原子核物理导论

课程编码：B0212041Y 英文名称：Introduction to Nuclear Physics 课时：60 学分：3.00 课程属性：专业课 主讲教师：周小红等

原子核是原子的核心，是由质子和中子构成的量子多体系统。原子核可形变、具有不同形状，不稳定原子核有多种衰变模式，激发少数几个核子形成单粒子态，原子核整体可振动或转动，不同能量下核反应呈现出复杂的机制。在天体环境中，发生着多种核过程，提供大质量恒星抗衡引力塌缩的能量，产生从氢到铀的化学元素。92号元素铀是天然存在的最重元素，超铀元素都是利用核反应合成的。本课程将讲授核辐射与物质的基本相互作用过程，产生、鉴别原子核的实验技术和方法，原子核的稳定性、衰变模式和规律，原子核的结构，原子核反应机制，超铀元素合成，天体环境中的核过程。在讲授基础知识的同时，简介核物理前沿动态和重大科学问题。

The atomic nucleus is the core of an atom，and is a quantum many body system composed of protons and neutrons. Atomic nuclei are deformable and display different shapes. Unstable atomic nuclei decay with various modes, single particle states can be produced by exciting a few nucleons, and nuclei can vibrate or rotate as a whole. Nuclear reactions exhibit complex mechanisms at different incident energies. In celestial environments, various nuclear processes occur, providing energy for massive stars to counteract gravitational collapse and produce chemical elements ranging from hydrogen to uranium. Uranium is the heaviest naturally occurring element, and transuranic elements are synthesized through nuclear reactions. This course will teach the basic interaction process between nuclear radiation and matter, experimental techniques and methods for generating and identifying atomic nuclei, nuclear stability, decay modes and laws of atomic nuclei, structure of atomic nuclei, nuclear reaction mechanisms, synthesis of transuranic elements, and nuclear processes in celestial environments. It will Introduces the cutting-edge dynamics and major scientific issues in nuclear physics while teaching basic knowledge.

本课程是专业选修课。
通过学习本课程，希望学生能够了解原子核物理的历史和取得的重大成就，理解和掌握原子核物理的基础知识和基本实验技术方法，了解核物理的前沿动态，为将来从事核物理基础研究、核技术应用研究奠定一定的基础。

力学、热学、光学、电磁学、原子物理学和量子力学

本课题将主要讲授核辐射与物质的基本相互作用过程，产生、分离、鉴别不稳定原子核的实验技术和方法，原子核的稳定性、衰变模式和规律，原子核的结构，原子核反应机制，超铀元素合成，天体环境中的核过程。课题难点是核物理前沿动态和重大科学问题，这部分内容涉及复杂的核物理理论专业知识，不求完全掌握，希望能够了解。

第一章：前沿，原子核的发现及其构成。主要讲授核物理辉煌的历史和取得的重大成就、原子有核模型的建立、原子核的基本构成。要求学生能够了解原子核物理的一些重大发现以及这些成果对人类社会进步产后的重大影响，掌握和理解原子核结构的基本图像，了解原子核物理的前沿动态和目前研究工作的重点。

第二章：核辐射和核反应产物测量。讲授什么是核辐射、核辐射与物质相互作用的基本原理和过程、核辐射测量的基本方法和技术。要求学生能够掌握带电粒子、g射线、中子与物质的基本作用过程，探测带电粒子、g射线、中子的技术和方法以及核物理基本实验方法。

第三章：原子核基态性质。讲授原子核作为一个整体的静态性质、标志一个原子核存在的基本物理量。要求学生掌握和理解原子核电荷、质量、半径（电荷分布半径和物质分布半径）、自旋、磁矩、电四极矩、宇称的物理内涵，了解测量这些物理量的基本实验技术和方法。

第四章：放射性和原子核的稳定性。讲授放射性现象和规律，强相互作用和电磁相互作用如何影响原子核的稳定性，长程强相互作用（核力）的基本性质，不稳定原子核的b、a、自发裂变等衰变现象和规律。要求学生掌握、理解放射性现象和规律以及不稳定原子核具有的各种衰变模式和规律，了解核力的基本性质，对核力具有一定的认知。该部分的难点是如何从第一性原理出发构建核力，涉及复杂量子场论，主要讲授物理图像。

第五章：原子核反应。讲授在不同能量下，炮弹与靶核的相互作用机制，包括核反应基本概念、运动学、分类，简介低能散射、光学模型、分波分析基本核反应理论；库伦位垒能区轻粒子和重离子诱发的核反应；中高能弹核碎列和靶核散裂反应。目前，还没有能够描述不同能量下核反应的普适理论，希望学生能够理解、了解核反应的一般图像，掌握生成、分离、鉴别各种不稳定原子核、产生不同角动量和能量的激发态的实验方法和技术。这部分内容涉及复杂的数学公式推导，要求学生以理解物理图像为主。

第六章：原子核结构。讲授原子核壳模型、集体运动模型、形变壳模型以及原子核前沿研究课题。要求学生掌握并理解原子核的单粒子激发态、集体转动和转动态的形成机制，能够利用原子核的壳模型、集体运动模型、形变壳模型定性地解释复杂的原子核结构现象，了解同核异能态、原子核晕结构和集团结构、壳层结构在远离稳定线核区演化等前沿研究课题。简要介绍先进的核结构理论，不要求掌握，以理解物理图像为主。

第七章：中子物理及相关应用、超重元素和核素研究。讲授中子的产生、调制和应用，简要介绍核聚变的基本原理；重点介绍超铀元素和核素的产生、分离、鉴别的实验方法和技术，超重元素的性质，超重核素的结构；讲授核裂变现象和物理机制。要求学生能够掌握和理解超重元素合成的科学意义和所采用的实验技术和方法，理解壳效应是超重核素存在的根本原因，了解核聚变和裂变的原理和应用。

第八章：核天体物理。主要讲授核天体物理基础知识、核天体物理实验技术和方法、热核反应的特征和基础理论、天体环境中最重要的核过程。希望学生掌握和理解在不同天体环境中发生的一些典型核过程，例如大爆炸核合成、碳氮氧循环、热碳氮氧循环、突破碳氮氧循环、快质子俘获过程、慢中子俘获过程等，理解宇宙中化学元素的起源和丰度分布，了解快中子俘获过程。这部分内容涉及复杂的天体网络计算，要求学生以掌握和理解物理图像为主。

第九章：我国研究工作简介，总结和展望。简要介绍我国核物理研究现状，包括主要实验装置和取得的重要成果。介绍核物理国际前沿动态，有待解决的重大科学问题。

 

考核方式：

开卷笔试。期中考试成绩占40%、期末考试成绩占40%、平时成绩占20%。

章节/学时分配	讲课	习题课	实验课	上机课	讨论课	其它
1	2	1	0	0	1	0
2	2		0	0		0
3	5		0	0		0
4	10	1	0	0	1	0
5	8		0	0		0
6	8	1	0	0	1	0
7	7		0	0		0
8	8	1	0	0	1	0
9	2	0	0	0	0	0

本课程属于自然科学，思想引领元素以培养学生求真务实、严谨治学的科学素养为主。在课程教授过程中，穿插介绍若干重大发现的过程，着重介绍杰出科学家如何孜孜以求，最终取得了重大发现，例如，在著名的卢瑟福?粒子散射实验中，如何从最初的实验现象，结合严谨的逻辑推理和数学推理，最终建立了原子的有核模型，开启了人类探索微观世界的大门。

1. 《原子核物理》，卢希庭主编，原子能出版社出版，2000年出版；
2. 《BASIC IDEAS AND CONCEPTS IN NUCLEAR PHYSICS：AN INTRODUCTORY APPROACH》，K.Heyde著，第三版，INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING BRISTOL AND PHILADELPHIA，2004年出版；
3. 《恒星中的核物理》，Christian Iliadis著，何建军译，清华大学出版社出版，2023年出版。

教师简介：周小红，研究员，现任中国科学院近代物理研究所核物理中心主任。1999年，受聘科学院“百人计划”项目，2008年得到基金委“杰出青年”项目支持， 2016年入选中组部“万人计划”科技创新领军人才计划。长期从事原子核结构研究，主持过或正在主持科技部973项目课题、中科院知识创新方向性项目、基金委创新群体和重点项目、中国科学院大科学装置开放研究计划项目等。研究成果曾获2004年度甘肃省科技进步一等奖、2007年度国家自然科学二等奖。自2011以来，任 “十二?五”国家重大基础研究设施－“强流重离子加速器研究装置”项目副经理，负责实验测量装置设计与建造。
主要教学工作简介：
1. 2020-2024年：在国科大核学院，联合开设《高等原子核物理》，60学时，主讲超重核研究，9个学时；
2. 2000-2022年：在中国科学院近代物理研究所，主讲《核物理实验技术和方法》，48学时；
3. 在近代物理研究所，针对研究生，组织了《核物理前沿讲座》。

课程教学网站：
国科大教育网。
学习规范要求、个性化的要求等：
按照专业选修课要求实施，没有特殊要求。