# 核物理学

> CIE A-Level 物理学 · 9702
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u27-overview/
> 占比: n/a

本单元探究原子核结构、原子核稳定性、放射性衰变和核能。你将学习质能转换如何为核反应提供能量，并对衰变的随机性建模，这是现代应用物理学的基础。

**先修:** 原子结构基础; 爱因斯坦质能等效原理

## 学习目标

- 计算质量亏损和结合能，并将比结合能与原子核稳定性联系起来
- 应用放射性衰变定律求解涉及活度和未衰变原子核数量的问题
- 利用半衰期对放射性衰变建模，从实验数据计算衰变率
- 区分核裂变和核聚变，解释两种过程均释放能量的原因
- 描述电离辐射的危害，列出放射性材料的标准安全预防措施

## 单元概览

本单元按照逻辑顺序展开：从原子核稳定性讲到衰变特性，再到释能反应和实际安全规范。我们首先将核子与整个原子核的质量差与结合能（将原子核束缚在一起的作用）联系起来。接下来我们探究放射性衰变的随机性，推导衰变定律，学习半衰期如何描述衰变率。随后我们解释比结合能曲线如何驱动裂变和聚变过程中的能量释放，最后讲解实用的辐射安全指南。

本单元包含以下子主题：
- [质量亏损与结合能](https://www.owlsprep.com/study/cie-9702-u27-mass-defect-and-binding-energy/) — 学习质量亏损的成因，计算结合能，并将比结合能与原子核稳定性联系起来。
- [放射性衰变定律](https://www.owlsprep.com/study/cie-9702-u27-radioactive-decay-law/) — 推导并应用指数衰变定律，计算任意时刻的活度和未衰变原子核数量。
- [半衰期](https://www.owlsprep.com/study/cie-9702-u27-half-life/) — 理解半衰期定义，求解经过多个半衰期的衰变问题，从原始数据计算半衰期。
- [核裂变与核聚变](https://www.owlsprep.com/study/cie-9702-u27-nuclear-fission-and-fusion/) — 利用结合能曲线解释裂变和聚变中的能量释放，并描述其在发电中的应用。
- [辐射安全](https://www.owlsprep.com/study/cie-9702-u27-radiation-safety/) — 了解电离辐射的生物效应，以及操作放射性源的标准安全预防措施。

## 常见错误

- **错误做法:** 直接将质量亏损等同于结合能
  - 原因: 质量亏损是质量差值，而结合能是该质量差值对应的能量等效值
  - 正确做法: 始终使用 $E_b = \Delta m c^2$ 将质量亏损转换为结合能
- **错误做法:** 将半衰期视为单个原子核的固定衰变时间
  - 原因: 放射性衰变是随机过程，半衰期是大量原子核集合的统计性质
  - 正确做法: 仅使用半衰期预测大样本在给定时间内衰变的比例
- **错误做法:** 忘记产物比结合能更高时才会释放能量
  - 原因: 学生经常混淆裂变和聚变计算中的能量流动方向
  - 正确做法: 确认产物在比结合能曲线上位置更高时，过程才会释放能量

## 速查表

| 概念 | 关键公式/规则 |
| --- | --- |
| 质量亏损 | $\Delta m = Zm_p + (A-Z)m_n - m_{nucleus}$ |
| 结合能 | $E_b = \Delta m c^2$ |
| 放射性衰变定律（原子核数量） | $N = N_0 e^{-\lambda t}$ |
| 放射源活度 | $A = A_0 e^{-\lambda t} = \lambda N$ |
| 半衰期关系 | $t_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}$ |
| 能量释放条件 | 产物的比结合能高于反应物 |
| 辐射在空气中的穿透深度 | $\alpha$: ~5 cm, $\beta$: ~1 m, $\gamma$: ~100s of m |

## 下一步

我们建议按照上述顺序学习本单元的各个子主题，从第一个子主题开始，建立对原子核稳定性的基础理解。完成本单元所有子主题后，你就可以进入CIE A-Level物理大纲中关于基本粒子的下一单元学习了。

- [质量亏损与结合能（本单元第一个子主题）](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u27-mass-defect-and-binding-energy/)
- [放射性衰变定律](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u27-radioactive-decay-law/)
- [半衰期](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u27-half-life/)

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