新编大学物理教程（下册）课件 第17章 核物理与粒子物理简介

第17章

核物理与粒子物理简介

大学物理目录17.1原子核的基本性质17.2核力与原子核的结合能17.4核结构模型17.4原子核的放射性衰变本章知识结构19世纪前原子论的提出认为构成物质的基本单元是原子，不可再分。1911年卢瑟福模型发现原子核与质子提出有核模型，确认原子由原子核和核外电子构成。1930s查德威克发现揭示原子核的构成发现中子，证实原子核由质子和中子组成，定义“基本粒子”。1960s+夸克模型建立强子的内部结构证实质子、中子由夸克组成，“基本粒子”不再基本。17.1原子核的基本性质17.1原子核的基本性质1.1原子核的组成、电荷和质量原子核中的质子数：Z，中子数：N，单个电子的电荷：e，原子核所带的电荷为Ze，原子核的质量数:A=Z+N原子核的符号原子核的质量

等于原子质量

减去核外电子的质量17.1原子核的基本性质具有相同的质子数和相同的中子数的原子核称为一种核素；把中子数相同，而质子数不相同的核素称为同中子素；具有相同的质量数和不同质子数的核素称为同量异位素，

，

。具有相同的质子数和不同的质量数（或中子数）的原子核称为同位素：

，

，

；17.1原子核的基本性质1.2原子核的大小和密度原子核的形状并非完美的正球体，但在绝大多数情况下，其轮廓都非常接近球形或长椭球。密度为常数，与质量数A无关。在一切原子核中，核物质的密度是一个常数~白矮星的密度：中子星的密度：17.1原子核的基本性质1.3原子核的自旋与磁矩原子核的自旋角动量是核内核子自旋与轨道角动量的矢量和，核自旋量子数I取值规律：偶偶核：质子数和中子数均为偶数，I=0奇奇核：质子数和中子数均为奇数，I为整数；奇偶核：质子数或中子数之一为奇数，另一个为偶数，

I为半整数核自旋原子核自旋角动量在空间给定z方向的投影为磁量子数17.1原子核的基本性质核磁矩源于质子带电自旋，单位为核磁子。中子虽不带电但有磁矩，暗示其内部复杂结构。核磁子

回旋磁比率。是一个纯数，为正表示磁矩与核自旋平行，

为负表示磁矩与核自旋反平行。应用：基于此原理发展的核磁共振(NMR)技术，已广泛用于物理、生物及医学成像(MRI)。17.1原子核的基本性质1.4核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。核力的特征:1.核力是比电磁力强得多的强相互作用力，主要是吸引力。2.核力是短程力，核子间距离小于10-15m时才明显。3.核力与核子带电状况无关。4.核力具有饱和性。1935年，日本物理学家汤川秀树提出核力的介子理论，认为核子之间通过交换π介子而发生核力作用。17.1原子核的基本性质1.5原子核的结合能原子核的质量总是小于核内中子和质子的质量总和，它们之间的差额称为原子核的质量亏损。假定任意一个原子核由Z个质子和A-Z个中子组成，则它的质量亏损为其质量亏损对应的能量就是原子核的结合能

。17.1原子核的基本性质核子的比结合能愈大，原子核就愈稳定。不同原子核的结合能相差很大，一般情况下，核子数多的原子核结合能必然大。所以我们用原子核平均每个核子的结合能来标志原子核结合的松紧程度，称比结合能

。17.1原子核的基本性质比结合能随质量数的分布曲线重核裂变：重核分裂为中等核，释放能量。

轻核聚变：轻核聚合为较重核，释放能量。获得原子能的途径：17.1原子核的基本性质1.6核模型集体模型综合前两者，认为核子既有独立运动，原子核整体又存在转动、振动等集体运动。成功解释了变形核的转动和振动能级等复杂现象。壳模型核子在平均势场中独立运动，形成壳层结构，完美诠释了“幻数”的存在。精准预言和解释大多数原子核基态的自旋与宇称。液滴模型将原子核比作带电的、不可压缩的液滴，通过流体力学分析其性质。解释核力饱和性、核裂变及结合能计算。17.2原子核的放射性衰变17.2

原子核的放射性衰变2.1放射性现象原子核衰变：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，这种变化叫放射性衰变。三种衰变:α衰变、β衰变、γ衰变1)α衰变是原子核自发放射出α粒子(即氮核)17.2

原子核的放射性衰变2)

β衰变是原子核自发地放射出粒子或俘获一个轨道电子而发生的转变。衰变衰变轨道电子俘获3)γ衰变原子核放出光子的过程。17.2

原子核的放射性衰变三种射线的特性α射线：氦核流，电离作用强，穿透能力最弱。β射线：高速电子流，电离较弱，穿透力较强。γ射线：高能光子流，不带电，穿透能力极强。17.2

原子核的放射性衰变2.2原子核的放射性衰变规律放射系连续衰变次数A满足的关系式分类钍系10A=4n天然铀系14A=4n+2天然锕系11A=4n+3天然镎系13A=4n+1人工17.2

原子核的放射性衰变指数衰变规律在t到t+dt时间间隔内发生衰变的原子核数-dN与t时刻未衰变的原子核数N（母核数）成正比，与时间dt成正比，为积分后

N0是t=0时的原子核数目，

为衰变常数：单位时间内原子核发生衰变的概率17.2

原子核的放射性衰变半衰期T:是指放射性同位素的母核数目由于衰变减少到原有的一半所经历的时间。即

时，

,

平均寿命τ：是指放射性原子核平均生存的时间半衰期和平均寿命在t到t+dt时间间隔内有-dN个核发生衰变，若这些核的寿命为t,它们的总寿命为17.2

原子核的放射性衰变总寿命在0到

所有核素的总寿命为则任一核素的平均寿命平均寿命和衰变常数互为倒数17.2

原子核的放射性衰变是指一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数

放射性强(活)度At=0时的放射性活度单位是贝可,1Bq=1次核衰变/秒如果半衰期长，样品会保持大部分放射性；相反半衰期短，样品就会很快失去放射性。17.3核裂变与核聚变17.3

原子核的放射性衰变3.1核反应

利用快速的入射粒子(如质子、中子、电子、α粒子或光子等)与原子核(目标核)作用，使核的结构发生变化，形成新核(残留核)，并放出一个或几个粒子的过程就是核反应。核反应的公式中，总电荷(即总z)和总核子数(即总A)左边的和必须等于右边的和.另外，反应中的总质量和相应的总能量、动量、角动量等均服从守恒定律。17.3

原子核的放射性衰变几个著名的核反应(3)第一个人工放射性核素(1)a粒子轰击氮(2)质子轰击锂核(4)中子的核反应17.3

原子核的放射性衰变原子核的聚变：是指一个重核分裂为两个质量相差不多的中等核的现象。裂变所释放的大量能量为人类提供了一个重要的新能源，这就核能。一个

原子核裂变时放出的能量约200MeV。在裂变过程中，不仅释放出大量的能量且伴随着中子的发射，这些中子可以诱导另一次裂变过程，导致更多的中子辐射出来，接着又可以诱导新的裂变过程，形成链式反应。应用：原子弹（不可控）、核电站（可控链式反应）。3.2核聚变17.3

原子核的放射性衰变原子核裂变：两个轻核聚合成为一个稍重原子核的过程。四个常见的重要轻核裂变反应以上四式反应的总效果为1升海水所含的氘的聚变能相当于400升石油燃烧时所产生的能量应用：氢弹（不可控）、托卡马克（探索可控聚变）。3.3核裂变17.4粒子物理简介17.4

粒子物理简介4.1基本粒子的重要发现1932正电子(e⁺)|安德孙发现实验证实了狄拉克的理论预言，开启反物质研究。1936μ子(μ)|宇宙射线观测最初被误认为是汤川秀树预言的介子，后确认为轻子。1947π介子(π)|汤川理论证实在宇宙射线中被发现，证实了核力的介子交换理论。1956中微子(ν)|实验证实存在通过核反应堆实验直接探测到，完善了弱相互作用图景。1974J/ψ粒子|丁肇中/里希特独立发现，证实了“粲夸克(c)”的存在，获1976年诺奖。“十一月革命”里程碑J/ψ粒子的发现打破了当时粒子物理的沉寂，极大推动了对夸克模型的认知与发展。17.3

原子核的放射性衰变4.2粒子的分类分类自旋泡利不相容原理统计规律费米子（电子、质子、中子、各种重子）半整数1/2,3/2……服从费米-狄拉克统计分布玻色子（光子、π介子、K介子、η介子）整数0、1……不服从玻色-爱因斯坦统计分布按自旋分类17.3

原子核的放射性衰变按相互作用分类——规范玻色子（传递相互作用）按相互作用分类——轻子（参与弱或者电磁作用）17.3

原子核的放射性衰变按相互作用分类——夸克（参与强相互作用）分类粒子名称自旋介子π、η、K……整数玻色子核子质子、中子及反粒子1/2费米子超子及反粒子3/2费米子17.3

原子核的放射性衰变4.3四种基本相互作用弱电统一理论电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用。相互作用过程中，如果交换的是W+、W-和Z粒子，就是弱相互作用过程;如果交换的是光子，就是电磁相互作用过程。17.3

原子核的放射性衰变4.4强子结构的夸克模型夸克有六种“味道”，三种“颜色”，也就是说每味夸克可带红，蓝，绿三种颜色，夸克的种类一下子由原来的6种扩展到18种，再加上它们的反粒子，所以自然界总的夸克数是36。17.3

原子核的放射性衰变4.5对称性与守恒律物理规律在某种变换下的不变性（对称性），对应着某个物理量的守恒，这是现代物理学的核心思想之一。▎时空变换对称性能量守恒：对应时间平移不变性动量守恒：对应空间平移不变性角动量守恒：对应空间旋转不变性17.3

原子核的放射性衰变▎宇称守恒在强/电磁作用中成立，在弱相互作用中不守恒▎规范与统计守恒电荷守恒：对应电荷规范变换不变性重子数守恒：在所有相互作用中成立