第20章原子核物理和粒子物理简介第五版概述.ppt

*第二十章 原子核物理和粒子物理简介 §20-2 原子核的结合能 裂变和聚变 原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就 应等于所有质子和中子的质量之和： 1.原子核的结合能 根据爱因斯坦质能关系，可得原子核的结合能： mx=Zmp+(A-Z)mn 但实验测定的原子质量mx总是小于所有核子质量 之和，这一差值称为原子核的质量亏损： ?m=Zmp+(A-Z)mn-mX 质子和中子组成核的过程中，有能量?E释放出来。反之，要使原子核再分解为单个的质子和中子就必须吸收?E的能量。 氘核吸收?E能量后分解为质子和中子 ?E 氘 质子 中子 ?E=(?m)c2=[Zmp+(A-Z)mn-mX]c2 原子核的结合能 爱因斯坦 原子结合能的计算 一原子质量单位 具有能量 质子质量 中子质量 核子平均结合能 原子核的结合能 例： 核子平均结合能 原子核的结合能 表20-3 原子核的结合能 核子的 比结合能 ?(MeV) 原子核的结合能 ?E(MeV) 核 核子的 比结合能 ?(MeV) 原子核的结能 ?E(MeV) 核 原子核的结合能 核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。 原子核的结合能非常大，所以一般原子核都是非常稳定的系统。然而，不同原子核的稳定程度不同。 每个核子的平均结合能称为比结合能： 原子核的结合能 a.中等质量原子核的核子平均结合能较大 8.79MeV 8.47MeV 8.75MeV b.轻核和重核的核子平均结合能都较小 2.83MeV 7.5MeV 7.56MeV 原子核的结合能 a.最轻和最重的核的比结合能较小。 b.大多数中等质量的核，比结合能较大且近似相等(都在8MeV左右)。这说明中等质量的核最稳定。 原子核的结合能 第二种方法是轻核聚变。 因此，要利用原子核的结合能，必须从自然界中存在的原子核来考虑。 方法有二： 第一种方法是重核裂变； 要利用核能，理论上是把自由状态的Z个质子和(A-Z)中子结合起来组成中等质量的核，这样放出的结合能最多。但实际上，用质子和中子直接组成中等核是不现实的，因为自由中子不易得到，即便得到了一些，自由中子的半衰期也较短。 原子核的结合能 2.重核的裂变 裂 变 原子弹爆炸 裂变产物百分数 裂变的产物分布曲线 重核的裂变 质量较大的原子核（重核）在一定条件上分裂为两个或多个中等质量的原子核。 裂变： 重核的裂变 裂变后形成的中等质量的核具有过多的中子，由于中子具有放射性，所以这些中等质量的核是不稳定的。它们通过一系列的?衰变，放射性的中等质量的核才转化为稳定核。 用能量为1eV以下的慢中子轰击铀核时，铀核会分裂为两个质量相近的中等质量的核，同时放出一至三个快速中子。这种重核分裂为中等质量核的过程称为重核的裂变。 重核的裂变 重核的裂变 受控热核反应：如果在受控条件下，每次裂变平均只有一个中子引起新的裂变，维持稳定的链式反应，这就是核反应堆中的情况。 原子弹： 铀核裂变时放出巨大的能量，同时能放出多于二个中子，若分裂时放出的中子全部被别的铀核吸收，又引起新的裂变，这样，裂变的数目将按指数规律增大，结果形成一发散的链式反应，这就是原子弹中发生的情况。 重核的裂变 原子弹： 利用铀、钚原子核的自持核裂变链式反应原理制成的武器 自持核裂变链式反应：不需外界干预，自身可持续进行的核裂变链式反应。 重核的裂变 重核的裂变 原子弹爆炸 冲击波 光辐射 核电磁脉冲 重核的裂变 早期核辐射 放射性沾染 3.氢核的聚变 氢弹爆炸 托克马克装置 两个质量较小的原子核（轻核）在一定条件上聚合为质量较大的原子核。 聚变： 3.氢核的聚变 上述反应都需要超高温条件，称为热核反应。 从上式可知，电势能随着原子序数的增大而增大，对原子序数大的重核，电势能大而不易被克服；仅对于原子序数小的轻核才能发生核聚变。 两个原子核互相接近产生聚变反应时，由于原子核间存在很大的库仑斥力，原子核碰撞动能必须克服两原子核间的电势能 。 氢核的聚变 最重要的聚变过程之一是碳氮循环，其循环结果是把四个质子结合成一个氮核： 这个过程中释放的能量约为26.7MeV 氢核的聚变 氢弹：利用氘、氚（氢的同位素）等轻原子核的聚变反应原理制成的核武器通常称为氢弹。 氢弹反应式 氢弹结构示意图 氢核的聚变 § 20-3 原子核的放射性衰变 1.放射性衰变 如： 重原子核的裂变和轻原子核的聚变都是在一定条件下完成的。事实