反应堆物理1-3章.doc

第一章 原子核物理基础 第一节 原子核物理基础 1.1.1 原子核的组成 原子核由Z个质子和N个中子组成，质子与中子通称为核子。原子核带有Z个单位正电荷，Z就是该原子核所属元素的原子序数。Z+N=A，A为核内的核子数，称为该核的质量数。Z，N，A皆为正整数。 实验证明，质子和中子的质量分别为 原子质量单位 原子质量单位 按国际规定，原子量以的质量精确等于12原子质量单位为标准，即规定原子质量的1/12为1原子质量单位（u）。于是，的原子量为15.9994原子质量单位。1原子质量单位=（1.6605655±0.0000086）千克，故质子、中子以千克为单位的质量分别 千克 千克 质子所荷的正电量为1.602192库，其绝对值与电子所荷电量相等。中子不荷电，是中性粒子。 自由质子是稳定的，在自然界（如星际空间）中有大量的自由质子存在。但自由中子则不稳定，它可以衰变为质子及负电子并放出一个反中微子： 这个过程的半衰期为12分，所以自然界中见不到自由中子。在反应堆内燃料核裂变所放出的中子，从产生到被吸收或泄漏出堆外的平均寿命。对热中子反应堆而言，大约为秒的量级，对快中子反应堆则只有秒的量级。可见，在讨论反应堆的中子扩散、慢化、吸收或增殖等所有过程时，可以不考虑中子的衰变问题。 1.1.2 核力 存在稳定原子核的事实表明，核子间具有极强的吸力。氘核由一个中子与一个质子所组成；稳定氘核的存在，表明中子与质子之间存在吸力。氦-3核由一个中子与二个质子所组成，也有一定的稳定性，这表明质子与质子之间也存在吸力。大量实验表明，核子间的相互作用与万有引力或电磁作用都不相同，前者的基本特点主要是： （1）核力是短程力 核子间的相对距离比厘米小时，核力表现为极强的吸引力；比厘米大时，核力即迅速下降到零。 （2）核力与电荷无关 不论质子之间、中子之间或是中子与质子之间，核力的性质基本相同。这个事实使人们联想到中子与质子可能是同一种核子的两个不同状态，于是便形成了所谓的同位旋理论。这个理论很成功，反过来更加说明了核力是与电荷无关的。 （3）核力有饱和性 在原子核内，一个核子只与其邻近的数目有限的几个核子发生相互作用，即核子间的相互作用具有饱和性。这与一个氢分子系统有些相似。氢分子由二个氢原子结合而成，当第三个氢原子接近该氢分子时，则由于它们之间的化学力饱和性而被排斥。如果核子间相互作用没有这种饱和性，则在核子间极强的吸引力作用下，核内核子越多，核子间的联系就会越紧密，亦即会造成A越大单位体积内的核子数越多。 但是，与此相关的是总的相互作用能问题。设核内有A个核子，且每一核子都能与核内所有其他核子发生作用，则各单个核子与其他核子的相互作用共有A（A-1）对，相互作用共有对，核内总相互作用能应与成正比。但后面第3.2节中式（1-16）表明，相互作用能大体上与A的一次方成正比。这表明核力是具有饱和性的。 表面上看来，核力饱和性与氢分子系统的化学力饱和性有些相似。但它们的物理性质完全不同。化学力饱和性起因于原子间电子自旋的交换作用，可用化学键理论加以解释；核力的饱和性则起因于核子间介子的交换作用。大量高能中子--质子散射和高能质子--质子散射实验已经证明了这一点。 （4）核力与核子的自旋态有关，等等。 1.1.3 同位素 具有A个核子、Z个质子的原子核，常用来表示，其中X为元素的符号。 一种元素的化学性质，完全由该元素原子的核外电子数目及结构形态所决定。化学过程与原子核没有直接的关系。 实验表明，一种化学纯的物质，其原子的质量可以有几种不同的数值，亦即存在Z值相同、A值不同的核素。这些核素的化学性质相同，在周期表中占同一个位置，称为同位素。 例如氢，它有三种同位素：，分别称为氕、氘、氚。自然界中基本上只存在和两种同位素，它们的丰度分别为99.9852%及0.0148%（因此，常把当作氢）。所谓丰度，即指某一同位素在其所属的天然元素中所占的原子数百分比。氘和氧化合成的重水D2O，可以用作反应堆的慢化剂和冷却剂。氘也可用作氢弹的装料。氚在自然界中的含量极微、仅为的左右，但可通过核反应来人工制备。和是稳定同位素；则不稳定，它要放射而转化为。 又如氧有八种同位素，其中三种是稳定的，相应的丰度分别为 99.756% 0.039% 0.205% 另外五种不稳定，其中、、要进行衰变，半衰期分别为0.0087秒，70.43秒及122秒；及要进行衰变，半衰期分别为26.9秒及13.57秒。在自然界中，常见的只是、及三种稳定同位素。 再如铀，已知的同位素共有15种，质子数Z皆为92，质量数A分别为226到240（，…，）。但天然铀中只有三种同位素，它们的丰度分别为 0.0055% 0.7205% 99.27% 其中的天然含量极少，可忽略不计。