PDF《《原子物理学》》

《原子物理学》 讲授:徐仁新 北京大学物理学院天文学系 核反应与核结构模型 "Atomic Physics" http://www.

phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu A.核反应 "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu 什么核反应? ?因其它粒子作用而使原子核状态发生改变 核衰变:A ? B + C ( + D + …) 核反应:A + a ? b + B ( + C + …) 记为 A (a, b) B 反冲核 靶核 入射 出射 粒子 粒子 ?核反应两例: 第一次人工核反应(Rutherford): 14N (?, p) 17O 第一次制放射性核(Curie夫妇): 27Al (?, n) 30P "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu A1,反应能 反应过程中因质量亏损而释放的能量Q A(a, b)B: Q = (mA + ma - mb - mB) c2 能量守恒要求 (EA+mAc2) + (Ea+mac2) = (EB+mBc2 ) + (Eb+mbc2) ? Q = EB + Eb - EA - Ea ?放能反应: Q >

0 ?吸能反应: Q <

0 例:7Li + p ?

2 ? Q = [m(1H) + m(7Li) -

2 m(4He)] c2 = 17.35 MeV 若入射质子动能为0.5MeV ? ?粒子的平均动能约为:(Q+0.5)/2 ~ 0.89MeV "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu A1,反应能 Q方程:在m未精确测定时如何得到Q值? pa A pb pB q pa pB 消去pB ? Ea Eb "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu A1,反应能 例:反应6Li (d, p) 7Li,当Ed = 1MeV时,在q=60o处测得质子能量有双值:5.44MeV和5.00MeV.试计算7Li核的能级差. 解: 能级差为DQ = Q1 C Q2 = 0.48 MeV "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu A2,反应截面 如何描述核反应发生的几率? ?设薄靶,即"无遮掩",靶核数N,则时间dt内发生核 反应原子核数目dN应该与入射粒子流量I、靶核数N正比 dN ? - I N dt 或写成 dN = -s I N dt ?s的量纲: ?s与面积同量纲,称为截面;

可以 形象地认为入射至原子核附近该面 元内的入射粒子发生了核反应. ?单位:1barn = 10-24 cm2 A [I] = L-2T-1 s 靶核数N=1 "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu A3,核裂变与核聚变 比结合能核裂变 核聚变 "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu 核素图ZZ=N铁族元素 核素图,裂变与聚变 A3,核裂变与核聚变 N 越重 的稳定 核越丰中子! "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu 例: 产物: 1,两个中等质量核 2,约2.5个中子 3,放能210MeV 热n反应截面: ~ 582.2 barn 裂变机制与产物 A3,核裂变与核聚变 裂变势垒235U,T1/2 = 3.5?1011a 238U,T1/2 = 1.01?1016a 240Pu,T1/2 = 1.45?1011a A3,核裂变与核聚变 ?自发裂变:因存在裂变势垒,故几率较小;

如?(中子)诱发裂变:因截面较大,且产物中有中子,故容易导致 裂变过程持续发生 ?链式反应:利用裂变产物n使另一个核裂变 ?问题:产物n能量~MeV,截面小 ?中子热化(慢化):较轻核,如H、D、12C ?反应堆:可控链式反应 ?原子弹:不可控链式反应 "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu 问题: 如何克服 Coulomb 势垒? 聚变机制 A3,核裂变与核聚变 核力势 电磁势 "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu 氢弹: 利用原子弹产生高温而导致聚变 若利用高温下原子核热运动穿透Coulomb 势垒来实现核聚变,则称为热核反应. 恒星内部核合成: 利用恒星中心的高温 A3,核裂变与核聚变 万有引力能否帮助核聚变? "巨大"原子核以至于引力不可忽略… "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu 产生高温 容易,问 题是如何 约束! 磁约束: Tokamak 装置 A3,核裂变与核聚变 欧盟、中国、美国、日本、 韩国、俄罗斯和印度七方 "国际热核聚变试验堆"计划 ITER(International Thermonuclear Energy Reactor) 联合建造一座总功率为500万千瓦 的热核反应堆,项目总投资额 >100亿欧元. A3,核裂变与核聚变 "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu A3,核裂变与核聚变 ?实现人工核聚变ITER的反应过程: D + T → 4He + n + 17.59 MeV 6Li + n → 4He + T + 4.8 MeV 7Li + n → 4He + T + n - 2.5 MeV ITER实验消耗的 材料为D、Li.D 在海水中非常丰 富,其数目约占 总氢元素的0.02%;