大学物理,原子核和基本粒子.pdf

物质的基本单元物质的基本单元 原子原子原子原子 质子 中子 电子质子 中子 电子质子 中子 电子质子 中子 电子 夸克夸克夸克夸克夸克夸克夸克夸克 17 1 原子核的基本性质原子核的基本性质 一 原子核电荷 质量和密度一 原子核电荷 质量和密度 1 原子核的质量数和电荷数原子核的质量数和电荷数 原子核由质子和中子组成 原子核由质子和中子组成 1 原子核的质量数和电荷数原子核的质量数和电荷数 质子 质子 P 中子中子 u me p 0072761 um0086651电中性电中性 核子核子 中子中子 n u mn0086651 电中性电中性 kg u 27 10660565511 原子核符号原子核符号 质量数质量数 NZA X A Z 电荷数 质子数 原子序数 电荷数 质子数 原子序数 Z 质量数质量数 NZA ON 16 8 14 7 相应的元素符号与 相应的元素符号与ZX 核素核素 具有具有相同质子数相同质子数Z和和相同中子数相同中子数N的核素的核素 同位素同位素 具有具有相同的质子数相同的质子数而而中子数不同中子数不同的核素的核素 核素核素 具有具有相同质子数相同质子数Z和和相同中子数相同中子数N的核素的核素 同位素同位素 具有具有相同的质子数相同的质子数而而中子数不同中子数不同的核素的核素 OOO 18 8 17 8 16 8 HHH 3 1 2 1 1 1888111 同中子异荷数同中子异荷数 具有相同中子数具有相同中子数N 不同质子数 不同质子数Z的核素的核素 同量异位素同量异位素 质量数质量数A相同相同而质子数而质子数Z不同不同的核素 的核素 同质异能素同质异能素 具有具有相同质量数相同质量数 和中子数和中子数但能态不但能态不同质异能素同质异能素 具有具有相同质量数相同质量数A和中子数和中子数N 但能态不但能态不 同同的核素 的核素 质子 电子和中子符号质子 电子和中子符号 P H 1011 ne P H 1 0 0 1 1 1 1 1 2 原子核的形状 大小及密度 原子核的形状 大小及密度 原子核的体积总是正比于它的质量数原子核的体积总是正比于它的质量数A 31 31 0A RR mR 15 0 1020 1 所以在一切原子核中所以在一切原子核中 核物质的密度近似相等核物质的密度近似相等 317 10 mkg 所以在一切原子核中所以在一切原子核中 核物质的密度近似相等核物质的密度近似相等 10 mkg m 二 原子核的自旋和磁矩二 原子核的自旋和磁矩 原子核的自旋角动量为原子核的自旋角动量为 I可以是整数可以是整数 也可以是半整数也可以是半整数 h 1 IIL 核自旋量子数核自旋量子数II可以是整数可以是整数 也可以是半整数也可以是半整数 核自旋量子数核自旋量子数 I 1 核自旋角动量空间量子化核自旋角动量空间量子化 0 2 1 1 或或 LLhIImmL IIZ 质子的磁矩质子的磁矩 eh eh 质子的磁矩质子的磁矩 N p p m e 79 2 2 79 2 h p N m e 2 h 核磁子核磁子 中子的磁矩中子的磁矩 911 原子核有磁矩原子核有磁矩 Jg NJJ v 中子的磁矩中子的磁矩 Nn 91 1 原子核有磁矩原子核有磁矩 Jg NJJ 核自旋的确定核自旋的确定 1 质子和中子的自旋质子和中子的自旋 2 1 I 核自旋的确定核自旋的确定 2 原子核的质子数和中子数都是偶数时 自旋为零 原子核的质子数和中子数都是偶数时 自旋为零 2 3 原子核的质子数和中子数都是奇数时 原子核的质子数和中子数都是奇数时 自旋为非零整数自旋为非零整数 自旋为非零整数自旋为非零整数 4 原子核的核子数是奇数时 自旋为原子核的核子数是奇数时 自旋为1 2的奇数倍 的奇数倍 三 核力的基本性质三 核力的基本性质 核子之间的相互作用力 核子之间的相互作用力 抵消核子之间的较强的库仑排斥力抵消核子之间的较强的库仑排斥力 抵消核子之间的较强的库仑排斥力抵消核子之间的较强的库仑排斥力 核力的特征 核力的特征 1 核力是比电磁力强得多的核力是比电磁力强得多的强相互作用力强相互作用力 主要是吸引力主要是吸引力 主要是吸引力主要是吸引力 2 核力是核力是短程力短程力 核子间距离小于 核子间距离小于10 15m时才明显 时才明显 3 核力与核子核力与核子带电状况无关带电状况无关 4 核力具有核力具有饱和性饱和性 4 核力具有核力具有饱和性饱和性 1935年 日本物理学家汤川秀树提出年 日本物理学家汤川秀树提出核力的介子理论核力的介子理论 认为核子之间通过交换认为核子之间通过交换 介子而发生核力作用 介子而发生核力作用 四四 原子核的结合能和平均结合能原子核的结合能和平均结合能四四 原子核的结合能和平均结合能原子核的结合能和平均结合能 原子核的质量原子核的质量M总是小于组成该原子核的核子的质总是小于组成该原子核的核子的质 量之和量之和 它们之间的差额称为原子核的它们之间的差额称为原子核的质量亏损质量亏损 量之和量之和 它们之间的差额称为原子核的它们之间的差额称为原子核的质量亏损质量亏损 核子在结合成原子核时核子在结合成原子核时 它们之间的核力作用使体它们之间的核力作用使体核子在结合成原子核时核子在结合成原子核时 它们之间的核力作用使体它们之间的核力作用使体 系能量降低 从而释放出能量 相应质量减少了 系能量降低 从而释放出能量 相应质量减少了 原子核结合能 原子核结合能 由质子和中子形成原子核时所放出的能量由质子和中子形成原子核时所放出的能量 由质子和中子形成原子核时所放出的能量由质子和中子形成原子核时所放出的能量 22 MccmE ib i ib 原子核由原子核由Z个质子和个质子和N个中子结合而成 个中子结合而成 np i i NmZmm 22 MccNmZmE npb 平均结合能平均结合能 比结合能比结合能 原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的比值原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的比值 E 原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的比值原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的比值 平均结合能越大平均结合能越大 A E E b b 平均结合能越大平均结合能越大 原子核越稳定 原子核越稳定 17 2 原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变 17 2 原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变 不稳定的原子核会自发地转变成另一种核而同时不稳定的原子核会自发地转变成另一种核而同时 放出射线 这种变化叫放出射线 这种变化叫放射性衰变放射性衰变 一一 放射性衰变的一般规律放射性衰变的一般规律一一 放射性衰变的一般规律放射性衰变的一般规律 1 指数衰减规律指数衰减规律 t 0时刻样品中有时刻样品中有N0个核 经过一段时间个核 经过一段时间t后剩下后剩下N个个 核核 在在dt时间内有时间内有 dN个核发生衰变个核发生衰变核核 在在dt时间内有时间内有 dN个核发生衰变个核发生衰变 NddN dtdN 或或NdtdN N dtdN 或或 衰变常数衰变常数 表征衰变快慢的常数表征衰变快慢的常数 衰变常数衰变常数 表征衰变快慢的常数表征衰变快慢的常数 t 0 N N0t 0 N N0 t eNN 0 放射性衰变定律放射性衰变定律 N dtdN t时刻 每单位时间衰变的原子核数与该时刻 每单位时间衰变的原子核数与该 时刻原子核总数的比时刻原子核总数的比 越大越大 衰变越快衰变越快 N时刻原子核总数的比时刻原子核总数的比 越大越大 衰变越快衰变越快 2 半衰期和平均寿命半衰期和平均寿命2 半衰期和平均寿命半衰期和平均寿命 半衰期半衰期 原子核衰变到原子核衰变到N N0 2所需的时间所需的时间 半衰期半衰期 原子核衰变到原子核衰变到 0 所需的时间所需的时间 1 69302ln 21 00 2 1 T eNN 693 02ln 21 T 平均寿命平均寿命 每个原子核衰变前存在的时间的平均值 每个原子核衰变前存在的时间的平均值 11 原子核的寿命 原子核的寿命 0 0 0 0 1 1 Ndtt N dNt N 0 dtet t 1 平均寿命 平均寿命 2 21 l T 平均寿命与半衰期的关系 平均寿命与半衰期的关系 2ln 3 射性活度 放射性强度 射性活度 放射性强度 放射性物质在单位时间内发生衰变的核的数目 放射性物质在单位时间内发生衰变的核的数目 t eNN dt dN A 0 t 0 N N0 A N0 国际单位国际单位 贝克贝克 B t eAA 0 国际单位国际单位 贝克贝克 Bq 1Bq表示每秒发生一次核衰变的放射源的活度 表示每秒发生一次核衰变的放射源的活度 Bq Ci 10 10731 q 常用单位 居里常用单位 居里 Ci 二二 几种主要的衰变方式几种主要的衰变方式 三种衰变 三种衰变 衰变衰变 衰变衰变 衰变衰变 二二 几种主要的衰变方式几种主要的衰变方式 AA44 1 衰变衰变是原子核放射出是原子核放射出 粒子粒子 即氦核即氦核 HeYX A Z A Z 4 2 4 2 母核母核 X A 子核子核 Y A 4 母核母核 X Z 子核子核 Y Z 2 中微子的发现中微子的发现中微子的发现中微子的发现 1930年泡利根据衰变前后应遵守角动量守恒和能年泡利根据衰变前后应遵守角动量守恒和能 量守恒提出核在发射粒子的同时应发射一个质量量守恒提出核在发射粒子的同时应发射一个质量量守恒提出核在发射粒子的同时应发射一个质量量守恒提出核在发射粒子的同时应发射一个质量 几乎为零的中性粒子 称中微子 几乎为零的中性粒子 称中微子 2 衰变衰变是核电荷改变而核子数不变的核衰变是核电荷改变而核子数不变的核衰变2 衰变衰变是核电荷改变而核子数不变的核衰变是核电荷改变而核子数不变的核衰变 衰变衰变是原子核内中子转变成质子是原子核内中子转变成质子 同时放出一个同时放出一个 衰变衰变是原子核内中子转变成质子是原子核内中子转变成质子 同时放出一个同时放出一个 电子和与电子相联系的反中微子电子和与电子相联系的反中微子 0 1 1 1 1 0 ePn 0 11 eYX A Z A Z 衰变 衰变是原子核内质子转变成中子 同时放出一个是原子核内质子转变成中子 同时放出一个 正电子和一个中微子正电子和一个中微子 P 011 正电子和一个中微子正电子和一个中微子 enP 0 1 1 0 1 1 A Z A Z eYX 0 11eZZ eYX 11 3 衰变衰变 射线射线是光子流 是光子流 是在是在 衰变或衰变或 衰变后形成新核时辐射出来的衰变后形成新核时辐射出来的 是在是在 衰变或衰变或 衰变后形成新核时辐射出来的衰变后形成新核时辐射出来的 17 4 粒子及其相互作用粒子及其相互作用 一 粒子基本性质一 粒子基本性质 1 质量 常用静能表示 质量 常用静能表示 2 0c m 2 电量电量 常以电子电量常以电子电量 为单位为单位 2 电量电量 常以电子电量常以电子电量e为单位为单位 3 自旋 自旋角动量以 为单位 自旋 自旋角动量以 为单位 h 4 平均寿命 平均寿命 二二 粒子相互作用极其统一模型粒子相互作用极其统一模型二二 粒子相互作用极其统一模型粒子相互作用极其统一模型 四种相互作用的比较四种相互作用的比较 短程短程 短程短程 作用力作用力 引力作用弱作用电磁作用强作用引力作用弱作用电磁作用强作用 长程 长程 短程短程 10 16 长程 长程 短程短程 10 15 10 16 作用力作用力 程程 m 天体之间天体之间 衰变原子结合核力衰变原子结合核力 举例举例 相对相对 引力子引力子 中间中间 光子光子胶子胶子 媒介媒介 10 3910 151 1731 相对相对 强度强度 一切物体一切物体 强子强子 轻子轻子强子强子强子强子 被作用被作用 引力子引力子 中间中间 玻色子玻色子 光子光子胶子胶子 媒介媒介 一切物体一切物体 强子强子 轻子轻子强子强子强子强子 被作用被作用 粒子粒子 2310 特征特征 2016 10 10 特征特征 时间时间 10 20 10 16 相互作用的统一相互作用的统一 弱电统一理论弱电统一理论 弱作用与电磁作用的统一 弱作用与电磁作用的统一 大统一理论大统一理论 强相互作用和弱电作用统一 强相互作用和弱电作用统一 超大统一理论超大统一理论 四种相互作用的统一 四种相互作用的统一 有待于验证 有待于验证 三三 粒子的分类粒子的分类三三 粒子的分类粒子的分类 正反粒子正反粒子 两者质量两者质量 自旋自旋 平均寿命完全相同平均寿命完全相同 两者质量两者质量 自旋自旋 平均寿命完全相同平均寿命完全相同 电荷等值异号 磁矩方向相反 电荷等值异号 磁矩方向相反 按自旋分类按自旋分类 1 玻色子玻色子 2 费米子费米子 按参与相互作用的性质分类按参与相互作用的性质分类 1 规范粒子 规范粒子是传递作用力的粒子 规范粒子 规范粒子是传递作用力的粒子 按参与相互作用的性质分类按参与相互作用的性质分类 2 轻子轻子完全不受强作用力的影响 轻子轻子完全不受强作用力的影响 强子分成介子和重子强子分成介子和重子 3 强子 强子 强子分成介子和重子强子分成介子和重子 按质量分类按质量分类 1 轻子轻子 2 介子介子 3 重子重子按质量分类按质量分类 1 轻子轻子 2 介子介子 3 重子重子 17 5 夸克模型夸克模型 夸克是强子的组成粒子 夸克共有夸克是强子的组成粒子 夸克共有6种 种 夸克种类夸克种类夸克种类夸克种类 味 味 上下奇异粲底顶上下奇异粲底顶 英文英文英文英文up down strange charm bottom top