北京大学：《核物理与粒子物理导论》精品课程教学资源（课件讲稿）第一章 核与粒子的基本性质（1.1-1.3）§1.1 原子核的电荷、质量和半径 §1.2 原子核的自旋 §1.3 原子核的磁矩

第一章原子核的基本性质 静态性质:标志一个核的存在的基本物理量 电荷、质量、半径、自旋、磁矩、电四极矩、宇称、统计性等 动态性质:标志原子核发生变化的物理量 衰变寿命、分之比等 §11原子核的电荷、质量和半径 1.电荷 Rutherford大角散射:确定原子有一个核心 原子—原子核+核外电子 原子核:~10-14m 占有999%以上的原子质量 Q原子=Q核十Q电子=( Z=原子序数=核电荷数=核内质子数

第一章 原子核的基本性质 静态性质：标志一个核的存在的基本物理量 电荷、质量、半径、自旋、磁矩、电四极矩、宇称、统计性等 动态性质：标志原子核发生变化的物理量 衰变寿命、分之比等 §1.1 原子核的电荷、质量和半径 1. 电荷 Rutherford大角散射：确定原子有一个核心 原子—— 原子核 +核外电子 原子核：~10-14 m 占有99.9%以上的原子质量 Q原子=Q 核+Q电子=0 Z= 原子序数 =核电荷数 =核内质子数

测定原子核电荷 Rutherford方法:NaZ2 loseley方法:√=A-B 对于特定的X射线,A,B=常数 *对短寿命重元素,需采用复杂的电荷辨别方法(相对论效应) 1-94号元素:天然存在(43、61、93号元素除外) 95-114号元素:人工产生 超重岛? 2.核的质量 MA=Mxr+M。-W 12C原子质量 u 16605402×10-271 12 g A =93149423MeV/c

测定原子核电荷 Rutherford方法：N ∝ Z2 Moseley方法： 对于特定的X射线，A, B=常数 ν −= BAZ *对短寿命重元素，需采用复杂的电荷辨别方法( 相对论效应） *1-94号元素：天然存在（43、61、93号元素除外） 95-114号元素：人工产生 超重岛？ M A M N Me We = + − 2. 核的质量 MeV/c2 931.49423 kg 27 6605402.1 10 A 1 12 C 12 u1 = − = == × N 原子质量

特征能量单位:keV、Mev、Gev、Tev 1031061091012eV E leV=1.60217733x10-19J 测质量的质谱仪方法(电磁方法): c -Lt- D g=3Mv Mi B R 2p2 图1-1质谱仪原理图 B-R q 2 V:电压[TB:磁感应强度[ esla R:半径mq:电荷CM:质量k 原子核的质量数=质子数+中子数≈核的质量整数(u) 核素( Nucleus):有确定的质子数和中子数 191Au, Op 16 11.11Be 同位素 (sotope):质子数相同的一类核素 GH,JHH 同中子数( Isotone):中子数相同的一类核素 (H2He, 2Li) 同量异位素 (sobar):质量数相同的一类核素9198k2ca 同核异能素( somer):有确定的质子数和中子数但能量不同的核素(7o0或)

特征能量单位：keV、MeV、GeV、TeV 103 106 109 1012 eV 1eV=1.60217733 x 10-19 J 测质量的质谱仪方法（电磁方法）： :][ ][:][:][ ][ 2 22 2 2 2 1 BVV MCqmRtesla kg V RqB M qvB RMv MvqV ：电压 ； 磁感应强度 ； 半径 ； 电荷 ； ：质量 = = = 原子核的质量数=质子数+中子数≈核的质量整数（u) 核素(Nucleus)：有确定的质子数和中子数 同位素(Isotope)：质子数相同的一类核素 同中子数(Isotone)：中子数相同的一类核素 同量异位素(Isobar)：质量数相同的一类核素 同核异能素(Isomer)：有确定的质子数和中子数但能量不同的核素 Be) 114 Li, 113 He, 102 C, 166 ,B 105 Au, 19779 ( ( U) 23892 U, 23592 H31 H, 21 H, 11 Li) 43 He, 32 H, 21( ) 4020 , 4019 , 4018 ( CaKAr ) *6027 6027 ( CoCo m 或

160 Box la. Heyde, P 43 The heaviest artificial elements in nature. from 之 z=109 towards z=112 图2-11B稳定线的核在ZN平面上的标绘

Box 1a. Heyde, P.43, The heaviest artificial elements in nature: from Z=109 towards Z=112

表1-1一些原子的质量 原子名称 原子质量{u 原子名称 原子质量/u 1.007825 7.016005 2 2.014102 12.000000 3.016050 15.994915 4.002603 235 235.043944 6.015123 238 238.050816 Mass excess: A=M-a in Mev or u htt/ nst. pku. edu. cn/(核科学与核技术教育部网上合作研究中心) http:/www.nndc.bnl.gov/indexjsp 不稳定原子核的质量有一定宽度:△ET=h

Mass excess: Δ= M – A in MeV or u http://nst.pku.edu.cn/ (核科学与核技术教育部网上合作研究中心 ) http://www.nndc.bnl.gov/index.jsp 不稳定原子核的质量有一定宽度：ΔE τ = ħ

Chart of the Nuclides at High Z End Login 温熔合:292116 120E 困难1:目前合2-16,N-176 48Ca+248Cm 成的最丰中子 70Znri203Pb-+ 点10的核与稳定岛冷熔合:2712 的核中子数相212,N-165 10差约10个。 超重核稳定岛 90 Z=114,N=184 要求1:或寻找新的合成 80 机制,或利用丰中子放射 性核。含 100 110 140 150 160 180 Neutron number

2004 School Protn umber 超重核研究现状和发展趋势 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 120 110 100908070 LogT (sec)1/2 14 -2-66102 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 120 110 100908070 LogT (sec)1/2 14 -2-6610 Chart of the Nuclides at High Z End 2 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 120 110 100908070 LogT (sec)1/2 14 -2-66102 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 120 110 100908070 LogT (sec)1/2 14 -2-66102 Proton number Neutron number 超重核稳定岛 Z=114, N=184 208Pb 70Zn+208Pb 冷熔合：277112 Z=112, N=165 248Cm 48Ca+248Cm 温熔合：292116 困难1：目前合 Z=116, N=176 成的最丰中子 的核与稳定岛 的核中子数相 差约10个。 困难1：目前合 成的最丰中子 的核与稳定岛 的核中子数相 差约10个。 要求1：或寻找新的合成 机制，或利用丰中子放射 性核。 要求1：或寻找新的合成 机制，或利用丰中子放射 性核

从1969至1974,美国 Berkeley和俄罗斯 Dubna,重离子诱发的“热熔合”,合成 了104、105和106三种元素的几个同位素。中子跑走太多,融合截面小。 1973年, Dubna小组利用40Ar+208Pb反应证实了他们提出的以双幻核为靶以减 少复合核的激发能,降低复合核裂变的竞争,提高重余核产额的想法“冷熔 德国GS在1975年建成了重离子强流直线加速器、研制了重余核分离设备 SHP和单个原子的a衰变关联测量技术,使得他们可以分离寿命短至几个微秒的 蒸发余核并测量其a衰变。从1981-1996年,GS|小组利用强流54cr,58Fe, 62Ni,64Ni和70zn束流轰击208Pb和209B靶,先后合成了Z=107-112的6种新 元素的一系列同位素。在“冷熔合”反应中,所要合成元素的生成截面随其原子序 数的增加而呈指数下降,合成Z=112的元素已经达到目前GS技术条件的极限。 2004年,日本的RKEN小组利用极强的70Zn束流轰击209B靶合成了113号元 素。近几年来, Dubna小组考虑到“冷熔合”反应截面的减小,选择了双幻核 48ca轰击丰中子锕系靶,通过所谓的“温熔合”来产生接近理论预言的球形超重 稳定岛的长寿命核。该实验室经过一系列艰苦的设备改造后,于1998年底开始了 z≥114号元素的合成探索。基于单个原子的a衰变关联测量技术,先后获得了1个 289114、2个288114、2个287114、2个292116、3个288115、1个287115和2个294118 衰变事件。尽管目前报道的实验结果已经合成到了118号元素(117号未见报 道),但被确认的结果只到112号元素,113-116和118号元素的确认需待进 步的验证实验

从1969至1974，美国Berkeley和俄罗斯Dubna，重离子诱发的“热熔合”，合成 了104、105和106三种元素的几个同位素。中子跑走太多，融合截面小。 1973年，Dubna小组利用40Ar+208Pb反应证实了他们提出的以双幻核为靶以减 少复合核的激发能，降低复合核裂变的竞争，提高重余核产额的想法 -“冷熔 合” 。德国GSI在1975年建成了重离子强流直线加速器、研制了重余核分离设备 SHIP和单个原子的α衰变关联测量技术，使得他们可以分离寿命短至几个微秒的 蒸发余核并测量其α衰变。从1981-1996年，GSI小组利用强流54Cr，58Fe， 62Ni，64Ni和70Zn束流轰击208Pb和209Bi靶，先后合成了Z=107－112的6种新 元素的一系列同位素。在“冷熔合”反应中，所要合成元素的生成截面随其原子序 数的增加而呈指数下降，合成Z＝112的元素已经达到目前GSI技术条件的极限。 2004年，日本的RIKEN小组利用极强的70Zn束流轰击209Bi靶合成了113号元 素。近几年来，Dubna小组考虑到“冷熔合”反应截面的减小，选择了双幻核 48Ca轰击丰中子锕系靶，通过所谓的“温熔合”来产生接近理论预言的球形超重 稳定岛的长寿命核。该实验室经过一系列艰苦的设备改造后，于1998年底开始了 Z≥114号元素的合成探索。基于单个原子的α衰变关联测量技术，先后获得了1个 289114、2个288114、2个287114、2个 292116、3个288115、1个287115和2个294118 衰变事件。尽管目前报道的实验结果已经合成到了118号元素（117号未见报 道），但被确认的结果只到112号元素，113－116和118号元素的确认需待进一 步的验证实验

1、239Db合成首次进入超重核区 测量结果:E=947MeV a探测器面对产物样品测得的α谱 1/2 0.47s,Qa=9.70Mev 我国新核素合成首次进入超重区! 22Ne+241Am->259Db m A new alpha-emitting isotope 259Db 产物样品移去后测得的α谱 Buro.Phys.J.,A10,(2001)21-25 10 10500 Db 107(N5) 10000 Qa=9.70Mev 106(sg) 105(H E=9 47Mev T;a=47±0,16 101Md 104(Rf 102(No) 100(Fm) 99(Es)米 8000 103(Lr) 98(cf 7500 E=8 46MeV T=21±8 6000 Heit+转动轮系统母子体遗传关系

探测器面对产物样品测得的α谱 产物样品移去后测得的α谱 259Db Qα=9.70MeV 测量结果: Eα = 9.47MeV, T1/2 = 0.47 s， Qα=9.70MeV 我国新核素合成首次进入超重区! 22Ne+241Am→259Db A new alpha-emitting isotope 259Db Euro. Phys. J.，A10, (2001) 21-25 1、259Db合成：首次进入超重核区 He-jet + 转动轮系统母子体α遗传关系

27=107超重新核素265Bh的合成 靶材料:243Am靶的制备 NaCl微粒产生器 束流材料:金属2Mg的还原 气输入 束流时间:约250小时 流量计 He气瓶 束流强度:0.8μA 法拉第筒 束流能量:168MeV 反应道:26Mg+243Am->265Bh+4n 反应产物 探测器 毛细管 4-3 转轮 10 -1 0转轮 3-2 图1氦喷嘴靶室和毛细管传输以及转轮收集和探测系统 简图。探测器的排列表示在右下部分

靶材料：243Am靶的制备 束流材料：金属26Mg的还原 束流时间：约250小时 束流强度：0.8 μ A 束流能量：168MeV 反应道: 26Mg+243Am →265Bh+4n 2、Z=107超重新核素265Bh的合成

FR.Xu,etal,PRL92,252501(2004) nuc 18|K9.11e2712161K-10,112292l61 Fast 10-22 sec 一·N=160 Compound N=158 0~0.75Mev N-154 N=158 2x1020Hz Rotation ····N-156 g18K2-12,v132[71611206K=11,y132716,92l04 N=168 16 0.8 100 10.9 sec Groundstate

F.R. Xu, et al., PRL92, 252501 (2004)