原子核物理

原子核物理武汉大学动力与机械学院教材和参考书•原子核物理【卢希庭】•RobertM.Mayo,IntroductiontoNuclearConceptsforEngineers.AmericanNuclearSociety,LaGrangePark,IL,1998•XXX•教学目的•核工程与保健物理学(一门研究辐射对人体的伤害及其防护的学科)的基础知识•辐射防护和反应堆物理的先导课程课程基础•高等数学•大学物理•狭义相对论•量子力学内容•基础知识复习•核反应，稳定性和能量守恒•放射性核的衰变•中子反应•射线与物质的相互作用•聚变和裂变成绩评定•平时30%+考试70%•平时包括作业和点名•考试所学完部分，每部分一个大题核素的三种表示方法•U-235或者Uranium-235•235U关于原子核的术语•核素•原子序数•质量数•同位素Z相同，N不同•同中子异核素N相同，Z不同•同量异位素A相同•同质异能素核素处于激发态例题下列元素那些是同位素，同中子异核素，同量异位素和同质异能素？60mCo,14C,14N,12C,13N,60Co一个有趣的例子•核的激发态寿命一般是10-15-10-10s•如果激发态的寿命大于1s就可以被称为同质异能素•180Ta的第一激发态寿命为1015a,而它的基态寿命为8hr(衰变)原子核的基本性质•电荷、大小(半径)、质量、角动量(核自旋)、磁矩、电四极矩、宇称和统计性、同位旋等。•结合能原子核的电荷•原子呈电中性，电子带负电，则原子核必带正电，且电荷数与电子相等，记为Ze。•核电荷数Z＝原子序数＝核外电子数•如何测量？方法：1913年莫塞莱（Moseley）关系式：BAZ式中：A≈5.2×107s-1/2，B≈1.5×108s-1/2—特征X射线的频率。特征X射线：高能激发内层电子，电子被激发电离出去留下空穴，外层电子填充该内层空穴，放出能量为的射线（即X射线），不同核素其X射线能量不同，故称为特征X射线。hAtomiclevelsinvolvedincopperKαandKβemission原子核质量•原子质量单位：u(我这里还是习惯写成amu,注意跟参考书上面的区别)121C1u12原子质量的kggg272423A106605387.1106605387.110022142.61121N121u核子•分为两种，分别是质子和中子•质子质量1.0072764amu•中子质量1.0086649amu•1amu相当于多少能量•一个电子相当于多少能量核质量的测量——质谱仪•原理：先让原子电离，离子经电位差为V的加速电场区后，又经一磁场为B的磁场区，受洛仑兹力发生偏转，由偏转半径R可求得离子的质量。质谱仪原理图经加速电场后：qVMv221经磁场后：RvMqvBf2VRqBM222由以上两式消去v可得：原子名称原子质量/u原子名称原子质量/u1H1.0078257Li7.0160052H2.01410212C12.000003H3.01605016O15.9949154He4.002603235U235.0439446Li6.015123238U238.050816一些原子的质量由表中数据可看出：原子质量都接近于一个整数，此整数叫做原子核的质量数A。质量数A=质子数Z+中子数N质谱仪可以用来测定元素的丰度原子与原子核的大小•原子的半径约为1-510-10m•原子核的半径一般为10-15-10-14m•长度单位缩写米m(meter)分米dm(decimeter)厘米cm(centimeter)毫米mm(millimeter)微米m(micrometer)纳米nm(nanometer)皮米pm(picometer)飞米fm(femtometer)原子核的半径•实验表明，原子核是接近于球形的。因此，通常用核半径来表示原子核的大小。•核半径用宏观尺度来衡量是很小的量，为10-12--10-13cm数量级，无法直接测量，而是通过原子核与其它粒子相互作用间接测得它的大小。根据这种相互作用的不同，核半径一般有两种定义。•Nuclearsizeandrelatedtopics,NuclearPhysicsA693(2001)32–62核力作用半径•核力：核子与核子之间的一种强相互作用力，是吸引力，是短程作用力。•核力作用半径：一般是通过高能量的粒子、质子或中子与核碰撞所测得的核半径。除电磁相互作用（库仑斥力）外，还有核力作用。•根据核力作用范围来确定核力作用半径，得到R=r0A1/3，r0~(1.4~1.5)fm电荷分布半径•电荷分布半径：质子分布的半径。带电粒子与原子核散射作用，假设其只有电磁相互作用而确定的半径。•一般采用高能电子散射测定。大量的实验结果表明，电荷分布近似有如下形式：dRrer10由这种方法，大量的实验确定，核的电荷分布半径R是：fmAR311.1核的电荷分布半径R：核的电荷密度减少到一半处。边界厚度t：电荷密度从90%下降到10%所对应的厚度。比较：核的电荷分布半径：核的核力分布半径：R=r0A1/3，r0~(1.4~1.5)fmfmAR311.1解释：电荷分布半径﹤核力作用半径，因为：中子较质子更多分布在核表面，形成“中子皮”。核的体积AArRV3033434单位体积内的核子数338301034cmArAVAn核密度一个核子质量=1.66×10-24g，则核密度约为200,000吨/立方毫米3141066.1cmgnmN相对论力学(教材中公式1.1-9)•时空间隔•质量•动量•动能•总能量•总能量、动量、静止质量三者之间的关系例题一20Ne离子，动能为1GeV/核子。计算该离子的速度，动量和总能量。粒子的波动性•非相对论情形下粒子波长的表达式•相对论情形下粒子波长的表达式(波长是动能和静止质量的函数)例题•0.1Mev的电子,光子和质子的波长•1000Mev的电子,光子和质子的波长自由粒子波函数•自由粒子波函数的形式•体会相速度和群速度的区别核的自旋来源轨道角动量复杂的相对运动，产生角动量为与电子一样存在自旋，中子质子核21合成的角动量，即称为核的自旋。用I表示。基本粒子的自旋•对于像光子、电子、夸克这样的基本粒子，它们所具有的自旋无法解释为它们所包含的更小单元围绕质心的自转。由于这些不可再分的基本粒子可以认为是真正的点粒子，因此自旋与质量、电量一样，是基本粒子的内禀性质。•电子具有s=1/2，自旋为1/2的基本粒子还包括正电子、中微子和夸克，光子是自旋为1的粒子，理论假设的引力子是自旋为2的粒子，希格斯玻色子的自旋为0。如何知道核自旋的存在利用光谱的超精细结构例：解释Na光谱的超精细结构：3P3S能级跃迁，早期发现D线波长为D=589.3nm，后经研究发现精细结构（1=589.6nm，2=589.0nm）和超精细结构（⊿D1=0.0023nm，⊿D2=0.0021nm）。原子核的统计性质粒子介子、光子、玻色子：自旋为整数。介子，，，。费米子：自旋为半整数微观粒子,npe两者服从不同的统计性。爱因斯坦统计法玻色子：服从玻色狄拉克统计法费米子：服从费米-玻色子组成的全同粒子系统，态的波函数交换对称：费米子组成的全同粒子系统，态的波函数交换反对称：njinijrrrrrrrr,,,,,,,,,,,,11式中ri代表第i个粒子的空间坐标和自旋取向。此式表示将第i个粒子和第j个粒子互换后，描写系统的波函数差一符号。njinijrrrrrrrr,,,,,,,,,,,,11原子核的自旋可以是半整数，也可以是整数，这由质量数A决定。例子•两个全同粒子组成的体系的波函数•泡利不相容原理示意(物质占据空间)•原子的电子排布核的统计性质：由核的自旋决定奇A核，I为半整数，服从费米-狄拉克统计法；偶A核，I为整数，服从玻色-爱因斯坦统计法。由核的统计性说明核是由中子和质子组成的为偶数，服从玻色统计为奇数，服从费米统计实验确定为偶数，服从玻色统计为奇数，服从费米统计个费米子组成核由矛盾AAZZZA2iS式中，S为环形电流包围的面积.环形电流i将产生磁偶极矩：质量为m，带电荷+q的粒子作圆周运动时，相当于环形电流i：rqvi2此环形电流产生的磁矩：qrvrqvriS222磁矩与角动量此运动的粒子的角动量mvrL即正好与的方向一致，则有关系如下：Lmq2在量子力学中，若粒子的角动量为，则Jmq2J自旋磁矩：sessesPmegPme2轨道磁矩：lellelPmegPme22224102740.92mAmeeB玻尔磁子2sg1lg总磁矩：ls121111,jjsslljjgPgjB核的磁矩核子的磁矩质子：sNPsPPPPgPmeg2核磁子227100508.52mAmePN中子：sNnnPg按常规：2Pg0ng实际上：5.586Pg826.3ng核的磁矩：INIIPg1IIPI在给定方向的投影值INIIzmgmI=I，I–1，…，–I+1，–I其最大投影IgNII式中，称为核的回转磁比，它与组成原子核的磁子的磁矩，核子在核中相对运动磁矩都有关系，因此包含了核结构的信息。核磁矩是我们研究原子核结构的重要物理量。IgIg核磁矩的测量：核磁共振法条件：I已知，测gI。原理：待测样品置于均匀强磁场(1T=104Gs)中，则产生附加能量BmgBBEINIIzI两子能级间可以跃迁，其选择定则为△mI=0，±1相邻两能级差：△EI=gINB实验上：在的垂直方向上加一强度较弱的高频磁场，当其频率满足h=△EI时，核会强烈吸收其能量（此现象即为核磁共振），则gI=h/NBB只要测得了和B，即可求出gI。在水溶液中,大约有一半的蛋白质链呈现出规则、紧密的三维结构,而另一半则非常松。目前,科学家已经利用这一方法绘制出15%～20%的已知蛋白质的结构。最初,核磁共振技术主要用于核物理研究方面,用它测量各种原子核的磁矩,误差仅是0.003%～0.005%;迄今,它已广泛应用于化学、食品、医学、生物学、遗传学等学科领域,已成为在这些领域开展研究工作的有力工具,甚至是某些领域(如:化学、医学诊断、药物学等)常规分析中不可缺少的手段。1985年,维特里希等人公布了第一次利用NMR法测定的溶液中蛋白质———蛋白酶抑制剂IIA(proteinaseinhibitorIIA)的结构(如图所示)。1990年用NMR测定的蛋白质结构有23个,而到1994年一年测定的蛋白质结构数上升到100个。1997年,维特里希应用NMR方法测定的一种蛋白质———蛋白感染素(prionprotein)的结构。核磁共振应用•分子结构的测定•化学位移各向异性的研究•金属离子同位素的应用•动力学核磁研究•质子密度成像•T1T2成像•化学位移成像•其它核的成像•指定部位的高分辨成像•元素的定量分析•有机化合物的结构解析•表面化学•有机化合物中异构体的区分和确定•大分子化学结构的分析•生物膜和脂质的多形性研究•脂质双分子层的脂质分子动态结构•生物膜蛋白质——脂质的互相作用•压力作用下血红蛋白质结构的变化•生物体中水的研究•生命组织研究中的应用•生物化学中的应用•在表面活性剂方面的研究•原油的定性鉴定和结构分析•沥青化学结构分析•涂料分析•农药鉴定•食品分析•药品鉴定一些实际的应用前面已指出，原子核是接近于球形的。进一步的实验表明，大多数原子核的形状是偏离于球形不大的轴对称椭球。这一点由原子核具有电四极矩得到证明。电荷分布系统在空间的电势204rqE