愛華網(wǎng)原子核物理學(xué)屬于物理學(xué)分支。研究原子核的結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律，獲得射線束并將其用于探測、分析的技術(shù)，以及同核能、核技術(shù)應(yīng)用有關(guān)的物理問題。
原子核物理_原子核物理學(xué) -基本概述
nuclearphysics物理學(xué)分支。研究原子核的結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律，獲得射線束并將其用于探測、分析的技術(shù)，以及同核能、核技術(shù)應(yīng)用有關(guān)的物理問題。簡稱核物理。原子核物理_原子核物理學(xué) -歷史
初創(chuàng)時期原子核物理評論1896年，A.-H.貝可勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性，人類首次觀測到核變化，通常將它作為核物理學(xué)的開端。此后的40多年，主要從事放射性衰變規(guī)律和射線性質(zhì)的研究，并用射線對原子核作初步探討；還創(chuàng)建了一系列探測方法和測量儀器，一些基本設(shè)備如各種計數(shù)器，電離室等沿用至今。探測、記錄射線并測定其性質(zhì)，一直是核物理研究和核技術(shù)應(yīng)用的一個中心環(huán)節(jié)。
放射性衰變的研究證明了一種元素可以通過α衰變或β衰變而變成另一種元素，推翻了元素不可改變的觀點；還確立了衰變規(guī)律的統(tǒng)計性。統(tǒng)計性是微觀世界物質(zhì)運動的一個根本性質(zhì)，同經(jīng)典力學(xué)和電磁學(xué)所研究的宏觀世界物質(zhì)運動有原則上的區(qū)別。衰變中發(fā)射的能量很大的射線，特別是a射線，為探索原子結(jié)構(gòu)提供了前所未有的武器。1911年，E.盧瑟福等用a射線轟擊各種原子，從射線偏折的分析確立了原子的核式結(jié)構(gòu)，并提出原子結(jié)構(gòu)的行星模型，為原子物理學(xué)奠定基礎(chǔ)；還首次提出原子核這個詞，不久便初步弄清了原子的殼層結(jié)構(gòu)和其電子的運動規(guī)律，建立和發(fā)展了闡明微觀世界物質(zhì)運動規(guī)律的量子力學(xué)。
1919年，盧瑟福等人發(fā)現(xiàn)用a射線轟擊氮核時釋放出質(zhì)子，首次實現(xiàn)人工核反應(yīng)。此后用射線引起核反應(yīng)的方法逐漸成為研究原子核的主要手段。初期取得的重大成果是1932年中子的發(fā)現(xiàn)和1934年人工放射性核素的制備。原子核是由中子和質(zhì)子組成的。中子的發(fā)現(xiàn)不僅為核結(jié)構(gòu)的研究提供必要的前提，還因為它不帶電荷，不受核電荷的排斥，容易進(jìn)入原子核而引起中子核反應(yīng)，成為研究原子核的重要手段。30年代中，人們還從對宇宙線的觀測發(fā)現(xiàn)正電子和“介子”(后稱μ子)，這些發(fā)現(xiàn)是粒子物理學(xué)的先河。
β衰變-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
20年代后期，開始探討加速帶電粒子的原理。30年代初，靜電、直線和回旋等類型的粒子加速器已具雛形，在高壓倍加器上實現(xiàn)初步核反應(yīng)。利用加速器可以獲得束流更強(qiáng)、能量更高和種類更多的射線束，大大擴(kuò)展了核反應(yīng)的研究，使加速器逐漸成為研究原子核，應(yīng)用核技術(shù)的必要設(shè)備。
在核物理的最初階段，已注意它的應(yīng)用，特別是核射線治療疾病例如腫瘤的作用。這是它當(dāng)時受社會重視的重要原因。
大發(fā)展時期1939年，O.哈恩和F.斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)核裂變；1942年，E.費米建立了第一個裂變反應(yīng)堆；開創(chuàng)了人類掌握核能源的新世紀(jì)，核能幾乎是取用不竭的能源，為了有效利用核能源、發(fā)展核武器，需要解決一系列很復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)問題，而核物理和核技術(shù)是其中心環(huán)節(jié)。因此，核物理飛躍發(fā)展，成為競爭十分劇烈的科技領(lǐng)域。這一階段持續(xù)30年左右，是核物理的大發(fā)展時期。在此期間，粒子的加速和探測技術(shù)有很大發(fā)展；30年代，最多只能把質(zhì)子加速到1×10電子伏特(eV)的數(shù)量級；70年代，已達(dá)到4×10eV，可產(chǎn)生能散度特小、準(zhǔn)直度特高或流強(qiáng)特大的各種束流。在探測技術(shù)方面，半導(dǎo)體計數(shù)器的應(yīng)用大大提高了測定射線能量的分辨率。核電子學(xué)和計算技術(shù)的飛速發(fā)展，從根本上改善了獲取和處理實驗數(shù)據(jù)的能力，也大大擴(kuò)展了理論計算的范圍。這一切，有力地促進(jìn)了核物理研究和核技術(shù)應(yīng)用。對原子核的基本結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律也有更深入的認(rèn)識；基本弄清了核子之間的相互作用的各種性質(zhì)；對穩(wěn)定核素和壽命較長的放射性核素的基態(tài)和低激發(fā)態(tài)(具核能級)的性質(zhì)積累了較系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)；并通過理論分析，建立了各種適用的原子核模型，成功地解釋了各種核現(xiàn)象和核反應(yīng)。此外，還開展了高能核反應(yīng)和重離子核反應(yīng)的研究。
通過核反應(yīng)，人工合成了17種原子序數(shù)大于92的超鈾元素和上千種新的放射性核素，表明元素僅僅是在一定條件下相對穩(wěn)定的物質(zhì)結(jié)構(gòu)單位，并不是永恒不變的。天體物理的研究證明：核反應(yīng)是天體演化中起關(guān)鍵作用的過程；核能是天體能量的主要來源。還初步了解到天體演化過程就是各種原子核的形成和演變的過程，誕生了新的邊緣學(xué)科如宇宙化學(xué)。通過高能和超高能射線束和原子核的相互作用，發(fā)現(xiàn)了上百種短壽命的粒子，包括各種重子、介子、輕子和共振態(tài)粒子。龐大的粒子家族的出現(xiàn)，使物質(zhì)世界的研究進(jìn)入新階段，建立了粒子物理學(xué)。這是物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的新前沿，再次證明了物質(zhì)的不可窮盡性。各種高能射線束還提供了用其他方法不能獲得的核結(jié)構(gòu)知識。
原子核-內(nèi)部結(jié)構(gòu)表通過對原子核的深入研究，發(fā)現(xiàn)在核范圍內(nèi)除了宏觀物體之間的長程的電磁相互作用、引力相互作用以外，還有短程的強(qiáng)相互作用和弱相互作用。在弱作用下宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)，是對傳統(tǒng)的物理學(xué)時空觀的一次重大突破。研究這4種基本相互作用的規(guī)律和可能的聯(lián)系，已成為粒子物理學(xué)和量子力學(xué)的重要課題。核物理還將在這方面作出新貢獻(xiàn)。核物理還為核能裝置的設(shè)計提供日益精確的數(shù)據(jù)，提高了核能利用的效率和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為更大規(guī)模的核能開發(fā)準(zhǔn)備了條件。人工制備的各種同位素的應(yīng)用，已遍及理工農(nóng)醫(yī)各部門。新的核技術(shù)如核磁共振、穆斯堡爾譜學(xué)等等，都迅速得到應(yīng)用。核技術(shù)的廣泛應(yīng)用已成為科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。
深入和提高時期粒子物理學(xué)建立后，核物理已不再處于物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的最前沿。核能利用方面也不像前階段那樣迫切需要核物理提供數(shù)據(jù)、研制關(guān)鍵設(shè)備。從70年代起，核物理進(jìn)入縱深發(fā)展和廣泛應(yīng)用的更為成熟的階段。
在現(xiàn)階段，由于重離子加速技術(shù)的發(fā)展，已能有效地加速從氫到鈾全部元素的離子，能量達(dá)到每核子1×10eV，擴(kuò)充了變革原子核的手段，使重離子核物理研究有全面的發(fā)展。強(qiáng)束流的中、高能加速器不僅提供直接加速的離子流，還能提供諸如π介子、K介子等次級粒子束，從另一方面擴(kuò)充了研究原子核的手段，加速了高能核物理的發(fā)展。超導(dǎo)加速器將大大縮小加速器的尺寸，降低造價和運轉(zhuǎn)費用，并提高束流的品質(zhì)。
核物理實驗方法和射線探測技術(shù)也有了新的發(fā)展。微處理機(jī)和數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)的改進(jìn)，影響深遠(yuǎn)。過去，核過程中同時測定幾個參量就很困難；現(xiàn)在，一次記錄幾十個參量已很普遍。對一些高能重離子核反應(yīng)，成千個探測器可同時工作，一次記錄和處理幾千個參量，以便對成千個放出的粒子進(jìn)行測定和鑒別。另一方面，一些專用的核技術(shù)設(shè)備都附有自動的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，簡化了操作，推廣了使用。
原子核物理_原子核物理學(xué) -研究內(nèi)容
核物理基礎(chǔ)研究的主要目標(biāo)有兩個方面：①通過核現(xiàn)象研究粒子的性質(zhì)和作用，特別是核子間的相互作用。一些重要問題如中子的電偶極矩、中微子的質(zhì)量和質(zhì)子的壽命等都要通過低能核物理實驗測定；粒子間相互作用的重要知識也可由中高能核物理提供。
②核多體系運動的研究、核多體系是運動形態(tài)很豐富的體系，過去主要研究了基態(tài)和低激發(fā)態(tài)的性質(zhì)以及一些核反應(yīng)機(jī)制，對于高自旋態(tài)、高激發(fā)態(tài)、大變形態(tài)以及遠(yuǎn)離b穩(wěn)定線核素等特殊運動形態(tài)的研究才剛開始，對基態(tài)和低激發(fā)態(tài)的實驗知識也不足，遠(yuǎn)小于多體波函數(shù)提供的信息。核運動形態(tài)的研究將在相當(dāng)長的時期內(nèi)成為核物理基礎(chǔ)研究的主要部分。
核技術(shù)的廣泛應(yīng)用是本階段的重要特點。常用的小型加速器已投入工業(yè)生產(chǎn)，成千上萬臺加速器在研究所、大學(xué)、工廠和醫(yī)院中運轉(zhuǎn)，鈷60放射源的使用更為普遍；另一方面，幾乎沒有一個核物理實驗室不在從事核技術(shù)的應(yīng)用研究。
原子核物理_原子核物理學(xué) -核技術(shù)應(yīng)用
主要有以下幾個方面：①為核能源的開發(fā)服務(wù)，為大型核電站到微型核電池提供更精確的數(shù)據(jù)和更有效的利用途徑。②同位素的應(yīng)用，這是應(yīng)用最廣泛的核技術(shù)，包括同位素示蹤、同位素儀表和同位素藥劑等。③射線輻照的應(yīng)用，利用加速器及同位素輻射源，進(jìn)行輻照加工、食品消毒保鮮、輻照育種、探傷以及放射醫(yī)療。④中子束的應(yīng)用，除利用中子衍射分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)外，還用于輻照、摻雜、測井、探礦及生物效應(yīng)，如治癌。⑤離子束的應(yīng)用，大量的加速器是為了提供離子束而設(shè)計的，離子注入技術(shù)是研究半導(dǎo)體物理和制備半導(dǎo)體器件的重要手段，離子束則是無損、快速、痕量分析的主要手段，特別是質(zhì)子微米束對表面進(jìn)行掃描分析，對元素含量的探測極限可達(dá)1×10～1×10克，是其他方法難以比擬的。在原子核物理學(xué)誕生、壯大和鞏固過程中，核技術(shù)的應(yīng)用使核物理基礎(chǔ)的研究獲得廣泛的支持，后者又為前者不斷開辟新的途徑。這兩方面的需要推進(jìn)了粒子加速技術(shù)和核物理實驗技術(shù)的發(fā)展；而這兩門技術(shù)的新發(fā)展，又有力地促進(jìn)了核物理的基礎(chǔ)和應(yīng)用的研究。這種相互推動，共同發(fā)展的趨勢，將在核物理的新階段中，發(fā)揮日益巨大的作用。
原子核物理_原子核物理學(xué) -原子核的衰變
天然衰變中核的變化規(guī)律
在核的天然衰變中，核變化的最基本的規(guī)律是質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。
①α衰變:隨著α衰變，新核在元素周期表中位置向前移2位，即
②β衰變:隨著β衰變，新核在元素周期表中位置向后移1位，即
③γ衰變:隨著γ衰變，變化的不是核的種類，而是核的能量狀態(tài)。但一般情況下，γ衰變總是伴隨α衰變或β衰變進(jìn)行的。
半衰期
放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時間稱為半衰期。不同的放射性元素的半衰期是不同的，但對于確定的放射性元素，其半衰期是確定的。它由原子核的內(nèi)部因素所決定，跟元素的化學(xué)狀態(tài)、溫度、壓強(qiáng)等因素?zé)o關(guān)。例題分析
[[例1]]關(guān)于天然放射現(xiàn)象，以下敘述正確的是()
A.若使放射性物質(zhì)的溫度升高，其半衰期將減小
B.β衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子時所產(chǎn)生的
C.在α、β、γ這三種射線中，γ射線的穿透能力最強(qiáng)，α射線的電離能力最強(qiáng)
D.鈾核(238
92U)衰變?yōu)殂U核(206
82Pb)的過程中，要經(jīng)過8次α衰變和10次β衰變
[[解析]]半衰期是由放射性元素原子核的內(nèi)部因素所決定，跟元素的化學(xué)狀態(tài)、溫度、壓強(qiáng)等因素?zé)o關(guān)，A錯;β衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子時所產(chǎn)生的，1
0n1
1H+0
-1e，B對;根據(jù)三種射線的物理性質(zhì)，C對;238
92U的質(zhì)子數(shù)為92，中子數(shù)為146，206
82Pb的質(zhì)子數(shù)為82，中子數(shù)為124，因而鉛核比鈾核少10個質(zhì)子，22個中子。一次α衰變質(zhì)量數(shù)減少4，故α衰變的次數(shù)為x==8次。再結(jié)合核電荷數(shù)的變化情況和衰變規(guī)律來判定β衰變的次數(shù)y應(yīng)滿足2x-y+82=92，y=2x-10=6次。故本題正確答案為B、C.
[點評](1)本題考查α衰變、β衰變的規(guī)律及質(zhì)量數(shù)，質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)之間的關(guān)系。
(2)β衰變放出的電子并不是由核外電子躍遷出來的，而是從核中衰變產(chǎn)生的。
[鞏固練習(xí)]
1.下列說法正確的是()
A.γ射線在電場和磁場中都不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)
B.β射線比α射線更容易使氣體電離
C.太陽輻射的能量主要來源于重核裂變
D.核反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量來自輕核聚變
2.一個氡核222
86Rn衰變成釙核218
84Po并放出一個粒子，其半衰期為3。8天。1g氡經(jīng)過7。6天衰變掉的質(zhì)量，以及222
86Rn衰變成218
84Po的過程放出的粒子是()
A.0。25g，α粒子B.0。75g，α粒子
C.0。25g，β粒子D.0。75g，β粒子
參考答案
1.Aγ射線中的γ光子不帶電，故在電場與磁場中都不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，A正確;α粒子的特點是電離能力很強(qiáng)，B錯;太陽輻射的能量主要來源于輕核的聚變，C錯;核反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量是來自于重核的裂變，D錯。
2.B經(jīng)過了兩個半衰期，1g的氡剩下了0。25g，衰變了0。75g，根據(jù)核反應(yīng)方程的規(guī)律，反應(yīng)前后的質(zhì)量數(shù)和荷電荷數(shù)不變，可得出是α粒子，所以B正確。
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