核及粒子物理

1、 前前 言言1897年 J.J.Thomson 发现电子电子1911年 卢瑟福卢瑟福（Ernest Rutherford), Hans Geiger, Ernest Marsden -原子的核式结构原子的核式结构（太阳系模型）1932年 J.Chadwick 发现中子中子氢核就是质子质子质子和和中子中子称为称为核子（核子（nucleon）原子核（原子核（nucleus）是由核子组成核子由夸克组成核子由夸克组成第五章第五章 核与粒子物理核与粒子物理5.1 核的一般性质核的一般性质 5.2 核自旋和核磁共振核自旋和核磁共振 5.3 放射性和衰变定律放射性和衰变定律*5.4 衰变衰变5.5 穆斯堡尔

2、效应穆斯堡尔效应 *5.6 衰变衰变 5.8 核力（强相互作用）核力（强相互作用） 5.7 核的结合能核的结合能 5.9 (基本基本)粒子粒子5.1 核的一般性质核的一般性质 A = Z + N质量数质量数质子数或原子序数质子数或原子序数中子数中子数XAZ或XA同位素同位素, 如如: 8C , ,12C , 13C , 14C , , 20C天然丰度天然丰度:98.90%1.10%1.310-10%有些同位素不稳定有些同位素不稳定, 或长或短的时间内或长或短的时间内, 衰变成其它核衰变成其它核, 所以这些核只能在实验室所以这些核只能在实验室制造出来制造出来.核素图核素图, 绿色绿色部分部分稳定

3、核素稳定核素, 黄色黄色部分部分放射性核素放射性核素多数多数核基态核基态是是球形球形，少部分是，少部分是椭球形椭球形， 极个别的有其它形状极个别的有其它形状球形核的半径球形核的半径通常是通常是 R = r0A1/3 ， 其中其中 r0=1.2fm = 1.210-15m核密度核密度 =m/V=（m核子核子A）/（4/3 r03A） = 3m核子核子/（4 r03） 与具体的核无关与具体的核无关原子核有自旋原子核有自旋，它是质子和中子的轨道，它是质子和中子的轨道 角动量，以及它们的自旋角动量的和角动量，以及它们的自旋角动量的和对应于对应于核自旋，核自旋，有有核磁矩核磁矩Imegp25.2 核自旋

4、和核磁共振（核自旋和核磁共振（NMR）zpzpImegImeg22自旋只取自旋只取向上向上或或向下向下两个值，两个值，磁矩磁矩也也只有两个值只有两个值BE质子磁矩在磁场中有两个能级质子磁矩在磁场中有两个能级质子质子zpzsmeg2磁矩在磁场中能量磁矩在磁场中能量5.586g Bhvz2如果电磁波频率合适共振吸收，称为磁共振若 B =1.8T， z=1.4110-26J/T则 =3.92m通常, 磁场除了外场，还包含小的、内部分子或原子磁矩等产生的局域磁场)(2localextzBBhv通常固定电磁波频率，改变外磁场，磁共通常固定电磁波频率，改变外磁场，磁共振发生时，观察吸收峰，叫振发生时，观察

5、吸收峰，叫核磁共振谱核磁共振谱extB信号信号CH3 -CH2 -OH 乙醇 不同物体中，不同物体中，氢核（质子）氢核（质子）所处所处环境不同，内磁场环境不同，内磁场也就不同，对于外也就不同，对于外磁场的磁共振峰的磁场的磁共振峰的位置也不同，如乙位置也不同，如乙醇中各个质子的磁醇中各个质子的磁共振峰不同，但合共振峰不同，但合起来构成乙醇独有起来构成乙醇独有的特性的特性核磁共振成像核磁共振成像人体内到处是水，其中质子（氢核）在不同人体内到处是水，其中质子（氢核）在不同部位所处内磁场环境不同，所以不同部位有部位所处内磁场环境不同，所以不同部位有不同的磁共振谱，把这些特性与不同的磁共振谱，把这些特性

6、与X射线拍摄的射线拍摄的像合在一起，就构成像合在一起，就构成核磁共振图像核磁共振图像病变部位磁共振谱与原来正常情况下的不病变部位磁共振谱与原来正常情况下的不同，我们根据临床经验（数据库），可以同，我们根据临床经验（数据库），可以判断哪些部位可能发生病变。判断哪些部位可能发生病变。头部和颈部的MRI，有些细节，用X射线照相，或现代计算机断层扫描（CAT scanner）无法给出5.3 放射性和衰变定律放射性和衰变定律 e6060e131131234238222226NiCoXeIThURnRa衰变速率满足统计规律设有设有N个放射性核，则个放射性核，则NdtdNteNN0平均寿命平均寿命1半衰期一

7、半核衰变需要的时间/693. 0/2ln2/2/1002/1teNNttNtAdd)(活度活度 A 初始时刻的活度A0 最大。数目称为该物质的放射性活度，以 A 表示。单位时间（1秒）内发生衰变的放射性原子核初始活度 A0 = N00( )tA tA e活度的常用单位是活度的常用单位是居里。居里。1居里（居里（Ci）=3.7 1010次核衰变次核衰变/秒秒常用的还有常用的还有 毫居（毫居（mCi） 微居（微居（ Ci）居里居里活度的国际单位是贝克乐尔活度的国际单位是贝克乐尔 (1 Bq = 1/s)226Ra年代测定年代测定12C 稳定核素， 14C 放射性核素，放射性14C的比例是很小的，约

8、为1.31-12。大气中自然丰大气中自然丰度恒定度恒定，生物活着时，两种核素的含量与大气相同，死后新陈代谢停止， 12C 含量不变，但 14C 由于衰变含量减少。设大气含量CNN1214化石中含量ttCeNeNCNN121412142/12ln) /ln() /ln(tCCCCt化石年代母核子核)(0ttPDPPDDPeeNN当DPtt, 2/1, 2/1在时间段DPttt, 2/1, 2/1DPPDNN0 半衰期很短的核素半衰期很短的核素, 有时其数目长期不变有时其数目长期不变PPPdNNdt DDDdNNdt PdNdt234234eThPa238234UTh例例1. 河北省发现古时的栗子

9、。样品中，1克碳的 活度测定为2.810-12Ci。求这些栗子的年龄。解:活度和粒子数都是指数衰减1/2ln(/)ln2C Ctt01/2ln/( )ln2AA tt02/100693. 0NtNA1克新鲜碳中的放射性14C原子核数目为1012-230105 . 6103 . 112110023. 6Na7300108 . 2108 . 6ln693. 057301212原子核放射性应用的其他例子: 利用利用 ， 射线对空气的电离作用来射线对空气的电离作用来消除消除 有害的静电积累有害的静电积累。（造纸、纺织、胶片等）。（造纸、纺织、胶片等） 对植物种子辐照可以对植物种子辐照可以 改良品种改良

10、品种 放射性治疗放射性治疗 （肿瘤）（肿瘤）1/20ln0.693( )tAtA t*5.4 衰变衰变 重核内核子有时结合成团簇，如形成 粒子，经过势垒贯穿势垒贯穿这个量子力学效应，跑到核外，这就是 衰变。势阱中核子能量是量子化量子化的238U势垒贯穿势垒贯穿透射率透射率 TBAEt2/12/1lnA，B 对一种核基本是常量，这与实验符合很好1/21tT 衰变常常伴随衰变常常伴随 衰变，原因是子核处于激发态衰变，原因是子核处于激发态同一母核的 衰变能量不同，但产物是同一种子核，说明子核的能量不同。根据测量 粒子的能量，可以测定子核各激发态的能级。5.5 穆斯堡尔效应穆斯堡尔效应 光子能量lhE

11、Eh发生发生共振吸收？共振吸收？发射和吸收都有反冲h 反冲22222mchmpErecreclhrecemiEEEhlhrecabsEEEhhElEemihabshrecemiabsEhh2对于原子对于原子eV100 . 521122mchEreceV1u10hm原子能级有自然宽度/ NE原子能级寿命 s100 . 18eV100 . 68NE原子反冲可以忽略，原子反冲可以忽略，即总会有共振吸收即总会有共振吸收I对于核能级s100 . 110eV100 . 16NE发射 射线MeV1hNrecEE对于核发射对于核发射 射射线，通常不会线，通常不会有共振吸收有共振吸收对于原子核对于原子核穆斯堡尔

12、（1958研究生） ： 共振吸收方法把源和吸收体（放射性核）嵌在晶体中，由于核反冲由整个晶体承受，基本可以忽略，这种无反冲的共振吸收就叫穆斯穆斯堡尔效应堡尔效应（低温下效果更好）。 利用穆斯堡尔效应精确测量利用穆斯堡尔效应精确测量 射线的谱线宽度射线的谱线宽度由多普勒效应hchabs)1 ( NE2吸收体和源有相同的自然宽度 引力红移的测量引力红移的测量Hhh2(1)gHc*5.6 衰变衰变固定核 衰变的能量一定，电子能量连续分布核自旋(整-整或半整-半整)泡利中微子假设eeeNeNaNeNaNiCo22_222222_6060 衰变的本质（费米）衰变的本质（费米）eeennp_ppn由于弱相

13、互作用弱相互作用，核内核子有时衰变 (59Co稳定）自由质子稳定，自由中子自由质子稳定，自由中子 t1/212min核子在核内部与自由粒子态非常不同核子在核内部与自由粒子态非常不同中微子质量和中微子震荡中微子质量和中微子震荡3类中微子大亚湾核电站试验吴健雄实验核内质子俘获核外电子，衰变为中子和中微子eeRaAcThAc226_226_226226在日本废弃深矿井小柴昌俊(2002诺奖)探测到中微子，这个超新星对着南半球nep中微子探测SN 1987A 超新星爆发5.7 核的结合能核的结合能 原子核能量原子核能量 （A = Z + N ） KNCEEUU2013(1)45CZ ZeUR0NU束缚

14、态：束缚态： E 20 核的平均结合能 8MeV核的结合能核的结合能222)()(cMNmZmmccMNmZmEanHNnpbd平均结合能AEbd/m质量亏损质量亏损0bdEE 重核的结合能比中重核的小2,2,) 1()(cMMmNZmEcMNmZmESrXenpSrXebdUnpUbd相减2,)(cmMMMEEQnSrXeUUbdSrXebdQ2nSrXeUnU94140236235由图eVAEA6 . 7/240eVAEA5 . 8/120MeV200MeV)6 . 72355 . 8234(,UbdSrXebdEE核裂变核裂变Q2nYXUnU236235 裂变产物裂变位垒 核聚变核聚变1

15、7.6MeVnHeHH432 质子-质子链.85MeV21H2HeHeHeMeV49. 5HeHHMeV)02. 1e(eMeV42. 0eHHH1433321e211等效于MeV7 .2662Hee2H4e41MeV03. 4pHHH322MeV27. 3nHeHH322*5.8 核力（强相互作用）核力（强相互作用） 核力是属于强相互作用（四种基本相互作用之一，其中电磁力和弱相互作用已经统一），相距 2 fm 两个质子其库仑力 60N， 而相互吸引的核力 2000N 根据核子之间的散射实验和其它实验证明： 1）核力是短程相互作用2）核力是吸引力但靠得很近时又是强排斥力 3）核力与电荷无关 （

16、中子和质子没有区别）（中子和质子没有区别）4）核力与自旋相关5）核力不是有心力，是多体力 （复杂）（复杂）19ZN 核力没有简单表达式，表现形式也是非常复杂，这暗示核子内部有结构。就如同原子或分子之间的力非常复杂，但库仑力却很简单。因此人们相信核子是由更基本的粒子组成的。 根据“标准模型”，核子是由夸克组成，核力实际是夸克相互作用的残余相互作用，就好比原子或分子之间的相互作用力是电磁力的残余相互作用力一样。5.9 (基本基本)粒子粒子1. 四种基本相互作用四种基本相互作用万有引力万有引力 - 所有粒子所有粒子电磁相互作用电磁相互作用 - 带电粒子带电粒子(中性带磁矩中性带磁矩)弱相互作用弱相互

17、作用 - 所有粒子所有粒子强相互作用强相互作用 - 强子强子(hadron) 反粒子反粒子参与同样的相互作用2ee湮灭反应电磁气泡室径迹44pp强弱ee弱反应要求遵守一些守恒定律，如质能守恒，电荷守恒，角动量守恒，重子数守恒，轻子数守恒，奇异数守恒, 宇称守恒等等。重子重子介子介子轻子轻子2. 轻子轻子(lepton): 不参与强相互作用不参与强相互作用符号符号质量质量（MeV/c2)电荷电荷反粒子反粒子e-e0.511 2.2eV-10e+e-105.7 0.17-10+-1777 15.5-10+自旋1/2 ，电子稳定正粒子+1反粒子-1非轻子 0轻子数3. 重子和介子由夸克组成（重子和介子由夸克组成（quarks）符号符号（味）（味）质量质量（MeV/c2)电荷电荷奇异数奇异数重子数重子数反粒子反粒子ud2.44.8+2/3-1/300+1/3+1/3udcs1270104+2/3-1/30-1+1/3+1/3cstb1712004200+2/3-1/300+1/3+1/3tb反粒子的电荷，奇异数和重子数反号自旋自旋1/2, 带带3色色核子超子介子12s 0s 引力相互作用：引力子（引力相互作用：引力子（graviton） 电磁相互作用：光子（电磁相互作用：光子（photon） 弱相互作用：共有弱相互作用：共有3种：种：W W Z0 强相互作用：胶子（强相互作