原子核的壳层模型

• 核素丰度  
• 核的幻数
  • 幻数是指具有特殊稳定性的核子数目，这些核子数目下的原子核更加稳定，具有更长的寿命：2,8,20,28,50,82,126
• 幻数核结合能的变化
• 幻数核第一激发态能级高——稳定

幻数的解释

• 单粒子壳层模型

单粒子壳层模型

壳层模型的应用

• 对核基态的自旋和宇称的解释
  • 闭壳层内的核子对角动量的贡献为0
  • 偶数个中子或偶数个质子对角动量没有贡献
  • 偶偶核的基态自旋一定为0，宇称为正
  • 奇奇核的自旋则取决于最后一个中子和最后一个质子之间的耦合，而且自旋一定是整数
• 对核的基态磁矩的预告
  • 偶偶核的基态自旋为零，所以磁矩为0
  • 奇A核，磁矩由最后一个核子的角动量决定
• 对原子核的基态电四极距的预测
• 原子核 \beta 衰变的跃迁级次
• 原子核的 \gamma 跃迁概率的定性说明
• 同核异能素岛的解释
• 对原子核低激发态自旋和宇称的解释
• 核内存在一平均场，核子在平均场中独立运动，存在很强的自旋-轨道耦合
• 壳层模型对幻数附近的应用较好，对远离幻数的原子核的应用有一定困难。

壳层模型的改进

• “剩余”相互作用
• 对关联
• 组态混合
• 变形核修正

原子核的集体模型

集体模型的提出

• 原子核的势能与形变的关系
• 偶偶核的低激发能级规律
• 集体模型
• 原子核产生形变的原因

集体转动经验公式

核的振动

原子核衰变

放射性衰变的基本规律

• α衰变的位移定则:子核在元素周期表中的位置左移2格
• β衰变的位移定则:子核在元素周期表中的位置右移1格
• \gamma 衰变：高能短波电磁辐射

放射性核素的特征量

• 衰变定律
• 衰变常数
  • 一个核在单位时间内发生衰变的几率
• 半衰期
• 平均寿命
• 放射性活度A（放射性强度）（放射率）（衰变率）
  • 描述放射源每秒发生核衰变的次数,并不表示放射出的粒子数

半衰期的测定

• 盖革计数器
  • 根据受辐射气体发生电离而产生的离子和电子能传导电流的原理而设计

放射系

• 在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子体衰变关系
  • 母体放射性核素经多代子体放射性核素最后衰变生成稳定核素
• 自然界存在三个天然放射系
  • 钍系
  • 铀系
  • 锕系（镎）
• 级联衰变
  • 保存短寿命核素
• 同位素生产

其他衰变形式

• 自发裂变（SF）
• P放射性
• 重粒子放射性
• \beta 延迟质子发射
• \beta 延迟中子发射
• 双\beta 衰变

\alpha 衰变

• α衰变的条件
• α衰变能E_0及核能级图
• α衰变的机制与寿命
  • 1928年伽莫夫等人指出, α粒子就是因量子隧道效应穿过势垒而形成的.同时证明了α粒子每秒穿过势垒的几率等于它的衰变常数λ

\beta 衰变

\beta-衰变

\beta+衰变

电子俘获(EC)

• 母核俘获核外轨道的一个电子使母核中的一个质子转为中子,过渡到子核同时放出一个中微子

  • 由于K层电子最靠近核,最易被俘获

与β 衰变有关的其它衰变方式

• 中微子吸收
  • 本质同β衰变,1956年科范和莱恩斯利用此过程直接证明了中微子的存在
• 双\beta-衰变
  • 产生一个电子必然产生一个中微子
• β延迟中子发射

\beta 衰变的跃迁分类和选择定则

• \beta 衰变的衰变常数（跃迁几率）与跃迁的初末状态直接相关，所以跃迁几率随\beta 射线带走的角动量变化而变化

β衰变碰到的难题

• 研究表明\beta-衰变的能谱是连续谱,与α粒子的分立截然不同
  • 原子核是个量子体系,核衰变是不同核能态间的跃迁,释放的能量应该呈量子化
    • 中微子假说（泡利）
  • 不确定关系不允许核内有电子,那么\beta-衰变放出的电子从何而来
    • 电子和中微子是在衰变中产生的, 衰变的本质是核内的一个中子变为质子，衰变和EC的本质是核内的一个质子变为中子.而质子和中子可视为核子的两个不同状态,中子与质子的转变相当于量子态间的跃迁,在跃迁过程中放出电子和中微子

柯恩、莱尼斯的中微子实验

\gamma 衰变

• 原子核发生α、β衰变时往往衰变到子核的激发态.处于激发态的核不稳定,要向低激发态跃迁,同时往往放出γ光子

跃迁分类与跃迁几率

• \gamma 跃迁
  • 处于激发态的核子与周围的电磁场相互作用，发射光子，回到低激发态或基态
  • 电跃迁,磁跃迁与\gamma 跃迁
• 内转换电子（IC）
  • 核从激发态向低能级跃迁时不一定放出γ光子,而是把这部分能量直接交给核外电子而使电子离开原子
• 同质异能跃迁（IT）

穆斯堡尔效应（无反冲的共振吸收）

• 原子从激发态跃迁到基态时所发射的光子,会被基态的同种原子吸收,称为原子的共振吸收
  • 原子核也应有共振吸收现象,它可强烈吸收同类核素发出的γ射线.然而长期观察不到此现象,后来知道这是因为原子核发射和吸收γ光子时要受到反冲的影响,部分能量被反冲核带走,使γ光子的能量（或说频率）发生“漂移”
• 穆斯堡尔效应当原子核处于固体晶格中时，遭受反冲的就不是单个原子核，而可能是整块晶体，这时反冲能趋近于零

原子核反应

核反应分类

• 轰击粒子能量
  • 低能（<140MeV)、中能（<1GeV)、高能（>1GeV)
• 轰击粒子种类
  • 中子核反应；质子核反应、轻离子核反应、重离子核反应（比α重）；光核反应
• 靶核的质量
  • 轻核反应（A < 30)、中核反应（30< A <90)、重核反应（A > 90)

反应道和守恒律

• 电荷守恒
• 核子数守恒
• 角动量守恒
• 能量守恒
• 动量守恒

Q方程

• L系和C系出射角的转换

核反应截面及核反应产额

• 发生某类核反应的几率

细致平衡原理

光学模型

• 独立粒子阶段
• 复合系统阶段
• 最后阶段
• 光学模型
  • 把核看成是一个半透明的球，把入射粒子被靶核散射和吸收看出光波投射到半透明的玻璃球上的反射或透射和吸收现象

复合核模型

• 复合核模型
  • 入射粒子先与靶核形成一个复合核，复核核处激发态，在一定的入射粒子能量下，使激发态的复合核正好处于某个量子态(共振能级)，此时发生共振。在一段时间后，某个粒子或粒子团有机会获得足够的能量而逃脱出复合核

裂变与聚变

重核裂变

• 临界
• 可控链式反应

轻核聚变

可控聚变——磁约束