大学物理原子核物理和粒子物理简介课件

1、物质的基本单元物质的基本单元原子原子质子、中子、电子质子、中子、电子夸克夸克14-1 14-1 原子核的基本性质原子核的基本性质14-2 14-2 原子核的结合能原子核的结合能 裂变和聚变裂变和聚变14-3 14-3 原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变* *14-4 14-4 粒子物理简介粒子物理简介14-1 原子核的基本性质原子核的基本性质一、原子核的组成一、原子核的组成原子核由质子和中子组成。原子核由质子和中子组成。质子（质子（P）：）：中子（中子（n）：）：原子核符号原子核符号u.mep0072761 u.mn0086651 电中性电中性kg.u2710660565511 核子核子XA

2、Z相应的元素符号相应的元素符号与与电荷数电荷数质量数质量数ZXZNZA ON168147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原子核称为的原子核称为同位素同位素。质子、电子和中子符号质子、电子和中子符号OOO188178168ne)P(H10011111 HHH312111具有具有确定质子数确定质子数Z和和中子数中子数N的原子核称为的原子核称为核素核素。质量数质量数A相同相同而而质子数质子数Z不同不同的原子核称为的原子核称为同量异位素同量异位素。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A310ArR mr1501020. 1 3171029. 2 m

3、kgm 在一切原子核中，核物质的密度是一个常数。在一切原子核中，核物质的密度是一个常数。二、原子核的大小二、原子核的大小三、核力三、核力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。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。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。核力的特征：核力的特征：1935年，日本物理学家汤川秀树提出年，日本物理学家汤

4、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、核自旋和磁矩四、核自旋和磁矩原子核有自旋，自旋角动量为原子核有自旋，自旋角动量为核自旋可以是整数，也可以是半整数。核自旋可以是整数，也可以是半整数。1.质子和中子的自旋质子和中子的自旋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。)1( IIL核核自自旋旋）核核自自旋旋角角动动量量量量子子数数（ I21 I3.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。4.原子核的核

5、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。核自旋的确定：核自旋的确定：原子核有磁矩，原子核有磁矩，pNmeh 4 核自旋角动量空间量子化核自旋角动量空间量子化IzmL IImI ),1(, 2, 1, 0核自旋磁量子数核自旋磁量子数NIIIIg )1( 以以核磁子核磁子为单位为单位 14.2 14.2 原子核的结合能原子核的结合能原子核的质量总是小于组成该原子核的核子的质量原子核的质量总是小于组成该原子核的核子的质量之和，它们之间的差额称为原子核的之和，它们之间的差额称为原子核的质量亏损质量亏损。xnpmmZAZmm )(原原子子核核的的质质量量 xmeHpm

6、Mm exxZmMm )-)()(exneHZm(MmZAmMZm xnHMmZAZM-)( 核子在结合成原子核时，它们之间的核力作用使体核子在结合成原子核时，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。Z个质子和个质子和(A-Z)个中子结合成原子核时，释放能量个中子结合成原子核时，释放能量AcmAEB2)( -)(2xnHBMmZAZMmcE 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。原子核结合能：原子核结合能：由质子和中子形成原子

7、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。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。235922U()(92 1.007825 143 1.008665235.043915) 931.49431783.886 ()BHnEZMAZ mMcMeV例例14-2计算铀计算铀 的结合能和比结合能。的结合能和比结合能。 23592U解解已知已知 1.007825 ,1.008665 ,HnMu mu235922U235.043915 ,1931.4943/Mu uMeV c1783.8867.591 ()235BEMeVA14-3 原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变一、

8、原子核衰变一、原子核衰变三种衰变：三种衰变： 衰变衰变、 衰变衰变、 衰变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。HeYXAZAZ4242 1) 衰变衰变是原子核自发放射出是原子核自发放射出 粒子粒子(即氦核即氦核)母核母核XAZ子子核核 YAZ422) 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.分分 +衰变衰变、 -衰变衰变和和电子俘获电子俘获三种三种-衰变衰变是原子核内中子转变成质子，同时放出一个是原子核内中子转变成质子，同时放出一个电子和与电子相联

9、系的反中微子电子和与电子相联系的反中微子eePn 011110 +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eenP 011011eAZAZeYX 011eAZAZeYX 011 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。电子俘获电子俘获eAZAZYeX 101二、放射性衰变规律二、放射性衰变规律t时刻样品中有时刻样品中有N个核，在个核，在dt时间内有时间内有dN个发生衰变个发生衰变NdtdN dtNdN 或或衰衰变变常常数数）表表征

10、征衰衰变变快快慢慢的的常常数数（ t=0，N=N0teNN 0放射性衰变定律放射性衰变定律NdtdN 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。越大，衰变越快。时刻原子核总数的比。越大，衰变越快。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。210021TeNN 693.02ln21 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。0Ndtt)dN( tL 10NL 000NdteNtt原子核的寿命：原子核的寿命：平均寿命：平均寿命：221lnT 平均寿命与半衰期的关系：平均寿命

11、与半衰期的关系：*14-4 粒子物理简介粒子物理简介一、粒子特征一、粒子特征 四种相互作用和粒子分类四种相互作用和粒子分类基本粒子基本粒子：质子、光子、中子、电子：质子、光子、中子、电子正电子的发现正电子的发现1932年安德逊在记录宇宙射线的年安德逊在记录宇宙射线的云雾室中发现正电子云雾室中发现正电子正电子与电子有相同的质量，带正电。正电子与电子有相同的质量，带正电。20cmE 20cmE0E空空穴穴空空穴穴狄拉克海狄拉克海（真空区）（真空区）电子偶电子偶产生产生电子偶电子偶湮灭湮灭光光子子 光光子子 电电子子电电子子正反粒子正反粒子 两者质量、自旋、平均寿命完全相同。两者质量、自旋、平均寿命

12、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。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。粒子的特征的描述粒子的特征的描述1、质量。（常用能量表示）、质量。（常用能量表示）2mcE 2、电量。（常以电子电量、电量。（常以电子电量e为单位）为单位）3、自旋。（自旋角动量以、自旋。（自旋角动量以 为单位）为单位）4、平均寿命。、平均寿命。天体之间天体之间 衰变衰变原子结合

13、原子结合核力核力举例举例一切物体一切物体 强子、轻子强子、轻子强子强子强子强子被作用被作用粒子粒子长程，长程， 短程短程10-16长程，长程， 短程短程10-1510-16作用力作用力程程/m引力子引力子中间中间玻色子玻色子光子光子胶子胶子作用传作用传递者递者10-3910-151/1731相对相对强度强度引力作用引力作用弱作用弱作用电磁作用电磁作用强作用强作用四种相互作用的比较四种相互作用的比较10-10特征特征时间时间10-2010-16粒子的分类粒子的分类（按参与相互作用的性质）（按参与相互作用的性质）1、规范粒子、规范粒子2、轻子、轻子3、强子、强子规范粒子是传递作用力的粒子。规范粒子

14、是传递作用力的粒子。轻子完全不受强作用力的影响。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。二、强子的夸克结构二、强子的夸克结构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。每种夸克都有相应的反夸克。每种夸克都有相应的反夸克。夸克种类夸克种类（味）（味）上上下下奇异奇异粲粲底底顶顶英文英文up down strange charm bottom top符号符号 u d s c b t质量质量(MeV)5 10 500 1500 4800 ?电荷电荷(e)2/3 -1/3 -1/3 2/3 -1/3 2/31/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2自旋自旋( )重子都由三个夸克组成。重子都由三个夸克组成。)uud(P如如介子都由一个夸克和一个反夸克组成。介子都由一个夸克和一个反夸克组成。1313232电电荷荷21212121自自旋旋)du( 如如13132电电荷荷自自旋旋为为零零三、相互作用的统一三、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能量很高能量很高时，传递弱力的媒介粒子与光子时，传递弱力的媒介粒子与光子一样静质量为零，由于内部某种对称性使一样静质量为零，由于内部某种对称性使弱力和电磁力成为同一种力。弱力和电磁力成为同一种力