《原子核物理基础》课件

原子核物理基础欢迎参加《原子核物理基础》课程本课程旨在全面介绍原子核物理的理论框架和应用领域，是物理学专业学生的重要基础课程通过系统学习，你将了解原子核的结构、性质以及相关的物理现象和重要应用原子核物理发展简史发现中子1932发现放射性1896詹姆斯·查德威克成功发现了中子，这使科学家们认识到原亨利·贝克勒尔发现铀盐能够使照相底片感光，证实了放射子核是由质子和中子组成的中子的发现为理解核结构提供性现象的存在这一发现为原子核物理的诞生奠定了基础了关键信息1234原子结构模型人工核裂变19111938卢瑟福提出了原子的行星模型，认为原子由中心的原子核和围绕其运动的电子组成这一模型彻底改变了人们对物质结构的认知基本粒子与基本力六种夸克轻子家族上、下、奇、粲、底、顶夸克构成了所电子、子、子及其对应的中微子共六μτ有强相互作用粒子的基础质子和中子种粒子组成轻子家族这些粒子不参与主要由上夸克和下夸克组成，是构成原强相互作用，但在物质构成中扮演着重子核的基本单元要角色力的传递粒子四种基本力强核力、弱核力、电磁力和引力是自然界的四种基本相互作用其中强核力最强，是维持原子核稳定的关键力量经典原子模型回顾汤姆逊模型1904也称为葡萄干布丁模型，认为原子是由均匀分布的正电荷球体内嵌负电荷电子组成这一模型解释了电子的存在，但未能解释卢瑟福的散射实验结果卢瑟福模型1911基于粒子散射实验，提出了核式原子模型，认为原子中心有一个α带正电的原子核，电子围绕原子核运动该模型首次证实了原子核的存在，但无法解释电子轨道的稳定性玻尔模型1913卢瑟福散射实验实验装置与设计卢瑟福使用来自放射性物质的α粒子束照射金箔，并在金箔周围放置荧光屏探测散射的α粒子α粒子是氦原子核，带双正电荷，具有较高能量实验中薄金箔的厚度约为400nm，相当于几千个原子层实验特别测量了大角度散射的α粒子数量，这成为理解原子核存在的关键数据原子核的定义与组成原子核原子的中心区域，包含质子和中子质子2带正电的核子，决定元素种类中子3不带电的核子，影响同位素性质核外电子围绕原子核运动的负电荷粒子原子核是原子的中心部分，占据了原子的绝大部分质量却只有极小的体积（直径约为10^-15米）原子核由带正电的质子和不带电的中子组成，统称为核子质子数决定了元素的化学性质，而中子数的变化则形成同一元素的不同同位素核子质量与质量缺陷原子质量单位质量缺陷的定义u为了方便表示微观粒子的质量，物理原子核的实际质量小于组成它的质子学家定义了原子质量单位u，相当于和中子质量之和，这个质量差被称为碳-12原子质量的1/12具体数值质量缺陷这种现象可以通过爱因斯为1u=

1.660539×10^-27kg≈坦的质能方程E=mc²进行解释

931.494MeV/c²结合能的计算质量缺陷通过E=Δmc²转化为能量，即为原子核的总结合能结合能越大，表明原子核越稳定通常用每个核子的平均结合能来比较不同核素的稳定性结合能曲线半径与核密度

1.2×10^-1510^

172.3×10^17核半径常数核密度倍数核密度m kg/m³R₀值，表示单个核子对应的原子核半径相比普通物质的密度倍数几乎所有原子核的相同密度值原子核半径遵循经验公式R=R₀A^1/3，其中R₀约为

1.2×10^-15米（

1.2飞米），A为质量数这一公式表明原子核的体积与核子总数成正比，意味着核密度几乎是常数，不随原子核大小变化核密度约为

2.3×10^17kg/m³，这一密度极其惊人，相当于将一艘航空母舰的质量压缩到一粒沙子大小核密度的恒定性是核力饱和特性的重要证据，表明每个核子仅与有限数量的邻近核子相互作用核力的性质短程特性核力只在极短距离内（约飞米）有效当核子间距离小于飞米时，核力变2-

30.4为排斥力，防止核子互相靠得太近；距离超过飞米时，核力迅速减弱至可忽略2-3程度饱和性每个核子只与有限数量的邻近核子相互作用，而不是与所有核子相互作用这种特性解释了原子核密度的恒定性，以及结合能曲线的形状不可屏蔽性核力不能被其他物质屏蔽或减弱，这与电磁力有本质区别不管中间有什么物质，两个足够近的核子间核力大小保持不变交换特性核力理论简介介子交换理论日本物理学家汤川秀树于1935年提出了核力的介子交换理论，预言了π介子的存在该理论认为，核子之间通过交换虚粒子（π介子）产生相互作用，类似于电磁力通过光子传递π介子的质量约为电子质量的273倍，这决定了核力的作用范围根据海森堡的不确定性原理，越重的交换粒子导致作用范围越短π介子在1947年被实验发现，证实了汤川的预言夸克模型与QCD现代理论认为，核力是一种残余强相互作用质子和中子由夸克组成，夸克之间通过胶子交换产生强相互作用，这是量子色动力学QCD描述的基本力核子间的核力可以看作是夸克之间强相互作用的外在表现，类似于分子间的范德华力是原子间电磁力的表现因此，核力不是基本力，而是强相互作用的复杂表现形式自然界的稳定核素奇偶性与核自旋核自旋概念原子核具有自旋角动量，这是一种量子特性自旋值与核子数的奇偶性密切相关偶-偶核Z偶,N偶的基态自旋为0；奇质量数核Z+N为奇数的基态自旋为半整数；奇-奇核Z奇,N奇的基态自旋通常较复杂核磁矩带电旋转的原子核产生磁矩，单位为核磁子μN核磁矩的存在使原子核可以与外磁场相互作用，这是核磁共振现象的基础不同核素的磁矩值各不相同，能够反映核子在原子核中的分布状态奇偶质量效应具有偶数个质子和偶数个中子的原子核偶-偶核比相邻的奇-偶核、偶-奇核或奇-奇核更稳定这表现为结合能的锯齿现象对于同一元素，偶数质量数的同位素通常比奇数质量数的同位素更稳定同位素与同位素分离同位素定义同位素是指质子数相同（即同一元素）但中子数不同的核素同位素具有相同的化学性质但不同的物理性质，如质量、密度、放射性等自然界的大多数元素都有多种同位素气体扩散法利用不同质量的气态分子或原子通过多孔介质的扩散速率不同进行分离轻同位素的平均分子速度较大，因此扩散速率更快此方法曾用于铀-235与铀-238的分离离心分离法将气态同位素混合物置于高速旋转的离心机中，利用离心力使重同位素向外层移动而轻同位素集中于内层该方法是当前铀浓缩的主要技术，能效较高电磁分离法将离子化的同位素混合物引入磁场，由于不同质量的离子在磁场中的偏转半径不同，实现分离这种方法适用于小规模、高纯度的同位素分离，特别是稳定同位素的制备核能级与能谱基态原子核能量最低的状态激发态原子核吸收能量后的高能状态能级跃迁原子核从高能态向低能态转变原子核能级是量子化的，类似于电子能级但间隔通常大得多原子核基态是最低能量状态，而激发态是吸收能量后形成的高能状态原子核能级间隔通常在数keV到数MeV范围，远大于原子能级间隔eV级别核能级图通常用水平线表示各能级，相连的垂直线表示可能的跃迁跃迁时释放的能量主要以γ射线形式辐射出去，形成特征γ能谱不同原子核具有独特的能级结构，这为核素鉴别提供了有力工具研究核能级结构是理解核力和核结构的重要途径通过各种反应（如中子捕获、带电粒子轰击）可以激发原子核，观测随后的γ射线能谱来获取能级信息壳层模型壳层模型是一种成功的原子核理论模型，由玛丽亚·迈耶和延斯·延森于1949年提出该模型假设原子核中的核子在平均势场中独立运动，填充能级形成壳层结构，类似于原子中的电子壳层壳层模型最大的成功在于解释了魔数现象当质子或中子数为

2、

8、

20、

28、

50、

82、126时，对应的原子核具有异常高的稳定性这些魔数核素的特点包括较高的结合能、丰度较大、球形结构稳定以及第一激发能较高壳层模型引入了强自旋-轨道耦合效应，成功解释了魔数序列该模型特别适用于魔数附近的核素，能够预测核自旋、磁矩和四极矩等核特性对于远离魔数的核素，则需要结合其他模型，如集体模型进行描述液滴模型表面项正比于A^2/3，表示表面核子结合不完全的修体积项正正比于核子数A，表示核子间引力的贡献库仑项正比于Z²/A^1/3，表示质子间电斥力的贡献配对项对称项与核子数奇偶性相关，表示核子配对增加稳定性的贡献正比于N-Z²/A，表示中子数与质子数不平衡的惩罚液滴模型将原子核类比为带电液滴，是解释核质量和结合能的成功模型贝特-魏茨塞克公式是液滴模型的数学表达，可以写为E_B=a_V·A-a_S·A^2/3-a_C·Z²/A^1/3-a_A·N-Z²/A+δ其中各系数通过拟合实验数据确定a_V≈

15.8MeV，a_S≈

18.3MeV，a_C≈

0.714MeV，a_A≈

23.2MeV液滴模型成功解释了结合能曲线的总体趋势，预测了重核裂变现象，但未能解释壳效应和魔数等量子效应集体模型与核形变核形变类型原子核可以呈现球形、长椭球体prolate或扁椭球体oblate等不同形状形变参数β用来量化形变程度，β0表示长椭球体，β0表示扁椭球体，β=0表示球形魔数附近的核素通常接近球形，而中间区域的核素往往表现出明显形变转动能带形变核具有集体转动能带结构，其能级间隔遵循E_J∝JJ+1关系，其中J为角动量量子数形变越大，转动惯量越大，能级间隔越小转动带通常在偶-偶核中表现最为清晰，是集体运动的直接证据振动模式原子核还可以进行表面振动，特别是对于接近球形的核素不同振动模式包括四极振动、八极振动等多极振动形式振动能级呈现等间隔结构，与转动能带有明显区别，反映了不同的集体运动性质核磁共振现象物理原理NMR核磁共振NMR现象基于具有自旋的原子核在外磁场中的行为当原子核置于外磁场中时，核自旋能级发生塞曼分裂，形成不同能级如果施加特定频率的射频波，当其能量正好等于能级差时，原子核会吸收能量并发生能级跃迁，这就是共振现象共振频率与外磁场强度和核磁旋比成正比ω=γB₀，其中γ是特定核素的核磁旋比，B₀是外磁场强度常用的核磁共振核素包括¹H、¹³C、¹⁹F和³¹P等，它们具有非零自旋医学成像应用磁共振成像MRI是核磁共振在医学上的重要应用MRI利用人体内水分子中氢原子核的核磁共振信号，通过施加梯度磁场使不同位置的氢原子核具有不同的共振频率，从而获取空间位置信息MRI技术能够提供高分辨率的软组织图像，对于脑部、脊髓和关节等部位的疾病诊断特别有价值与X射线CT相比，MRI不使用电离辐射，安全性更高，且能提供更好的软组织对比度，能够从多个平面获取图像核力实验与测量方法静态核特性测量散射实验核质量测量主要通过质谱仪实现，核子-核子散射实验是研究核力的直精度可达10⁻⁸核半径可通过电子接手段，主要包括质子-质子和质子散射或中子散射测量，现代技术能-中子散射通过测量散射截面和角够获取亚飞米量级的分辨率核自分布，可以推导核力的势能形式旋和磁矩的测量则依赖于塞曼效高能粒子散射实验则能够探测核子应、核磁共振以及原子超精细结构内部结构，如电子-质子深度非弹性观测散射证实了质子内部的夸克结构谱学研究γ射线谱学研究原子核的能级结构高纯锗探测器能够以极高的能量分辨率检γ测射线，结合各种核反应方法，可以构建完整的核能级图通过能级间隔和γ跃迁概率的分析，能够检验不同核模型的预测，获取核结构信息放射性概述放射性αα衰变是重核常见的衰变模式，放出氦-4原子核（2质子2中子）α粒子能量通常在4-9MeV之间，穿透能力弱，但电离能力强α衰变导致原子序数减少2，质量数减少4放射性ββ衰变包括β⁻衰变（放出电子和反中微子）和β⁺衰变（放出正电子和中微子）β⁻衰变中，中子转变为质子；β⁺衰变中，质子转变为中子β粒子能量呈连续谱，穿透能力中等放射性γγ射线是高能电磁波，通常在α或β衰变后从激发态原子核发出γ射线能量在几十keV到几MeV，穿透能力强，电离能力弱γ射线发射不改变核素种类，仅降低原子核能量1896年，亨利·贝克勒尔发现铀盐能使照相底片感光，由此发现了放射性现象随后，居里夫人分离出镭和钋等强放射性元素，并创造了放射性一词放射性是原子核自发变化的能力，通过发射粒子或能量实现更稳定的构型衰变机制α隧穿效应与理论Gamowα衰变是量子隧穿效应的典型实例根据经典物理，α粒子无法穿过原子核的势垒逃逸，但量子力学表明它们有一定概率隧穿过这一势垒1928年，乔治·伽莫夫Gamow提出了α衰变的隧穿理论α粒子在原子核内受到核势阱的约束，但也会不断尝试穿越势垒隧穿概率与势垒高度和宽度相关势垒越高越宽，隧穿概率越小，半衰期越长这解释了不同α放射性核素半衰期从微秒到几十亿年的巨大差异α发射能谱特征α粒子能谱主要呈离散谱当母核衰变到子核基态时，发射单一能量的α粒子；衰变到子核激发态时，发射低能α粒子，随后子核通过γ射线释放剩余能量通过测量α能谱，可以获取核能级结构信息α衰变能量Q值与半衰期之间存在经验关系log₁₀T₁/₂=a+b/√Q，其中a和b为常数这一关系被称为Geiger-Nuttall定律，体现了隧穿效应的本质Q值越大，势垒越窄，穿越概率越高，半衰期越短衰变机制β⁻衰变（电子发射）β在原子核中，当中子数过多时，一个中子可以转变为质子，同时放出电子和反中微子n→p+e⁻+ν̄ₑ这一过程使原子序数Z增加1，质量数A保持不变典型例子包括碳-14衰变为氮-14和钍-234衰变为镨-234⁺衰变（正电子发射）β当原子核中质子数过多时，一个质子可以转变为中子，同时放出正电子和中微子p→n+e⁺+νₑ这导致原子序数Z减少1，质量数A保持不变这种衰变只有当母核质量超过子核质量至少

1.022MeV时才可能发生，如碳-11衰变为硼-11电子捕获作为β⁺衰变的替代途径，原子核可以捕获一个原子轨道电子（通常是K壳），使一个质子转变为中子p+e⁻→n+νₑ这同样导致Z减少1，A保持不变电子捕获常发生在能量不足以进行β⁺衰变的情况下，如铍-7捕获电子变为锂-7费米于1934年提出了β衰变的理论，解释了β粒子能量的连续分布中微子的存在是为了保证能量、动量和角动量守恒，虽然中微子直到1956年才被实验证实β衰变是弱相互作用的表现，通过交换W玻色子实现现代实验表明中微子具有非零质量，这是超出标准模型的重要发现射线辐射γγ射线是高能电磁波，能量范围通常在几十keV到几MeV之间γ射线源于原子核内部的能级跃迁，通常发生在α或β衰变后的激发态原子核中与α和β衰变不同，γ辐射不改变核素种类（Z和A不变），只是降低原子核的能量状态γ辐射能谱呈离散线状，每条谱线对应一个特定的能级跃迁通过精确测量γ能谱，可以构建原子核的能级结构图高纯锗探测器具有极高的能量分辨率，能够区分能量非常接近的γ射线，是γ谱学的重要工具γ射线在空气中的射程远大于α和β粒子，穿透能力强但电离能力相对较弱屏蔽γ射线需要高密度物质如铅或混凝土γ射线广泛应用于医学（肿瘤治疗、灭菌）、工业（材料检测、厚度测量）和科学研究（莫斯堡尔效应）等领域衰变定律衰变系列铀系始于铀-238半衰期

44.7亿年，经历14步衰变，最终形成稳定的铅-206重要中间产物包括镭-226和氡-222这一系列产生了地壳中大部分的氡气，是家庭氡污染的主要来源钍系始于钍-232半衰期140亿年，经过10步衰变过程，最终形成稳定的铅-208钍系在某些地区的地壳中含量丰富，是潜在的核燃料资源这一系列的衰变产物在传统钍矿石中可以观察到锕系始于铀-235半衰期

7.04亿年，通过11步衰变，最终生成稳定的铅-207铀-235是核裂变反应堆和核武器的关键材料由于铀-235的半衰期比铀-238短，当今自然界中的铀-235丰度仅为

0.72%镎系始于合成元素镎-237半衰期214万年，经过衰变最终形成铋-209这一系列在自然界中基本不存在，主要在核反应堆和核试验中产生其中的一些核素具有重要的医学和工业应用价值衰变系列中会出现分支现象，即某些核素可能通过不同方式衰变例如，铋-212可以通过α衰变64%或β衰变36%分别产生铊-208或钋-212衰变链中也可能出现放射性平衡状态，即母核和子核的活度比保持恒定放射性测量技术盖革计数管盖革-米勒计数管是最常见的便携式辐射检测器，基于气体电离原理当辐射粒子进入充满惰性气体的管道时，产生电离，在高电压下形成雪崩电离，产生可检测的电脉冲盖革计数管对β和γ辐射敏感，但对α粒子的效率较低，主要用于辐射防护监测闪烁计数器闪烁计数器利用某些材料（如碘化钠晶体）在辐射作用下产生光闪烁的特性光子被光电倍增管转换为电信号并放大这种探测器具有较高的探测效率和能量分辨率，特别适用于γ射线能谱分析现代PET成像系统采用的是闪烁探测技术云室与气泡室云室和气泡室是可视化辐射粒子轨迹的装置云室中，过饱和蒸汽在带电粒子经过时凝结成小液滴，形成可见轨迹；气泡室则利用过热液体中形成的气泡显示粒子轨迹这些装置在粒子物理早期发现中发挥了关键作用，如正电子的发现放射性同位素的应用医学诊断肿瘤治疗考古测年放射性同位素在医学成像中发放射治疗利用辐射杀死癌细碳-14测年法基于生物体死亡挥重要作用例如，锝-99m胞钴-60产生的γ射线常用后体内碳-14开始衰变且不再用于单光子发射计算机断层扫于外照射治疗碘-131可选择补充的原理通过测量样品中描SPECT，氟-18用于正电性地聚集在甲状腺，用于甲状碳-14与稳定碳-12的比例，子发射断层成像PET这些腺癌治疗短半衰期的同位素可以确定样品年龄，适用范围检查可以无创地评估器官功能如镥-

177、锶-89被用于靶向约为500-50,000年类似和代谢活动，对疾病诊断至关治疗，减少对正常组织的损地，钾-40/氩-40法适用于重要伤更古老的地质样品工业应用工业中常使用放射性同位素进行无损检测伽马射线源如铱-192用于检查焊缝和管道缺陷烟雾探测器中的镅-241可以电离空气，当烟雾进入时会改变电离电流放射性示踪剂可用于泄漏检测和工艺流程监控辐射的生物效应直接与间接损伤剂量单位与测量辐射对生物体的伤害主要表现为对DNA的损伤直接作用是指辐射直吸收剂量用格雷Gy表示，1Gy=1J/kg，表示每千克物质吸收的辐射接电离DNA分子；间接作用是通过电离水分子产生自由基，这些自由能量当量剂量用西弗特Sv表示，等于吸收剂量乘以辐射权重因子，基继而攻击DNA间接作用在低LET辐射（X射线、γ射线）中占主反映不同类型辐射的生物效应差异有效剂量考虑了不同组织的辐射导，而高LET辐射（如α粒子）主要通过直接作用造成损伤敏感性，更全面地评估健康风险急性与慢性效应防护原则急性辐射综合征发生在短时间内接受大剂量辐射后，剂量超过1Sv可能辐射防护遵循三个基本原则合理化（确保辐射使用的收益大于风导致辐射病；超过10Sv常致死亡症状包括恶心、呕吐、腹泻、脱发险）、最优化（使剂量保持在合理可行的最低水平，ALARA原则）和和免疫系统损伤慢性效应包括癌症风险增加和遗传影响，通常遵循剂量限制（设定个人剂量上限）防护措施包括时间（减少暴露时无阈值线性模型，即风险与剂量成正比间）、距离（增加与源的距离）和屏蔽（使用适当材料）核素生成与人造放射性中子激活法中子激活是最常用的人工放射性同位素生产方法稳定原子核吸收中子后成为放射性同位素例如²³⁵Un,γ²³⁶U，表示铀-235吸收一个中子，发射γ射线，变成铀-236中子激活分析利用这一原理，通过测量样品被中子照射后产生的特征γ射线，可以高灵敏度地检测极微量元素中子源可以是核反应堆、同位素源（如镅-铍源）或中子发生器粒子加速器制备加速器可以产生高能粒子束，如质子、氘核、氦核等，用于轰击靶材料产生放射性同位素常见反应包括p,n、d,n、α,n等例如，F-18（PET示踪剂）通过¹⁸Op,n¹⁸F反应制备回旋加速器和线性加速器是制备医用短寿命同位素的主要设备与反应堆相比，加速器可以制备无载体高比活度的同位素，产物纯度高，但产量较低，成本较高核反应基本类型弹性散射入射粒子与靶核相互作用但不改变内部状态非弹性散射靶核转为激发态并发射γ射线吸收反应靶核吸收入射粒子形成复合核裂变反应重核分裂为两个中等质量核转移反应粒子在入射粒子与靶核间转移核反应是入射粒子与原子核相互作用导致核素转变的过程核反应可以用符号Aa,bB表示，其中A是靶核，a是入射粒子，b是出射粒子，B是剩余核例如，Li-7p,nBe-7表示锂-7被质子轰击后产生中子和铍-7复合核理论是理解许多核反应的重要模型，认为核反应分两个阶段首先入射粒子与靶核形成激发态复合核，然后复合核以各种可能方式衰变这一理论由玻尔于1936年提出，解释了共振反应和反应产物的统计分布等现象反应截面与测量轻核聚变反应

17.61004×10^17聚变温度百万能量密度D-T MeVK J/kg氘-氚聚变释放的能量聚变等离子体所需温度相比化学燃料的能量密度核聚变是轻核结合形成重核并释放能量的过程聚变能量来源于质量亏损，根据E=mc²转化为能量最重要的聚变反应包括氘-氘D-D聚变、氘-氚D-T聚变和氘-氦3D-He³聚变其中D-T反应的能量释放最大，且所需条件最温和²H+³H→⁴He+n+

17.6MeV聚变反应需要克服库仑势垒，使带正电的核相互接近，因此需要极高的温度10⁷~10⁸K朗缪尔准则指出，聚变等离子体需满足nτT10²¹m⁻³·s·keV条件才能实现正能量输出，其中n是等离子体密度，τ是约束时间，T是温度聚变研究面临的主要挑战是等离子体约束和材料耐受性聚变能源具有燃料丰富（氘可从海水提取）、无长寿命放射性废物、本质安全（无链式反应风险）等优势，被视为未来清洁能源的重要选择然而，尽管研究几十年，可控聚变仍未实现商业化，ITER等国际合作项目正致力于攻克这一难题重核裂变反应中子吸收1重核吸收中子形成不稳定复合核核变形复合核发生形变达到鞍点构型分裂过程超过鞍点后不可逆地分裂为两个碎片能量释放约200MeV能量以多种形式释放核裂变是重原子核分裂为两个较轻核的过程，伴随大量能量释放可裂变核素主要有铀-

235、钚-239和铀-233以铀-235为例，当吸收一个中子后，形成激发态铀-236，随后分裂为两个中等质量核碎片，同时释放2-3个中子和约200MeV能量液滴模型能很好地解释裂变过程重核吸收中子后获得额外能量，开始振动并逐渐变形，当变形超过临界点（鞍点）后，库仑排斥力使核不可逆地分裂裂变能量主要以碎片动能形式释放约80%，其余以γ射线、β粒子和中子动能形式释放核反应堆基本原理中子减速核裂变减速剂将快中子减慢至热能裂变释放能量和中子U-235链式反应新中子引发更多裂变热能转换反应控制冷却剂带走热量发电控制棒调节中子通量核反应堆是控制链式核裂变反应的装置，主要由六个部分组成核燃料（富集铀或钚）、减速剂（水、重水或石墨）、控制棒（硼、镉等中子吸收材料）、冷却剂（水、重水、液态金属或气体）、反射层（降低中子逃逸）和屏蔽体（防止辐射泄漏）反应堆运行的关键参数是有效增殖因子，表示每次裂变产生的中子中能引发新裂变的比例时，反应堆处于临界状态，功率稳定；时，超k k=1k1临界，功率上升；时，次临界，功率下降通过调节控制棒插入深度可以精确控制值，维持稳定运行k1k粒子加速器简介线性加速器沿直线加速带电粒子，通过交变电场提供加速结构简单，但需要较长距离实现高能量大型装置如SLAC直线加速器长约3公里，能将电子加速至50GeV医用小型linac广泛用于放射治疗回旋加速器利用磁场使粒子做螺旋运动，每转半圈通过加速间隙获得能量设计紧凑，但能量受相对论效应限制主要用于中等能量的质子和重离子加速，广泛应用于医用同位素生产和材料分析同步加速器粒子在固定轨道上循环，磁场和射频场同步变化能达到极高能量，但设备庞大复杂世界最大的加速器LHC周长27公里，质子能量可达13TeV，用于前沿粒子物理研究粒子加速器在核物理研究中具有不可替代的作用，主要应用包括1基础研究探索物质结构、发现新粒子和研究基本相互作用；2材料科学通过散射和衍射研究材料微观结构；3医学应用放射治疗、放射性同位素生产和质子治疗；4工业应用材料改性、灭菌和无损检测人造超重元素1锎Z=961944年，格伦·西博格团队在芝加哥大学利用α粒子轰击钚制备命名纪念居里夫妇，是第一个在美国发现的超铀元素2锎Z=1061974年，由苏联和美国独立合成元素命名引发争议，最终以美国物理学家格伦·西博格命名，他参与发现了多种超铀元素3鉨Z=1121996年，在德国重离子研究所GSI由彼得·阿姆布鲁斯特团队合成用铅靶被锌-70离子轰击，产生的同位素半衰期仅为

0.7毫秒4鿬Z=1182002年，在俄罗斯杜布纳联合核研究所首次合成，是目前周期表中最重的确认元素命名源自俄罗斯物理学家奥格涅琴超重元素是指原子序数大于92（铀以后）的元素，它们都不存在于自然界，必须通过核反应人工合成合成方法主要包括中子俘获（例如堆中生产钚）、重离子碰撞（如钙-48离子束轰击锔靶产生鿬）超重元素的产率极低，有时数月实验可能只产生几个原子理论预测存在稳定岛，即某些特定质子数和中子数的超重核素可能具有相对较长的半衰期例如Z=

114、N=184附近可能形成稳定岛虽然实验尚未达到N=184，但已发现Z=114-118区域的核素确实比预期更稳定，部分验证了这一理论中子物理及其应用中子特性中子源中子是不带电的核子，质量略大于质子，常见中子源包括核反应堆（基于铀裂自由态半衰期约

10.2分钟由于不带电，变，产生高通量热中子）；同位素源（如中子可以直接接近原子核而不受库仑力排镅-铍源，利用α,n反应）；加速器源斥，使其成为研究原子核和引发核反应的（如氘-氚中子发生器）；散裂源（高能质理想探针中子按能量分为热中子子轰击重靶产生大量中子）大型中子设

0.025eV、共振中子

0.025eV-施如中国散裂中子源、日本J-PARC和欧1keV和快中子1keV洲散裂源为研究提供强中子束中子散射应用中子散射是研究材料结构和动力学的强大工具中子衍射用于确定晶体结构；小角散射研究聚合物和生物大分子；非弹性散射探测原子振动和磁激发由于中子具有磁矩但不带电，特别适合研究磁性材料，且穿透能力强，可用于厚样品或高压环境中子活化分析NAA是一种高灵敏度的元素分析技术，基于中子诱导放射性，通过测量特征γ能谱鉴定元素该技术检测限可达ppb级，被广泛应用于考古、环境监测、犯罪调查等领域临界质量是维持自持链式反应所需的最小裂变材料量，取决于材料纯度、形状、密度和周围环境，对核安全至关重要核反应诊断技术泄漏中子探测利用从反应堆或其他核设施泄漏的中子进行监测BF₃计数器和³He计数器是常用的中子探测器，基于中子引发的核反应产生可检测的带电粒子这些探测器通常内衬含硼或锂等高中子截面材料，以提高热中子探测效率活化箔技术将金、银、铟等金属箔放置在中子场中，通过中子活化后测量其诱导放射性，可以确定中子通量和能谱不同材料对不同能量中子的敏感度不同，通过使用多种箔材可以重建中子能谱这种方法简单可靠，在反应堆物理和辐射防护中广泛应用径迹探测器固体核径迹探测器SSNTD如CR-39塑料可记录带电粒子通过时留下的损伤径迹当中子与探测器中的转换材料（如硼、锂）反应产生带电粒子时，这些粒子在塑料中形成可见径迹这种探测器不受电磁干扰，适合长期监测，特别是氡气测量气泡探测器基于过热液体中形成气泡的原理当中子与探测器中的核素发生反应，产生的重带电粒子在过热液体中形成气泡通过调整液体温度和压力，可以设定探测阈值能量这种探测器具有良好的γ射线区分能力，适合中子剂量监测核能发电与核燃料循环前端燃料循环包括铀矿开采、冶炼转化为UF₆、浓缩（将U-235含量从

0.7%提高到3-5%）和燃料元件制造浓缩是最复杂和能源密集的步骤，主要采用气体离心技术一座1GW核电站每年需要约20吨浓缩铀燃料前端过程确保核燃料的品质和稳定供应反应堆运行轻水堆是最常见的商业反应堆，包括压水堆PWR和沸水堆BWR燃料通常使用3-4年，期间定期更换部分燃料组件反应堆控制系统确保安全稳定运行，包括多重屏障防止放射性物质释放核电占全球电力的约10%，是重要的低碳能源后处理与废物管理乏燃料含有未消耗的铀-

235、钚和高放射性裂变产物后处理可回收铀和钚用于制造混合氧化物MOX燃料，但增加成本和扩散风险高放废物需冷却后进行玻璃固化，最终计划在深地质库永久处置低中放废物则通过压缩、焚烧等处理后近地表处置核聚变能新进展磁约束聚变磁约束聚变利用强磁场约束高温等离子体托卡马克是最成熟的磁约束装置，呈环形，通过复杂磁场构型实现等离子体约束国际热核聚变实验堆ITER是目前最大的托卡马克项目，预计2025年首次等离子体运行，目标是实现Q≥10（输出功率为输入功率的10倍）中国的人造太阳EAST装置在2021年实现了

1.2亿摄氏度等离子体运行101秒的记录其他磁约束方案还包括仿星器stellarator，如德国的Wendelstein7-X，其复杂的非轴对称线圈设计具有更好的稳态运行潜力惯性约束聚变惯性约束聚变通过高功率激光或粒子束压缩氘-氚靶丸，瞬间实现极高密度和温度美国国家点火装置NIF是世界最大的激光惯性聚变设备，2022年12月首次实现点火里程碑Q1，输出能量超过输入能量这标志着控制聚变研究的历史性突破医学核物理的应用核医学成像利用放射性同位素示踪剂在体内的分布提供功能和代谢信息单光子发射计算机断层扫描SPECT使用γ射线发射体如锝-99m，通过旋转的γ相机捕获不同角度的投影图像，重建三维分布常用于心脏灌注、骨骼和肝脏扫描正电子发射断层成像PET利用正电子发射核素如F-

18、C-11和O-15当正电子与电子湮灭时产生一对相向传播的511keV光子，通过符合探测技术定位湮灭位置PET灵敏度高，常与CT或MRI结合使用PET/CT或PET/MRI，广泛应用于肿瘤学、神经学和心脏病学放射治疗利用电离辐射破坏癌细胞DNA外照射技术包括三维适形放疗、调强放疗IMRT和质子治疗，精确将剂量集中于肿瘤，同时减少正常组织剂量内照射包括近距离治疗（将放射源直接置入或靠近肿瘤）和放射性同位素靶向治疗，如碘-131治疗甲状腺癌和镥-177-PSMA治疗前列腺癌地球与宇宙中的核过程恒星核聚变恒星核心的氢聚变产生能量和重元素超新星爆发2重元素的核合成与宇宙传播地核衰变热地球内部放射性元素衰变提供热能恒星是宇宙中最重要的核反应炉主序星如太阳主要通过质子-质子链和CNO循环进行氢聚变，将氢转化为氦并释放能量随着恒星演化，氦聚变形成碳和氧，更大质量的恒星可继续合成更重元素，直至铁为止（铁核的结合能最高）超铁元素主要在超新星爆发和中子星并合过程中通过中子捕获形成s过程（慢中子捕获）发生在红巨星阶段，产生许多重元素；r过程（快中子捕获）在超新星爆发和中子星并合中发生，产生最重的自然元素如金、铂和铀地球内部热量约40%来自放射性衰变，主要是钾-

40、铀-238和钍-232这些元素的半衰期较长，为地球提供了持续的热源，驱动板块构造和地磁场放射性定年技术利用这些衰变过程确定地质样本的年龄，重建地球和太阳系演化历史基本粒子物理与核物理联系夸克组成强相互作用质子和中子由夸克构成，分别为uud和udd组合胶子传递色力，约束夸克形成核子2弱相互作用介子交换通过W/Z玻色子传递，导致β衰变和核转变核力作为残余强力通过介子交换传递核物理与粒子物理在微观世界的不同层次研究物质结构粒子物理关注基本粒子（如夸克、轻子）及其相互作用，而核物理研究由这些基本粒子组成的复合结构——原子核及其行为两者之间存在天然的联系原子核的性质最终源于组成它的基本粒子和相互作用量子色动力学QCD是描述强相互作用的理论，解释了夸克通过交换胶子相互作用形成强子（如质子、中子和介子）的机制核力是强相互作用的残留效应，类似于分子间的范德华力是电磁力的残留效应然而，直接从QCD导出核力仍然是理论物理中的重大挑战粒子天体物理简述宇宙射线中微子天文学伽马射线天文学宇宙射线是来自太空的高能中微子是电中性、质量极小伽马射线是电磁波谱中能量粒子，主要由质子约90%的轻子，弱相互作用使其极最高的光子，主要源于超高和α粒子约9%组成，少量难探测但能穿透物质中微能宇宙过程如脉冲星、活动为重核和电子能量范围极子天文学研究太阳中微子、星系核和伽马暴费米伽马广，从GeV到超过超新星中微子和宇宙背景中射线空间望远镜和切伦科夫10²⁰eV最高能量宇宙射微子等超级神冈Super-望远镜阵列如HESS和线的来源和加速机制仍是未Kamiokande和冰立方MAGIC探测不同能区的伽解之谜宇宙射线在大气层IceCube是重要的中微子马射线，研究宇宙中的高能中产生次级粒子簇射，可通探测器，前者发现中微子振粒子加速机制和极端物理环过地面探测阵列和荧光望远荡现象，后者探测到高能宇境镜观测宙中微子粒子天体物理是核物理、粒子物理和天文学的交叉学科，研究宇宙中的高能粒子和辐射多信使天文学整合了不同信号（电磁波、中微子、宇宙射线和引力波），提供宇宙极端事件的完整图像年中子星并合事件的多信使观测开创了这一领域的新时2017GW170817代现代前沿实验设施欧洲核子研究中心CERN是世界最大的粒子物理实验室，位于瑞士日内瓦附近其大型强子对撞机LHC周长27公里，能将质子加速至接近光速并达到13TeV的碰撞能量LHC上的ATLAS和CMS探测器在2012年发现了希格斯玻色子，ALICE探测器专注于夸克-胶子等离子体研究日本理化学研究所RIKEN的放射性同位素束装置RIBF是世界领先的重离子加速器，能够产生和研究远离稳定谷的丰中子和丰质子核素美国橡树岭国家实验室的散裂中子源SNS和密歇根州立大学的稀有同位素束装置FRIB是重要的核物理和中子科学设施德国重离子研究中心GSI是超重元素研究的核心，其公平FAIR计划将显著提升设施能力俄罗斯杜布纳联合核研究所JINR的超重元素工厂致力于合成新元素这些大型国际设施通常采用开放访问模式，吸引全球科学家合作，推动核科学前沿发展中国核物理发展与展望中国科学院近代物理研究所中国散裂中子源位于兰州，拥有重离子加速器冷却储存环HIRFL-CSR，是中国重离位于广东东莞，是中国首个高性能脉冲中子源，也是世界第四台脉冲子核物理研究的主要基地研究方向包括重离子核物理、放射性束物中子源2018年正式投入运行，峰值功率100kW目前已建成20余理和应用研究HIRFL提供从氢到铀的各种离子束，能量范围广泛，台谱仪，覆盖材料科学、生命科学和物理学等领域，为中性子散射研为核结构和核天体物理研究提供支持究提供世界级平台北京串列加速器核物理国家实验室未来重大设施规划依托中国原子能科学研究院，拥有串列加速器和HI-13串列后加速器，高能同步辐射光源HEPS正在建设中；强流重离子加速器装置HIAF开展核能基础研究、核数据测量和核分析技术开发在核数据测量、旨在研究极端核物质；加速器驱动次临界系统ADS计划探索核废料核天体物理等领域具有重要影响力，为核能发展提供基础科学支撑嬗变技术这些设施将大幅提升中国在核科学领域的研究能力和国际影响力开放性问题与未来挑战中子星物质状态超重元素稳定岛快中子捕获过程中子星内部存在极端高密度物质，可能达理论预测在Z=114-126和N=184附近可能r过程是合成铁以上重元素的主要机制，但到原子核密度的5-10倍这种条件下物质存在相对稳定的超重核素，但实验尚未达其具体场景和细节仍有争议超新星爆发的状态方程仍不清楚，可能存在奇异物到这一区域探索这一稳定岛需要开发和中子星并合都是可能的r过程场所，但需质、夸克物质或混合相中子星观测和引新的合成技术和灵敏探测方法若证实，要更多观测和理论研究确认哪种机制占主力波探测为研究这种极端条件下的核物质将拓展元素周期表边界，并检验核结构理导精确的核数据对于模拟r过程至关重提供了新窗口论在极端条件下的适用性要本课重点回顾核结构基础原子核由质子和中子组成，其性质受核力、液滴模型和壳层模型支配结合能曲线解释了核稳定性和能量释放机制核密度几乎恒定，核力具有短程、饱和性等特点结构模型包括单粒子壳层模型、集体模型等放射性与衰变放射性衰变包括α、β、γ三种主要形式，各有不同机制和特点衰变遵循指数规律，半衰期是关键参数α衰变涉及量子隧穿，β衰变由弱相互作用引起，γ衰变伴随能级跃迁放射性测量和应用广泛，从医学到考古学核反应与能量核反应改变核素种类，包括散射、俘获、裂变和聚变等类型截面描述反应概率，与能量密切相关核能应用基于两种途径重核裂变（核电站）和轻核聚变（尚在研究阶段）核反应堆控制链式反应，实现能量持续释放前沿研究与应用核物理与粒子物理、天体物理密切相关，共同探索微观世界和宇宙奥秘重要应用包括医学诊断治疗、材料分析、考古测年等大型实验设施如加速器和散裂源推动前沿研究未解问题包括超重元素、核天体过程等课程总结与学习展望知识体系构建进阶学习方向原子核物理是连接微观粒子世界与宏观能量对理论感兴趣的同学可深入学习量子力学、应用的桥梁本课程建立了从基本概念、核量子场论和计算核物理；实验方向可关注探结构、核反应到应用技术的完整知识体系测技术、数据分析和实验设计；应用方向则理解这些内容不仅需要物理直觉，还需要数可专注于核医学、核能工程或核分析技术学工具和实验思维的支持无论选择哪个方向，跨学科视野都至关重要科研与职业发展核物理相关专业毕业生可在科研院所、高校、核电企业、医疗机构、安全监测等领域就业参与课题研究、实习实践和国际交流是增强竞争力的有效途径当前核能复兴和核技术创新为该领域带来了新的发展机遇原子核物理学是一门具有百年历史却仍然充满活力的学科从卢瑟福发现原子核到人类掌握核能，从基本粒子理论到精密医学应用，核物理始终站在科学前沿，推动人类认识自然、造福社会希望同学们带着好奇心和科学精神，继续探索微观世界的奥秘记住爱因斯坦的话重要的是永远不要停止质疑好奇心有其存在的理由祝愿大家在核物理这一迷人领域有所建树，为人类科学进步贡献力量！。