Chp-15大学物理课件.ppt

第十五章原子核物理和粒子物理简介,2020/5/17,可以从微观粒子中获得巨大能量吗？,与微观粒子的结构种类有关,与获能方式有关,2020/5/17,蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次,2020/5/17,历史回顾重要事件,1896：H.Becquerel发现了铀(U)放射现象;1897：P.1903：E.Rutherford证实射线为He2+，射线为电子；1911：E.Rutherford提出原子的核式模型；1919：E.Rutherford首次实现人工核反应，发现了质子。,2020/5/17,历史回顾重要事件,1932：J.Chadwick发现了中子;1934：F.1964：第一颗原子弹试爆成功；1967：第一颗氢弹试爆成功；1969：首次成功地下核实验；1984：受控热核聚变实验装置顺利启动；1988：北京正负电子对撞机首次对撞成功；1991：秦山核电站发电成功。,2020/5/17,原子核物理(nuclearphysics)的研究对象：原子核。,主要内容：核的基本特性、核的结合能、核力、核的放射现象、核反应、裂变和聚变。,第15章原子核物理和粒子物理简介,粒子物理(particlephysics)研究任务：发现新粒子，研究粒子的各种性质，结构和相互作用，探索物质基本结构。,主要内容：粒子的分类、守恒定律、夸克模型、相互作用、统一性探索。,2020/5/17,原子核质子(proton)、中子(neutron)组成,一、原子核(Atomicnucleus)的组成,Z为质子数、N为中子数、A为核子数(nucleonnumber),2)原子核的符号表示：,15-1原子核的基本性质,2020/5/17,二、核素图(nuclidicchart),同位素(isotope)：Z相同而A不同的核素，如：,同量异位素(isobar)：A相同而Z不同的核素，如：,Z84，不稳定的放射性核；质子数为偶数的核更稳定；稳定轻核的中子数和质子数之比等于1；稳定重核的中子数和质子数之比大于1；Z或N=2,8,20,28,50,82,126称为幻数，对应幻数的原子核最稳定。,2020/5/17,三、原子核的大小和形状,原子核的半径(nuclearradius)：,核密度：,2020/5/17,四、原子核的自旋和磁矩,1.核自旋(nuclearspin),2.核磁矩(nuclearmagneticmoment),2020/5/17,质子p：,存在内部结构,中子n：,3.超精细结构,2020/5/17,4.核磁共振及成像,2020/5/17,核磁共振成像仪（MRI）,脑神经胶质瘤,2020/5/17,PhysicistsHonoredforTheirMedicalInsights17OCTOBER2003VOL302SCIENCE,2003NobelPrizeinPhysiologyorMedicine,主要贡献：发展了核磁共振成像技术,2020/5/17,一、1+12,二、原子核的结合能(nuclearbindingenergy)：,当所有核子（质子和中子）由于相互吸引聚集成原子核时，会释放能量，以致出现“质量亏损”，所释放的能量即定义为原子核的结合能。,氘核(2H)的结合能,mp=1.007277u,mn=1.008665u,mp+mn=2.015942u,md=2.013552u,m=mp+mn-md=0.002388u,质量亏损(massdefect),15-2原子核的结合能,2020/5/17,结合能Eb：,如：一个质子和一个中子组成氘核，则氘核的结合能：,比结合能(Specificbindingenergy)：原子核中每个核子的平均结合能。,物理意义：比结合能越大，原子核结合越紧密。,2020/5/17,获得原子能量的两种方法：,(2)轻核聚变(lightnucleusfusion),(1)重核裂变(heavynucleusfission),比结合能图,特点：两头低、中间高,2020/5/17,例15-1.氘核和氚核可聚合为氦核同时放出一个中子，计算其结合能。,聚变反应：,解：,2020/5/17,核力：把质子和中子纠合在一起，构成一个个稳定的原子核（也包括不稳定的原子核）的强大的束缚力。,一、核力一般性质,(3)核力与电荷无关，任何两核子之间的吸引力一样。,(2)核力是短程力，作用半径为3fm。,(1)核力是强相互作用，主要是吸引力，为电磁相互作用的100多倍。,(4)核力与参与相互作用核子的自旋取向有关。,15-3核力(nuclearforce),2020/5/17,二、核力的介子理论,强相互作用是怎么发生的呢？1935年，汤川秀树摹仿光子对电磁力传递机制，提出核力是一种交换力，核子间通过交换媒质粒子+、-、或0介子而发生相互作用。,汤川秀树预言介子的存在,2020/5/17,1.电磁作用,交换力(exchangeforce)虚光子(virtualphoton)传递：两个电子交换虚光子后互相排斥,1947年，二十多岁的纽约青年费曼和施温格对量子场论做出了巨大贡献，创立了量子电动力学。费曼的量子电动力学中用这样一幅图象描绘了电磁作用中两个电子间通过交换光子而产生的一次量子相互作用。这就是有名的费曼图。,Feynman图,若E全部转为虚粒子的静止能,介子质量估算,2020/5/17,2.核子相互作用,交换力介子传递,与电磁作用相似，核力质子和中子之间的相互作用，也被看作是一种交换“虚粒子”而产生的交换力；这种“虚粒子”是质量介于电子和质子之间的介子。介子是传递核力的媒介子。,核力短程力x2fmmc2100MeV200me,1947年实验发现：，0,2020/5/17,一、放射性(radioactivity)现象,绝大多数的原子核都是不稳定的，由一种原子核自发的变成另一种原子核，同时放射出各种射线的现象称为放射性。,15-4原子核的放射性,2020/5/17,1903NobelPrizeinPhysics,H.A.Becquerel1852-1908,P.Curie1859-1906,M.P.Curie1867-1934,主要贡献：发现放射性元素,2020/5/17,放射性衰变模式：,1.衰变(-decay)：,2.衰变(-decay)：,2)+衰变：,3)电子俘获(orbitalelectroncapture)：,1)-衰变：,2020/5/17,3.1)衰变：,原子核自发分裂成两个质量相似或几个原子核。,Th放射系,4.自发裂变(spontaneousfission),2)内转换(internalconversion)：,2020/5/17,二、衰变规律,若：t=0时，N=N0；在dt内核衰变数为-dN,则：,衰变常数(decayconstant)：一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。,指数衰变律：,2.半衰期(half-lifeperiod)T1/2,1.指数衰变律,放射性原子核衰减到原来数目的一半所需要的时间.,2020/5/17,3.平均寿命(meanlife),当t=时：,平均寿命后，剩下的原子核数目约为原来的37%.,2020/5/17,例15-2.一个放射性元素的平均寿命为10天，试问在第5天内发生衰变的数目是原来的多少？,解：,2020/5/17,三、放射性强度（活度）,1.放射性强度,单位：1贝克勒（Bq）=1次核衰变/秒,2.辐射效应单位,1伦琴（R）=使1千克空气中产生2.5810-4库仑的电量的辐射量,1拉德（rad）=1克受辐射物质吸收100尔格的辐射能量,1戈瑞（Gy）=1千克受辐射物质吸收1焦耳的辐射能量,放射性强度(radioactivity)A:放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数目。,1居里（Ci）=3.71010贝克勒（Bq）,2020/5/17,一、核反应(nuclearreaction),核反应一般表示式：,核反应：一种元素在具有一定能量的粒子的轰击下衰变成另一种元素的现象。,如:,15-5核反应,2020/5/17,质子的发现,原子量始终是氢原子量的整数倍。,用粒子轰击氮原子核，能释放氢核，用硼、氟、钠、铝、磷等做实验，也能打出氢核。,卢瑟福得出结论：每个原子核都由氢核构成。氢核定义为“质子”。,2020/5/17,查德威克发现中子实验,1935年查德威克因发现中子而荣获诺贝尔物理学奖。,中子的发现,2020/5/17,二、Q方程(Q-equation),核反应：,设各粒子的静止质量和动能分别为MA、Ma、MB、Mb和EA、Ea、EB、Eb。,由能量守恒定律：,1.反应能(reactionenergy)Q,反应能Q等于反应后粒子的总动能与反应前粒子的总动能之差，它代表了核反应所输出的净能量。,结论：当Q为正值时为放能反应(exothermicreaction)；Q为负值时为吸能反应(endothermicreaction)。,2020/5/17,靶核一般处于静止状态，EA=0,由动量守恒定律：,因此,代入(1)式消去EB得,2.Q方程,2020/5/17,Q方程,或,3.阈能(Thresholdenergy)Eth,阈能：入射粒子引起核反应所具有的最低动能。,吸能反应：,放能反应：,2020/5/17,三、反应截面(reactioncross-section),N个粒子垂直打在厚度为t的薄靶，单位体积的靶核数为n，则入射粒子与靶核反应数dN：,反应截面：单个粒子入射到单位面积内只含一个靶核的核反应几率。,则：,的单位：靶（b）,2020/5/17,例15-3.已知27Al(n,)28Al的反应截面为=2mb，假如靶厚t=0.1mm，求发生核反应的概率。,解：,2020/5/17,四、核反应机制,核反应的两种主要机制：复合核和直接作用,1)库仑散射(Coulombscattering)和库仑激发2)核势散射(nuclearpotentialscattering)3)表面散射(surfacescattering)4)敲击反应(knock-outreaction)5)削裂和拾取反应(strippingreactionandpick-upreaction),复合核反应(compoundnucleusreaction)：,第二步：处于激发态的复合核再衰变成几个粒子。,第一步：入射粒子与靶粒子形成复合核(compoundnucleus)。,直接反应(directreaction)：,2020/5/17,1938年，奥托哈恩（Otto.Hahn,1879-1968）发现重核裂变，开创了人类利用原子能的新纪元。1944年获Nobel化学奖。,恩里科费米(E.Fermi，1901-1954)：其“链式反应”理论使原子核裂变反应成为现实。1938年获Nobel物理奖。,一、重核裂变,15-6原子核的裂变和聚变,2020/5/17,重核的裂变：二分裂变(binaryfission)、三分裂变(Ternaryfission)、四分裂变(quaternaryfission),当重核裂变为二中重核时，观察比结合能图，可以得到一个结论：能量释放。,2020/5/17,二、裂变机制,自发裂变(spontaneousfission)：半率期10151017年。诱发裂变(stimulatedfission)：由中子、质子、氘、粒子、光子等引起，中子诱发裂变占主导。,裂变机制：中子被核俘获后形成复合核，处于激发态的复合核将发生集体振动和形变。根据液滴模型解释，复合核的表面张力使核恢复球形，库仑力使核的形变增大，最终发生裂变。,裂变分类：,2020/5/17,裂变能利用的装置：原子弹(atomicbomb)反应堆(nuclearfissionreactor),原子弹：不可控的快中子链式反应爆炸装置反应堆：可控的热中子链式反应堆,三、裂变能的利用,2020/5/17,链式反应(chainreaction),2020/5/17,原子弹的临界质量：约1kg,原子弹示意图,原子弹的燃料：235U或239Pu,1964年中国爆炸了第一颗原子弹,2020/5/17,核反应堆,2020/5/17,四、轻核聚变,当两个轻核聚变为重核时，观察比结合能图，可以得到一个结论：能量释放，且释放的能量比裂变大得多。,2020/5/17,实现聚变的途径：,2020/5/17,质子-质子反应链,2020/5/17,2020/5/17,氢弹的原料：氘化锂和氚化锂,氢弹示意图,1967年中国爆炸了第一颗氢弹,2020/5/17,激光惯性约束核聚变,Rochester大学Omega钕玻璃激光系统：60束三倍频的激光聚焦在50m2靶上脉宽：1GeV）的电子轰击质子，电子在质子上有大角度散射。,2020/5/17,1976NobelPrizeinPhysics,主要贡献：发现了J粒子，为证明夸克的存在提供了一个非常重要的证据,2020/5/17,二、夸克模型,1.夸克的种类：,2.夸克模型：,夸克是费米子，带有分数电荷；所有重子都是有三个夸克组成；反重子由三个反夸克组成；介子由一个夸克和一个反夸克组成。,上夸克u、下夸克d、奇异夸克s、粲夸克c、底夸克b、顶夸克t，以及相应的反夸克。,2020/5/17,重子(baryon),介子,质子：2个u夸克和1个d夸克组成,中子：1个u夸克和2个d夸克组成,夸克模型起源于盖尔曼和茨威格的大胆设想，它使人类对物质结构的认识，又进入一个新层次。夸克和轻子是人类目前认识到的组成物质结构的最小基元。,2020/5/17,三、夸克间的相互作用,1.夸克的“颜色”(colour),(3)每一味夸克分为红、绿、蓝三种，每个重子都是无色的，是3色夸克的组合。(4)6味夸克，每味3色，共18种，加上各自的反夸克，共36种夸克。,(1)6种夸克，被物理学家风趣地称为6种“味道”。,(2)按夸克构成强子的规则，有些重子与泡利不相容原理矛盾，需引入一个新的量子数色。,如：,2020/5/17,2.夸克间的相互作用强相互作用的本质,2)夸克间相互作用的特征夸克禁闭,1)夸克间的相互作用,胶子(gluon)：传递夸克之间强相互作用的粒子，就像胶水那样把夸克胶结在一起成为强子。,夸克间靠近时耦合减弱；分离时束缚