原子核物理基础精选PPT.ppt

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1、关于原子核物理基础第1页，讲稿共77张，创作于星期日 物质世界是由什麽组成的？是什麽把它们组合在一起？第一部分第一部分 原子与原子结构原子与原子结构第2页，讲稿共77张，创作于星期日 1 1）“原子原子”概念的提出概念的提出 朴素的认识论：朴素的认识论：世界万物由世界万物由 水水 空气空气 土土 火等构成火等构成古希腊时代古希腊时代:思辩性古代原子论思辩性古代原子论 万物由万物由原子原子构成构成,原子是物质世界的共同基础，原子是物质世界的共同基础，不能再分割。不能再分割。2 2）18031803道耳顿道耳顿化学原子论化学原子论原子是保持元素化学性质的基本粒子原子是保持元素化学性质的基本粒子-科

2、学概念科学概念第3页，讲稿共77张，创作于星期日伦琴发现伦琴发现X射线射线18951895年，德国物理学家伦琴在探索阴极射线年，德国物理学家伦琴在探索阴极射线本性的研究中，意外发现了本性的研究中，意外发现了X X射线射线 它不它不仅揭开了物理学革命的序幕，也给医疗保健事仅揭开了物理学革命的序幕，也给医疗保健事业带来了新的希望。业带来了新的希望。伦琴因此成为伦琴因此成为19011901年第一个诺贝尔物理学奖年第一个诺贝尔物理学奖得主得主第4页，讲稿共77张，创作于星期日世界上第一张世界上第一张X光照片光照片第5页，讲稿共77张，创作于星期日贝克勒尔发现放射性贝克勒尔发现放射性18961896年，

3、法国物理学家贝克勒尔发现只要年，法国物理学家贝克勒尔发现只要有铀元素存在，就有贯穿辐射产生有铀元素存在，就有贯穿辐射产生证明证明发射这种射线是铀原子自身的作用。发射这种射线是铀原子自身的作用。放射性的发现，引起人们对原子核内部的研放射性的发现，引起人们对原子核内部的研究的深入。究的深入。“进入原子内部进入原子内部”和和“分裂原子分裂原子”成为世纪之交时期科学领域中最振奋人心的口成为世纪之交时期科学领域中最振奋人心的口号。号。贝克勒尔与居里夫妇因发现放射性荣获贝克勒尔与居里夫妇因发现放射性荣获19031903年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。第6页，讲稿共77张，创作于星期日贝克勒尔与贝克勒尔

4、与居里夫妇居里夫妇第7页，讲稿共77张，创作于星期日18981898年，物理学家居里夫人在寻找比铀的年，物理学家居里夫人在寻找比铀的放射性更强的物质的过程中，先发现了一种放射性更强的物质的过程中，先发现了一种新的放射性元素，为纪念她的祖国波兰，她新的放射性元素，为纪念她的祖国波兰，她将其名命为将其名命为“钋钋”。居里夫妇又花了居里夫妇又花了4 4年时间，发现了镭，并年时间，发现了镭，并在极端艰苦的条件下，从几吨沥清铀矿渣中在极端艰苦的条件下，从几吨沥清铀矿渣中分离出分离出0.120.12克纯氯化镭，后又测出其原子量克纯氯化镭，后又测出其原子量为为225225，其发出的射线比铀强，其发出的射线比

5、铀强200200多万倍。多万倍。居里夫人因此获居里夫人因此获19111911年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。更强的放射性更强的放射性钋、镭钋、镭第8页，讲稿共77张，创作于星期日居里夫妇居里夫妇第9页，讲稿共77张，创作于星期日卢瑟福卢瑟福18981898年发现铀和铀的化合物所发出的射年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型：线有两种不同类型：一种是极易吸收的，他称之为一种是极易吸收的，他称之为射线射线；另一种有较强的穿透能力，他称之为另一种有较强的穿透能力，他称之为射线射线。后来法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本后来法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本领的第三种射线领的第三种射线射线

6、射线。由于组成由于组成射线的射线的粒子带有巨大能量和动量，粒子带有巨大能量和动量，就成为卢瑟福用来打开原子大门、研究原子内部就成为卢瑟福用来打开原子大门、研究原子内部结构的有力工具。结构的有力工具。卢瑟福发现卢瑟福发现 射线射线第10页，讲稿共77张，创作于星期日电子是在研究阴极射线的本电子是在研究阴极射线的本质过程中得到的，阴极射线究质过程中得到的，阴极射线究竟是什么？物理学家汤姆逊设竟是什么？物理学家汤姆逊设计了一个巧妙的实验装置，证计了一个巧妙的实验装置，证实了阴极射线是由带负电荷的实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的，并推算出其质量粒子组成的，并推算出其质量和电荷比值。得出来源于各种和

7、电荷比值。得出来源于各种不同物质的阴极射线粒子都是不同物质的阴极射线粒子都是一样的。一样的。指出电子是比原子小得多的粒子，其质量只是氢离指出电子是比原子小得多的粒子，其质量只是氢离子的千分之一子的千分之一 。汤姆逊认定这种粒子必定是。汤姆逊认定这种粒子必定是“建造一切建造一切化学元素的物质化学元素的物质”，也就是一切化学原子所共有的组成，也就是一切化学原子所共有的组成部分。部分。汤姆逊发现电子汤姆逊发现电子第11页，讲稿共77张，创作于星期日19031903年，汤姆逊提出了新的原子构造模型：年，汤姆逊提出了新的原子构造模型：原子是一个半径大约为原子是一个半径大约为1010-10-10米的球体，

8、正电荷米的球体，正电荷均匀地分布于整个球体，电子则稀疏地嵌在球均匀地分布于整个球体，电子则稀疏地嵌在球体中，这是一个类似体中，这是一个类似葡萄干面包葡萄干面包的原子模型。的原子模型。同年，物理学家长冈半太郎认为正负电子不同年，物理学家长冈半太郎认为正负电子不可能相互渗透，提出了电子均匀地分布在一个可能相互渗透，提出了电子均匀地分布在一个环上，环中心是一个具有大质量的带正电的球，环上，环中心是一个具有大质量的带正电的球，被他称为被他称为“土星型模型土星型模型”结构。结构。汤姆逊的原子结构模型汤姆逊的原子结构模型第12页，讲稿共77张，创作于星期日卢瑟福的原子结构模型卢瑟福的原子结构模型19111

9、911年，卢瑟福借助于年，卢瑟福借助于粒子散射研究，提出原子粒子散射研究，提出原子正电荷必定集中在半径正电荷必定集中在半径1010-15-15米的范围内，而原子半径却米的范围内，而原子半径却有有10101010米，因此原子里面米，因此原子里面绝大部分是空虚的，从而绝大部分是空虚的，从而证明长冈半太郎的证明长冈半太郎的“土星土星型模型型模型”比汤姆逊的比汤姆逊的“葡葡萄干面包模型萄干面包模型”更接近于更接近于物理真实。物理真实。第13页，讲稿共77张，创作于星期日原子结构模型演化示意图原子结构模型演化示意图第14页，讲稿共77张，创作于星期日19021902年，物理学家卢瑟福与化年，物理学家卢瑟

10、福与化学家索迪合作在对铀、镭、钍等学家索迪合作在对铀、镭、钍等元素的放射性研究中，提出了放元素的放射性研究中，提出了放射性元素的衰变理论：射性元素的衰变理论：放射性原放射性原子是不稳定的，它们自发性地放子是不稳定的，它们自发性地放射出射线和能量，而自身衰变成射出射线和能量，而自身衰变成另一种放射性原子，直至成为一另一种放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。这种特性即种稳定的原子为止。这种特性即放射性。放射性。并提出了并提出了“原子能原子能”的概念。的概念。卢瑟福、索迪卢瑟福、索迪元素衰变元素衰变卢瑟福因此获卢瑟福因此获19081908年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖第15页，讲稿共77张，创作于

11、星期日以后，卢瑟福和索迪等人进一步研以后，卢瑟福和索迪等人进一步研究放射性元素递次变化（即衰变链系）究放射性元素递次变化（即衰变链系）的线索，发现如下衰变链：的线索，发现如下衰变链：索迪因此及对同位素起源和性质研索迪因此及对同位素起源和性质研究获究获19211921年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。元素衰变理论打破了自古希腊以来元素衰变理论打破了自古希腊以来人们相信的原子永远是不生不灭的传统人们相信的原子永远是不生不灭的传统观念，而认为一种元素的原子可以变成观念，而认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。另一种元素的原子。卢瑟福、索迪卢瑟福、索迪元素衰变元素衰变第16页，讲稿共77张，创作于

12、星期日卢瑟福用镭发射的卢瑟福用镭发射的粒子作粒子作“炮弹炮弹”，研究被轰击的，研究被轰击的粒子的情况。粒子的情况。19191919年，终于观察到氮原子核俘获一个年，终于观察到氮原子核俘获一个粒粒子后放出一个氢核，同时变成了另一种原子核的结果，子后放出一个氢核，同时变成了另一种原子核的结果，1818N N 1717O Op p 。这是人类历史上第一次实现原子核的人工衰变，使古代炼这是人类历史上第一次实现原子核的人工衰变，使古代炼金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想变成现金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想变成现实。当时卢瑟福写了一本书就取名为实。当时卢瑟福写了一本书就取名为新

13、炼金术新炼金术。人人工工衰衰变变第17页，讲稿共77张，创作于星期日19321932年，物理学家年，物理学家查德威克发现了其质查德威克发现了其质量同质子相当的中性量同质子相当的中性粒子，这正是粒子，这正是19201920年年卢瑟福猜想原子核内卢瑟福猜想原子核内可能存在的一种中性可能存在的一种中性的粒子，即中子。他的粒子，即中子。他因此获因此获19351935年诺贝尔年诺贝尔物理学奖。物理学奖。查德威克发现中子查德威克发现中子第18页，讲稿共77张，创作于星期日19321932年：海森伯和伊凡宁柯各自独立地年：海森伯和伊凡宁柯各自独立地提出了原子核是由质子和中子组成的核结提出了原子核是由质子和中

14、子组成的核结构模型。构模型。由于中子不带电荷，不受静电作用的影由于中子不带电荷，不受静电作用的影响，可以比较自由地接近以至进入原子核，响，可以比较自由地接近以至进入原子核，容易引起核的变化，因此，它立即被用来容易引起核的变化，因此，它立即被用来作为轰击原子核的理想作为轰击原子核的理想 炮弹炮弹。探索原子核奥妙的钥匙探索原子核奥妙的钥匙中子中子第19页，讲稿共77张，创作于星期日中子的发现为核物理学开辟了一个新的纪元，它不仅中子的发现为核物理学开辟了一个新的纪元，它不仅使人们对原子核的组成有了一个正确的认识，而且为人使人们对原子核的组成有了一个正确的认识，而且为人工控制原子核提供了有效手段。它可

15、以说是打开原子核工控制原子核提供了有效手段。它可以说是打开原子核奥秘的奥秘的 钥匙钥匙，在开发原子能的伟大事业中大显身手。，在开发原子能的伟大事业中大显身手。探索原子核奥妙的钥匙探索原子核奥妙的钥匙中子中子第20页，讲稿共77张，创作于星期日现代原子结构现代原子结构原子核中子质子电子(电子云)+第21页，讲稿共77张，创作于星期日现代原子结构现代原子结构第22页，讲稿共77张，创作于星期日19331933年，狄拉克关于正电子存在的预言被证年，狄拉克关于正电子存在的预言被证实，安德森因此获实，安德森因此获19361936年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。19551955年塞格雷和钱伯林利用高能

16、加速器发现年塞格雷和钱伯林利用高能加速器发现了反质子，他们因此获了反质子，他们因此获19591959年物理奖。年物理奖。19591959年王淦昌等人发现了反西格玛负超子。年王淦昌等人发现了反西格玛负超子。莱因斯等利用大型反应堆，在莱因斯等利用大型反应堆，在19561956年直接探年直接探测到铀裂变过程中所产生的反中微子。他因此测到铀裂变过程中所产生的反中微子。他因此获获19951995年物理学奖。到年物理学奖。到19681968年，人们才探测到年，人们才探测到了来自太阳的中微子。了来自太阳的中微子。19471947年鲍威尔利用自己发明的照相乳胶技术年鲍威尔利用自己发明的照相乳胶技术在宇宙线中找

17、到了在宇宙线中找到了19341934年汤川秀树提出的介子年汤川秀树提出的介子场理论中预言的介子。汤川秀树获场理论中预言的介子。汤川秀树获19491949年物理年物理奖，鲍威尔获奖，鲍威尔获19501950年物理奖。年物理奖。基本粒子基本粒子第23页，讲稿共77张，创作于星期日 到到5050年代末，基本粒子年代末，基本粒子的数目已达的数目已达3030种。这些粒子种。这些粒子绝大多数是从宇宙射线中发绝大多数是从宇宙射线中发现的。现的。1988年中科院近代物理所年中科院近代物理所建成的重离子加速器建成的重离子加速器第24页，讲稿共77张，创作于星期日 到达地球表面数目到达地球表面数目 6.6106.

18、6101010个个/cm/cm2 2 秒秒中微子与物质作用很弱中微子与物质作用很弱吸收截面吸收截面1010-40-40cmcm2 2通过通过100100万个太阳厚度万个太阳厚度强度才减少一半。强度才减少一半。中微子在宇宙中自由穿中微子在宇宙中自由穿行，由于作用太弱，很行，由于作用太弱，很难探测到。难探测到。地球地球 R=6.37 x 10R=6.37 x 106 6 m m太阳太阳 R=7 x 10R=7 x 108 8 m m太阳中微子太阳中微子:天然存在天然存在对人体作用完全可以忽略不计，对人体没有危害。对人体作用完全可以忽略不计，对人体没有危害。人们不会对存在的大量中微子感到害怕人们不会

19、对存在的大量中微子感到害怕.第25页，讲稿共77张，创作于星期日公元前公元前4 4世纪世纪德寞克利特德寞克利特 1803 1803道尔顿道尔顿 1911 1911卢瑟福卢瑟福19131913玻耳玻耳19321932海森堡海森堡？人类认识物质人类认识物质“基本砖块基本砖块”历程历程电子电子2000 多年多年6 0 多多 年年100 1990年代年代“基本砖块基本砖块”轻子轻子 12夸克夸克 36媒介子媒介子 13希格斯粒子希格斯粒子 1合计合计 62其中其中 2个粒子尚未发个粒子尚未发现：引力子和希格斯现：引力子和希格斯粒子。粒子。19641964夸克夸克第26页，讲稿共77张，创作于星期日第二

20、部分第二部分 核与放射性的基本物理基础核与放射性的基本物理基础第27页，讲稿共77张，创作于星期日核素核素 ：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素核素是原子核的一种统称核素是原子核的一种统称核素及符号表示核素及符号表示第28页，讲稿共77张，创作于星期日其它：其它：稳定核素和不稳定核素稳定核素和不稳定核素 稳定同位素和不稳定同位素稳定同位素和不稳定同位素 放射性核素和非放射性核素放射性核素和非放射性核素定义：质子数相同而中子数不同的核素互为同位素。定义：质子数相同而中子数不同的核素互为同位素。同位素同位素第29页，讲稿共77张，创作于星期日l实验发现实

21、验发现:原子核内的原子核内的质子质子+中子中子紧紧密地挤靠在一起，核子之间没有什麽密地挤靠在一起，核子之间没有什麽空隙（与原子情况不同空隙（与原子情况不同).).l稳定原子核基本上类似与球体稳定原子核基本上类似与球体 原子核的半径原子核的半径 R=r0A1/3 原子核半径常数原子核半径常数 r r0 0=1.2 =1.2 1010-15-15 m=1.2 fm m=1.2 fm A A 原子核的质量数原子核的质量数 例如：例如：238238U U 7.4 fm 7.4 fm1)原子核的大小原子核的大小R原子核的基本性质原子核的基本性质第30页，讲稿共77张，创作于星期日2)2)原子核的质量原子

22、核的质量电子电子 m me e =9.110=9.110-31-31 kg kg =5.4810 =5.4810-4-4 u =0.511 MeV/cu =0.511 MeV/c2 2质子质子 m mp p =1.007276 u =938.256 MeV/c=1.007276 u =938.256 MeV/c2 2中子中子 m mn n =1.008665 u =939.550 MeV/c=1.008665 u =939.550 MeV/c2 2原子核质量原子核质量=原子质量原子质量 全部电子的质量全部电子的质量 MN(Z,A)=Ma(Z,A)Z me 忽略了电子的结合能忽略了电子的结合能

23、（eV eV 量级）量级）原子的质量可以用质谱计精确测量原子的质量可以用质谱计精确测量(有表可查有表可查)原子核质量可以精确原子核质量可以精确确确定定第31页，讲稿共77张，创作于星期日3)3)核物质密度核物质密度原子核中核子紧密挤在一起原子核中核子紧密挤在一起根据根据 =M/V =M/V 计算计算 核物质密度核物质密度:2.3 1014 g/cm3 1 cm3 核物质核物质 2 亿吨重亿吨重!黑黑 洞洞 1018核物质核物质 1014中子星中子星 109白矮星白矮星 105 水水 1密度比较密度比较 g/cm3 第32页，讲稿共77张，创作于星期日 天平为何倾斜天平为何倾斜?重重轻轻4)原子

24、核结合能和原子核稳定性原子核结合能和原子核稳定性第33页，讲稿共77张，创作于星期日 质量亏损质量亏损 氦原子核（氦原子核（4 4HeHe）由）由2 2个质子个质子+2+2个中子构成个中子构成 2 2个质子质量个质子质量+2 +2 个中子质量个中子质量 =原子核原子核 4 4He He 的质量的质量 2 x 1.007276+2 x 1.008665 2 x 1.007276+2 x 1.008665-4.002603 4.002603 M(M(4 4He)=He)=4.031882 4.031882 -4.002603 4.002603=-0.029279 u-0.029279 u E(E(

25、4 4He)=He)=M(M(4 4He)CHe)C2 2=27.27 MeV=27.27 MeV亏损的质量转化为能量亏损的质量转化为能量 氦原子核的结合能是氦原子核的结合能是 27.27 MeV 27.27 MeV 亏损的亏损的质量哪里去了质量哪里去了?质能关系质能关系 E=M C 2第34页，讲稿共77张，创作于星期日 原子核结合能原子核结合能 定义定义:质子和中子结合构成原子核时所释放的能量质子和中子结合构成原子核时所释放的能量原子核的结合能越大（质量亏损越大）原子核越稳定原子核的结合能越大（质量亏损越大）原子核越稳定 表表:比结合能比结合能 (原子核结合能原子核结合能/核子数核子数)第

26、35页，讲稿共77张，创作于星期日 原子核平均结合能原子核平均结合能(比结合能比结合能)曲线曲线1 1 各原子核中，每个各原子核中，每个 核子的平均结合能核子的平均结合能 随质量数而变化随质量数而变化 6-9 MeV6-9 MeV2 2 中等重量的原子核中等重量的原子核 的比结合能较大的比结合能较大 l 释放能量途径释放能量途径:1 1）重核裂变）重核裂变 2 2）轻核聚合成原子核）轻核聚合成原子核 重核裂变重核裂变轻核聚合轻核聚合第36页，讲稿共77张，创作于星期日252Cf 自发裂变自发裂变中子引起中子引起 235U 裂变裂变 H H 原子核聚合原子核聚合 H H 的燃烧的燃烧太太阳阳能能

27、 释放能量举例释放能量举例第37页，讲稿共77张，创作于星期日例：估算裂变释放的能量例：估算裂变释放的能量 n+235U (236U)X+Y+E假设裂变成质量相等的两块假设裂变成质量相等的两块 质量数各约为质量数各约为118118 235 235U U 核子平均结合能核子平均结合能 7.6 MeV 7.6 MeV 质量数为质量数为118118的原子核平均结合能的原子核平均结合能 8.6 MeV 8.6 MeV 两者平均结合能差两者平均结合能差 1 MeV 1 MeV 230 230多个核子多个核子 总的总的 E=200 MeV!E=200 MeV!比较比较:裂变能裂变能 n+235U X+Y+

28、E 200 MeV 化学能化学能 C+O2 CO2+E 4 ev 汽油与氧的爆炸，一个分子释放汽油与氧的爆炸，一个分子释放 40-50 eV TNT 爆炸自身释放能量，每个分子爆炸自身释放能量，每个分子 30 eV第38页，讲稿共77张，创作于星期日+从母核中射出的4He原子核 粒子得到大部分衰变能238U4He+234Th放射性母核!基本衰变基本衰变 衰变衰变放射性衰变及衰变规律放射性衰变及衰变规律第39页，讲稿共77张，创作于星期日 衰变衰变241241AmAm 237237NpNp第40页，讲稿共77张，创作于星期日+发生原因：母核中子或质子过多发生原因：母核中子或质子过多质子转变成中子

29、，并且带走一个单位的正电荷中子转变成质子，并且带走一个单位的负电荷+反中微子中微子 三种子体分享裂变能因此电子具有连续能量基本衰变基本衰变 衰变衰变第41页，讲稿共77张，创作于星期日基本衰变基本衰变 衰变（动画）衰变（动画）第42页，讲稿共77张，创作于星期日 衰变衰变3 3H H 3 3HeHe第43页，讲稿共77张，创作于星期日正正 衰变衰变1111C C 1111B B第44页，讲稿共77张，创作于星期日 质子变成中子X射线电子俘获电子俘获第45页，讲稿共77张，创作于星期日电子俘获电子俘获7 7BeBe 7 7Li Li第46页，讲稿共77张，创作于星期日+中微子 光子基本衰变基本衰

30、变 衰变衰变第47页，讲稿共77张，创作于星期日基本衰变基本衰变 衰变衰变 衰变特点：衰变特点：1 1、从原子核中发射出光子、从原子核中发射出光子2 2、常常在、常常在 或或 衰变后核子从激发态退衰变后核子从激发态退 激时发生激时发生3 3、产生的射线能量不连续、产生的射线能量不连续4 4、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类 类别类别第48页，讲稿共77张，创作于星期日 衰变衰变3 3HeHe 3 3HeHe第49页，讲稿共77张，创作于星期日 衰变衰变-衰变衰变+衰变衰变 衰变衰变第50页，讲稿共77张，创作于星期日半衰期半衰期 (T(T1/21/2)定义

31、定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来一定量的某种放射性原子核衰变至原来 的一半所需要的时间。的一半所需要的时间。经过经过n n个半衰期后，未发生衰变的放射个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的性原子核数目是原有的 1/2n放射性衰变规律放射性衰变规律第51页，讲稿共77张，创作于星期日半衰期半衰期第52页，讲稿共77张，创作于星期日放射性衰变基本规律放射性衰变基本规律 1 1 指数衰减规律指数衰减规律 N=NN=N0 0e e-t t N N0:0:（t=0t=0）时放射性原子）时放射性原子 核的数目核的数目N:N:经过经过t t时间后未发生衰变的时间后未发生衰变的放射性原子核数

32、目放射性原子核数目:放射性原子核衰变常数放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质大小只与原子核本身性质 有关，与外界条件无关有关，与外界条件无关;数值越大衰变越快数值越大衰变越快N=NN=N0 0e e-t t第53页，讲稿共77张，创作于星期日核辐射的基本性质核辐射的基本性质1.0086651.008665 0 0 n n中中 子子1.0072761.007276+1+1 p p质质 子子 0 0 0 0 5.486105.48610-4-4 1 1 e e 4.002794.00279+2+2 4 4He He 质质 量量 (u)(u)电荷电荷（e)e)符号符号种类种类 核辐射与物质的

33、相互作用核辐射与物质的相互作用第54页，讲稿共77张，创作于星期日一一 核辐射与物质的基本作用核辐射与物质的基本作用 。原子原子。n n 物物 质：气体质：气体 液体液体 固体固体 包括人体包括人体 等等微观粒子间碰撞有动量和能量的传递微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 库仑作用库仑作用 1 1 电离作用电离作用 2 2 电离效应电离效应第55页，讲稿共77张，创作于星期日二二 带电粒子与物质的作用带电粒子与物质的作用自由电子自由电子正离子正离子 +靶原子靶原子 正离子正离子 +电子电子 +4He +Ar Ar+e-+4He物质中原子被电离，在粒子通过物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多

34、离子对：正离的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子子和自由电子+e-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-库仑作用第56页，讲稿共77张，创作于星期日 射线与射线与射线射线电离效应比较电离效应比较 射线射线 射线射线径迹径迹 粗粗 直直 细细 弯弯 电离作用强电离作用强 电离作用严重电离作用严重 产生离子对数目多产生离子对数目多 电离作用电离作用 Z Z1 1Z Z2 2/v/v2 2 Z Z1 1 入射粒子原子序数入射粒子原子序数 Z Z1 1 靶粒子原子序数靶粒子原子序数 v v 入射粒子速度入射粒子速度 实验

35、结果实验结果第57页，讲稿共77张，创作于星期日粒子粒子径迹是一条直线径迹是一条直线 5.3 MeV5.3 MeV粒子在空气中粒子在空气中 的射程的射程3.83 cm3.83 cm电子径迹是折线电子径迹是折线第58页，讲稿共77张，创作于星期日 电磁辐射谱电磁辐射谱 小小能量高能量高E=h ,=c/l 大大能量低能量低第59页，讲稿共77张，创作于星期日第60页，讲稿共77张，创作于星期日射线是波长很短能量高的电磁辐射射线是波长很短能量高的电磁辐射 （10-11 米，米，keV，MeV），来自原子核），来自原子核衰变衰变,不带电，不带电，静止质量静止质量 0 。1 1 射线是什麽？射线是什麽？

36、能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子 电离；电离；有动量和能量交换有动量和能量交换,能够产生载能次级能够产生载能次级 带电粒子，带电粒子，可以对物质发生电离作用。可以对物质发生电离作用。能量能量 E=h）动量动量 p=h/c第61页，讲稿共77张，创作于星期日2 2 射线对物质的电离射线对物质的电离作用作用 两步过程两步过程三种作用效应三种作用效应 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 电子对效应电子对效应 产生次级电子产生次级电子电离效应电离效应次级电子使次级电子使物质原子电离物质原子电离射线射线第第 1 1 步步初级作用初级作用第第 2 2 步

37、步次级作用次级作用第62页，讲稿共77张，创作于星期日光电效应光电效应 自由电子自由电子 作用机制作用机制光子同光子同(整个整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由成为自由电子，光子本身消失了。电子，光子本身消失了。+A A*+e-（光电子）（光电子）原子原子 A +X 射线射线原子原子受激原子受激原子第63页，讲稿共77张，创作于星期日 电子对效应电子对效应能量能量1.02 MeV 1.02 MeV 的的射线射线与原子核作用可能产生一对正与原子核作用可能产生一对正-负

38、电子。负电子。M M M +e M +e+e+e-1 1 +2 2 1.02 MeV m 1.02 MeV me e m me e 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV基本条件：基本条件：射线能量射线能量 E E 1.02 MeV 1.02 MeV 为什麽？为什麽？能量转化成质能量转化成质量量M=E/C2第64页，讲稿共77张，创作于星期日3 3 轫致辐射轫致辐射电子打在荧光屏上产电子打在荧光屏上产生生X X射线射线电视机显像管电视机显像管特征特征:x:x 射线能量连续射线能量连续 0 E0 EMaxMax(电子能量电子能量)电视机电视机 高压高压15 kV

39、15 kV 电子束能量电子束能量15 keV15 keV x x 射线能量射线能量 0-15 keV0-15 keV应注意玻璃含有应注意玻璃含有4040K U ThK U Th产生机制产生机制原子核原子核第65页，讲稿共77张，创作于星期日4 4 正电子湮灭正电子湮灭正电子与负电子相遇发生湮灭，正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个产生两个 0.511 0.511 MeV的的 光光子。子。e+e-+me+me-=0.511 +0.511 MeV 质量转化为能量质量转化为能量 转化效率转化效率 (100%）第66页，讲稿共77张，创作于星期日 射线通过介质时由于同物质的作用射线通过介质时由于同物质

40、的作用,光子的光子的数量数量不不断的减少断的减少,物质层越厚减少得越多，这种现象称做对物质层越厚减少得越多，这种现象称做对射射线的吸收线的吸收。I(x)=I0 e-x 厚厚 度度 X X I I0 0 四四 射线的吸收射线的吸收I 实验发现：实验发现：射线强度随通过介质层厚度增加而射线强度随通过介质层厚度增加而 减小，服从指数衰减规律减小，服从指数衰减规律。第67页，讲稿共77张，创作于星期日 指数衰减规律指数衰减规律 指数衰减因子指数衰减因子 线性吸收系线性吸收系1 1）射线能量高射线能量高 值小值小2 2）原子序数高原子序数高 值大值大I(x)=II(x)=I0 0 e e-x-x铅和铝吸

41、收系数铅和铝吸收系数第68页，讲稿共77张，创作于星期日射线强度减弱射线强度减弱1/21/2 所通过物质层的厚度所通过物质层的厚度 射线的防护大都选用射线的防护大都选用重金属铅、水泥等，重金属铅、水泥等，构成很厚的防护墙。构成很厚的防护墙。半吸收厚度半吸收厚度 单位：单位：cm物质层厚度物质层厚度 0 I/I 半吸收厚度半吸收厚度(d(d1/21/2)第69页，讲稿共77张，创作于星期日 对物质电离作用的比较对物质电离作用的比较 2 MeV 射程射程(m)(m)离子对密度离子对密度/mm/mm 0.01 6000 0.01 6000 2-3 60 2-3 60 10 10 几个几个第70页，讲

42、稿共77张，创作于星期日1 MeV 1 MeV 的粒子穿透物质能力的粒子穿透物质能力 1 1 页页 60 60页页/本本 铅铅地地 下下1-2 1-2 米深米深铅室铅室n n45804580本本中子源中子源第71页，讲稿共77张，创作于星期日射线穿透物质能力射线穿透物质能力 射线穿透射线穿透 人体皮肤情况人体皮肤情况 第72页，讲稿共77张，创作于星期日中子不带电不能直接使原子电离中子不带电不能直接使原子电离 但中子容易进入原子核内但中子容易进入原子核内同原子核发生作用引起核反应同原子核发生作用引起核反应1 1）与）与 H H 原子核的弹性碰撞原子核的弹性碰撞 传递能量传递能量 质子跑出来质子

43、跑出来 中子被慢化中子被慢化 n+H n +p n+H n +p 第一步第一步 打出质子（载能）打出质子（载能）第二步第二步 质子引起物质电离质子引起物质电离 慢化剂慢化剂:轻水轻水(1 1H H2 2O)O)重水重水(2 2D D2 2O)O)五五 中子与物质的作用中子与物质的作用nHnnp电离电离第73页，讲稿共77张，创作于星期日 2 2）中子核反应中子核反应 例如例如(n,p)(n,p)反应反应 n +n +1414N N 1414C +p C +p 第一步第一步 核反应产生质子核反应产生质子 第二步第二步 质子对物质产生质子对物质产生 电离作用电离作用 n p电离电离1414N N1

44、414C C 人体有大量人体有大量 H H 和和 N N 原子原子 中子对人体电离效应严重，可导致严重伤害中子对人体电离效应严重，可导致严重伤害12第74页，讲稿共77张，创作于星期日电离辐射电离辐射 直接或间接使介质发生电离直接或间接使介质发生电离效应的带电或不带电的射线效应的带电或不带电的射线或粒子或粒子 (能量能量 keV)keV)、x x、n n、p p、裂变碎片裂变碎片 介子等介子等 来来 源源 1)1)放射性物质放射性物质 (人造人造 天然）天然）2)2)加速器加速器3)3)反应堆反应堆 4)4)宇宙射线宇宙射线 5)5)地球环境地球环境 电离辐射和非电离辐射电离辐射和非电离辐射

45、非电离辐射非电离辐射 紫外线、红外线、微波等紫外线、红外线、微波等这些粒子虽能够同物质发生作这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效用但都不能使物质发生电离效应应 eV eV 量级量级移动电话移动电话 800-1800 MHz800-1800 MHz 0.01 eV 0.01 eV (没有电离作用）没有电离作用）第75页，讲稿共77张，创作于星期日1 1 原子核裂变或聚变时可以放出巨大的能量，既可造福人原子核裂变或聚变时可以放出巨大的能量，既可造福人类，也可能对环境和人类产生危害。类，也可能对环境和人类产生危害。2 2 核辐射同物质相互作用的过程是能量和动量传递核辐射同物质相互作用的过程是能量和动量传递 的的过程；没有能量和动量传递就没有作用。过程；没有能量和动量传递就没有作用。3 3 通常遇到的核辐射主要是对物质的电离作用，会通常遇到的核辐射主要是对物质的电离作用，会 对物体产生一系列的影响，人体也不例外。对物体产生一系列的影响，人体也不例外。小小 结结第76页，讲稿共77张，创作于星期日01.10.2022感感谢谢大大家家观观看看第77页，讲稿共77张，创作于星期日