第20章原子核物理和粒子物理簡(jiǎn)介第五版

1、*第二十章第二十章 原子核物理和粒子物理簡(jiǎn)原子核物理和粒子物理簡(jiǎn)介介20-1 原子核的基本性質(zhì)1.原子核的電荷和質(zhì)量原子核帶有正電荷，原子核中的電荷由質(zhì)子數(shù)Z決定，質(zhì)子數(shù)Z等于核外電子數(shù)，它決定了原子在周期表中的位置與次序，因此Z又稱為原子序數(shù)。原子核所帶電量是電子電量的整數(shù)倍： q=Ze(1)原子核的電荷盧瑟福12 1011u = 12 6.022 10kg27323= 1.6606 10原子核的電荷和質(zhì)量（2）原子核的質(zhì)量原子核的質(zhì)量等于原子的質(zhì)量減去核外電子的質(zhì)量，由于核外電子的質(zhì)量極小，原子核的質(zhì)量與原子的質(zhì)量相差極小。原子核的質(zhì)量等于質(zhì)子的質(zhì)量加中子的質(zhì)量。12量的1/12為一個(gè)原子

2、質(zhì)量單位（u）：表20-1幾種同位素的原子質(zhì)量原子核的電荷和質(zhì)量X原子核的電荷和質(zhì)量由表20-1可見，以“原子質(zhì)量單位 ”(u)計(jì)算原子的質(zhì)量時(shí)，原子質(zhì)量都接近于一個(gè)整數(shù)，這個(gè)整數(shù)稱為原子核的質(zhì)量數(shù)，或稱核子數(shù)，以A表示。原子核通常用質(zhì)量數(shù)(A)和電荷數(shù)(Z)來(lái)表示.若某化學(xué)元素符號(hào)用X來(lái)表示，則該原子核表示為：放射性同位素之分。放射性同位素： 自發(fā)地衰變?yōu)槠渌?，同時(shí)放出一高能粒子。居里居里夫人原子核的電荷和質(zhì)量核素： Z和 A都相同的原子核稱為某種核素。同位素：Z相同而A不同的原子核稱為同位素。同位素有穩(wěn)定同位素和R A R A3( R0 = 1.2 10 m = 1.2fm)2.原子核

3、的大小和形狀(1)原子核的大小原子核的半徑大約 10-1410-15 m , 是原子半徑的 10-4 10-5倍。實(shí)驗(yàn)指出，核的體積正比于質(zhì)量數(shù)A。若把原子核看作球體，則43R3 A3113R = R0 A1513fm為飛米，則上式可寫為：根據(jù)式(20-1)可以算得 C、 O、 Ag 和6 C : R8 O : R47 Ag : R92 U : R半徑分別為:12 16 1076 8 47U 核2389223810711216 1.2 2383= 7.4fm 1.2 10731= 5.7fm 1.2 1231 1.2 163= 2.7fm= 3.0fm1原子核的大小和形狀(2)原子核的形狀以上

4、我們假定原子核是球體。原子核是一個(gè)電荷系統(tǒng)，若原子核是球體，它所帶的電荷是均勻分布的。事實(shí)上，用精密光譜儀分析發(fā)現(xiàn)原子光譜中有來(lái)源于原子核電四極矩的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，說(shuō)明原子核的電荷分布大多應(yīng)為旋轉(zhuǎn)橢球體，而核物質(zhì)分布與電荷分布類似。一般橢球的長(zhǎng)軸與短軸之比不超過(guò)5/4，與球體偏離不大，所以可把這些原子近似地看作球體。但有16 2388 O168原子核的大小和形狀U3.2fm6.8fm8.9fmO1681689223892O 和 238U 核的形狀原子核的大小和形狀O Co0.10.20246781659Sb122Au197核子密度/fm3r fm核物質(zhì)的分布曲線原子核的大小和形狀 = = R (1

5、 .2 10 15 A m ) 3 (1.2 10 m) ( A )(1 .66 10 ) A (1 .2 10 ) A1343AuV 4 33m m343A (1.66 1027 kg )115 3 3=kg / m 34 153 27= 2 .3 10 17 kg / m 3為m、 R和原子核的大小和形狀例： 計(jì)算原子核物質(zhì)密度。解 : 設(shè)原子核的質(zhì)量、半徑和密度分別由上式可知：( a)各種原子核應(yīng)有相同的核物質(zhì)密度。(b)原子核密度數(shù)值是極其巨大的，與 “中子星”的密度相當(dāng)。像一個(gè)乒乓球那么大的核物質(zhì)，其重量約為20億噸。原子核的大小和形狀3.原子核的組成質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，原子核個(gè)中

6、子構(gòu)成。由Z個(gè)質(zhì)子和 A Z(1) 原子核的組成之一：質(zhì)子m p = 1.007277u生一個(gè)氧核和一個(gè)氫核。這說(shuō)明氮核中確定存在有氫核。于是斷定氫核是構(gòu)成其他原子核的帶電的基本粒子，并定名為質(zhì)子，用符號(hào)p表示。質(zhì)子的質(zhì)量為：1919年盧瑟福曾用 粒子轟擊氮核，結(jié)果產(chǎn)原子核的組成氫原子核有最小的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)，而其他原子核的 電荷恰好是氫核電荷的整數(shù)倍。那么，各種原子核是否由氫原子核組成？1930年玻特和貝克用 粒子轟擊鈹核時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一種不帶電的粒子射線放出來(lái)。這粒子后來(lái)命名為中子。中子是一種構(gòu)成其他原子核的不帶電的另一個(gè)基本粒子，用符號(hào)n表示，其質(zhì)量與質(zhì)子相近。m p = 1.008665u

7、從 AZ可見，一個(gè)含Z個(gè)質(zhì)子。X 的原子核并非僅包AZ原子核的組成(2) 原子核的組成之二：中子中子在原子核中是構(gòu)成核的穩(wěn)定粒子，但在核外并不穩(wěn)定，一個(gè)核外的自由中子的平均壽命約為15分鐘，它將衰變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)反中微子（ ），因此自由中子是有放射性的。e后來(lái)宇宙中還發(fā)現(xiàn)了大量由中子聚合而成的中子星。原子核的組成電，10 10在391/1014 15的線度范圍內(nèi)，斥力是很大的。中子又不帶電。不可能是電性力使質(zhì)子與中子聚集成原子核；是萬(wàn)有引力？更不是！萬(wàn)有引力太小，它僅是電磁力的。研究發(fā)現(xiàn)，是一種叫作核力的強(qiáng)相互作用力。4.核力和介子原子核由Z個(gè)質(zhì)子和 A Z 個(gè)中子構(gòu)成。是一種什么

8、力使質(zhì)子與質(zhì)子，質(zhì)子與中子，中子與中子緊緊地束縛在一起？是電磁力？不是！質(zhì)子帶正(d) 核力近似地與核子是否帶電無(wú)關(guān)。在質(zhì)子與質(zhì)子間、質(zhì)子與中子間、中子與中子間，核力的大小和特性都大致相同。核力和介子(c) 核力具有 “飽和”作用，即一個(gè)核子只能和它緊鄰的核子有核力相互作用，而不能與核內(nèi)較遠(yuǎn)的核子有核力相互作用。fm(約2fm)之內(nèi)，核力才顯示出來(lái)。( a) 核力比電磁力強(qiáng)100多倍，是強(qiáng)相互作用力。(b) 核力是短程力。只有核子間的距離為幾個(gè)(1) 核力的性質(zhì) ) )-0中性(帶負(fù)電(核力和介子(2) 核力的 介子理論1935年日本物理學(xué)家湯川秀樹受到庫(kù)侖力的作用是由電荷交換光子而產(chǎn)生的啟發(fā)

9、，提出了核力的 介子 ，并于1947年得到證實(shí)（質(zhì)量是電子的270倍）。湯川秀樹因此獲得1949年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。核子間的相互作用是一個(gè)核子放出一個(gè) 介子，然后被另一個(gè)核子吸收而形成的，所以核力是一種交換力。+ 介子:質(zhì)子放出 介子，介子：中子放出介0 0( a) 質(zhì)子與質(zhì)子間交換同時(shí)被另一質(zhì)子吸收，每一核子的電荷不變；00(b) 中子與中子間交換子，同時(shí)被另一中子吸收，每一核子的電荷不變；核力和介子核子交換介子有以下幾種形式(d)中子與質(zhì)子間交換介子被質(zhì)子吸收，同時(shí)中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子。 -介子：中子放出一個(gè) -(c)質(zhì)子與中子間交換 +介子：質(zhì)子放出一個(gè) +介子被中子吸收，同時(shí)

10、質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子，中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子；核力和介子質(zhì)子與質(zhì)子間和中子與中子間的相互作用示意圖nnnn 0ppppp0核力和介子pnnp-中子與質(zhì)子間的相互作用ppnn +核力和介子 j = 1、3 .( A = 2k + 1）5.核的自旋角動(dòng)量與磁矩(1)核的自旋角動(dòng)量質(zhì)子和中子的自旋量子數(shù)都是1/2，因此都服從費(fèi)米 狄拉克統(tǒng)計(jì)規(guī)律，其自旋角動(dòng)量為：12j =L = j ( j + 1)h核的自旋角動(dòng)量也是：1L =j( j + 1)h 2 2 j = 0、.( A = 2k ) p = = 5.05 10= 2.79 pM p = 2.79eh2m pM n = 1.91= 1.91 peh2m p

11、127J Teh2m p核的自旋角動(dòng)量與磁矩(2) 核子的磁矩質(zhì)子的磁矩：中子的磁矩：是核磁矩的單位，稱為核磁子。 p其中，表20-2 原子核的自旋量子數(shù)和磁矩核的自旋角動(dòng)量與磁矩6.核磁共振由于每個(gè)原子核都有自旋和磁矩，當(dāng)有恒定外磁場(chǎng)B作用時(shí)，原子核在磁場(chǎng)中產(chǎn)生旋進(jìn)。如果此時(shí)在去后，磁矩又把這部分能量以輻射的形式釋放出來(lái)，產(chǎn)生共振發(fā)射。這一共振吸收和共振發(fā)射過(guò)程就稱為核磁共振。B的頻率在射頻范圍。當(dāng)交變磁場(chǎng) B的頻率與原子的旋進(jìn)率相等時(shí)，產(chǎn)生共振吸收；當(dāng)射頻交變磁場(chǎng) B撤穩(wěn)恒磁場(chǎng) B 的垂直方向再加一交變磁場(chǎng) B，交變磁場(chǎng)氫核在外磁場(chǎng)中的能級(jí)MpMpE2 E = 2 M p BE1核磁共振核

12、磁矩在磁場(chǎng) B中受到作用，具有能量 E，而該能量是量子化的:E = M p BB于射頻輻射電磁波(其頻率為)的能量:hv = E2 E1 = M p B (M p B) = 2M p B核磁共振首先用于精確測(cè)量核磁矩，1945年布洛克和泊塞爾分別用核磁共振方法測(cè)量了核磁矩，他們因此共同獲得1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。核磁共振若用射頻電磁波照射，核磁矩吸收的能量等吸收功率BPCH3CH2OH乙醇（C2H5OH)核磁共振譜核磁共振核磁共振的應(yīng)用之一：研究分子的結(jié)構(gòu)。20-2 原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能 裂變和聚變裂變和聚變 原子核既然是由質(zhì)子和中子組成的，它的質(zhì)量就原子核既然是由質(zhì)子和中子組成的，

13、它的質(zhì)量就應(yīng)等于所有質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和：應(yīng)等于所有質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和： 1.1.原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能 根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系，可得原子核的結(jié)合能：根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系，可得原子核的結(jié)合能：mx=Zmp+(A-Z)mn 但實(shí)驗(yàn)測(cè)定的原子質(zhì)量但實(shí)驗(yàn)測(cè)定的原子質(zhì)量mx總是小于所有核子質(zhì)量總是小于所有核子質(zhì)量之和，這一差值稱為原子核的質(zhì)量虧損：之和，這一差值稱為原子核的質(zhì)量虧損： m=Zmp+(A-Z)mn-mX 質(zhì)子和中子組成核的過(guò)程中，有能量質(zhì)子和中子組成核的過(guò)程中，有能量 E E釋放出來(lái)。反之，要使原子核再分解為釋放出來(lái)。反之，要使原子核再分解為單個(gè)的質(zhì)子和中子就必須吸收單個(gè)的質(zhì)子和中

14、子就必須吸收 E E的能量。的能量。 氘核吸收氘核吸收 E E能量后分解為質(zhì)子和中子能量后分解為質(zhì)子和中子 E氘氘質(zhì)子質(zhì)子中子中子 E=(E=( m)cm)c2 2=Zm=Zmp p+(A-Z)m+(A-Z)mn n-m-mX Xcc2 2原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能愛因斯坦愛因斯坦原子結(jié)合能的計(jì)算原子結(jié)合能的計(jì)算一原子質(zhì)量單位一原子質(zhì)量單位kgu2710660552. 11=具有能量具有能量JcuE102104944968. 11=MeV10340605. 92=質(zhì)子質(zhì)量質(zhì)子質(zhì)量ump007277.1=中子質(zhì)量中子質(zhì)量umn008665.1=核子平均結(jié)合能核子平均結(jié)合能AcmmZAZmEnp

15、/)(2+=原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能例：例：Fe5626umAZE922.555626=核子平均結(jié)合能核子平均結(jié)合能56/)922.55008665. 130007277. 126(2uc+=2009411.0uc=MeV79. 8=原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能表表20-3 20-3 原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能核子的核子的比結(jié)合能比結(jié)合能 (MeV(MeV)原子核的結(jié)合原子核的結(jié)合能能 E(MeV)E(MeV)核核H21H31He32He4223. 211. 147. 883. 23 .2807. 772. 757. 2核子的核子的比結(jié)合能比結(jié)合能 (MeV(MeV)原子核的結(jié)原子核的結(jié)

16、能能 E(MeV)E(MeV)核核C126O168Cu6329U238922 .9268. 75 .12797. 755275. 8180358. 7原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能核子的比結(jié)合能越大，原子核就愈穩(wěn)定。核子的比結(jié)合能越大，原子核就愈穩(wěn)定。Amc2AE= 原子核的結(jié)合能非常大，所以一般原子原子核的結(jié)合能非常大，所以一般原子核都是非常穩(wěn)定的系統(tǒng)。然而，不同原子核核都是非常穩(wěn)定的系統(tǒng)。然而，不同原子核的穩(wěn)定程度不同。的穩(wěn)定程度不同。每個(gè)核子的平均結(jié)合能稱為比結(jié)合能：每個(gè)核子的平均結(jié)合能稱為比結(jié)合能：原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能a. .中等質(zhì)量原子核的核子平均結(jié)合能較大中等質(zhì)量原子核的核子

17、平均結(jié)合能較大Fe56268.79MeVAs75338.47MeVCu63298.75MeVb.b.輕核和重核的核子平均結(jié)合能都較小輕核和重核的核子平均結(jié)合能都較小H312.83MeVU238927.5MeVPu239947.56MeV原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能a. .最輕和最重的核最輕和最重的核的比結(jié)合能較小。的比結(jié)合能較小。b.b.大多數(shù)中等質(zhì)量大多數(shù)中等質(zhì)量的核，比結(jié)合能較的核，比結(jié)合能較大且近似相等大且近似相等( (都都在在8MeV8MeV左右左右) )。這。這說(shuō)明中等質(zhì)量的核說(shuō)明中等質(zhì)量的核最穩(wěn)定。最穩(wěn)定。比結(jié)合能曲線01234567890204060801001201401601

18、80200220240質(zhì)量數(shù)A比結(jié)合能（MeV/核子）U23392Pt19573Kr8223He42Li63H21原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能第二種方法是輕核聚變。第二種方法是輕核聚變。 因此，要利用原子核的結(jié)合能，必須從自然因此，要利用原子核的結(jié)合能，必須從自然界中存在的原子核來(lái)考慮。界中存在的原子核來(lái)考慮。方法有二：方法有二：第一種方法是重核裂變；第一種方法是重核裂變； 要利用核能，理論上是把自由狀態(tài)的要利用核能，理論上是把自由狀態(tài)的Z Z個(gè)質(zhì)子個(gè)質(zhì)子和和(A-Z)(A-Z)中子結(jié)合起來(lái)組成中等質(zhì)量的核，這樣中子結(jié)合起來(lái)組成中等質(zhì)量的核，這樣放出的結(jié)合能最多。但實(shí)際上，用質(zhì)子和中子直放出的

19、結(jié)合能最多。但實(shí)際上，用質(zhì)子和中子直接組成中等核是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)樽杂芍凶硬灰椎媒咏M成中等核是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)樽杂芍凶硬灰椎玫?，即便得到了一些，自由中子的半衰期也較短。到，即便得到了一些，自由中子的半衰期也較短。原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能2.2.重核的裂變重核的裂變裂裂 變變?cè)訌棻ㄔ訌棻蚜炎冏儺a(chǎn)產(chǎn)物物百百分分?jǐn)?shù)數(shù)裂變的產(chǎn)物分布曲線裂變的產(chǎn)物分布曲線重核的裂變重核的裂變質(zhì)量較大的原子核（重核）在一定條件上質(zhì)量較大的原子核（重核）在一定條件上分裂為兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的原子核。分裂為兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的原子核。 裂變：裂變：MeV200n3KrBanU109236141561023592+M

20、eV200n2SrXenU109538139541023592+重核的裂變重核的裂變 裂變后形成的中等質(zhì)量的核具有過(guò)多的中子，由裂變后形成的中等質(zhì)量的核具有過(guò)多的中子，由于中子具有放射性，所以這些中等質(zhì)量的核是不穩(wěn)定于中子具有放射性，所以這些中等質(zhì)量的核是不穩(wěn)定的。它們通過(guò)一系列的的。它們通過(guò)一系列的 衰變，放射性的中等質(zhì)量的衰變，放射性的中等質(zhì)量的核才轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定核。核才轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定核。nn1094381405410235922SrXeU+eCsXe01 -1405514054+:Xe14054 用能量為用能量為1eV1eV以下的慢中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核會(huì)以下的慢中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核會(huì)分裂為兩個(gè)質(zhì)

21、量相近的中等質(zhì)量的核，同時(shí)放出一至分裂為兩個(gè)質(zhì)量相近的中等質(zhì)量的核，同時(shí)放出一至三個(gè)快速中子。這種重核分裂為中等質(zhì)量核的過(guò)程稱三個(gè)快速中子。這種重核分裂為中等質(zhì)量核的過(guò)程稱為重核的裂變。為重核的裂變。重核的裂變重核的裂變eBaCs01-14056+14055eLaBa01-14057+14056e)Ce(La01-14058+穩(wěn)定14057:Sr9438eYSr01-9439+9438e)Zr(Y01-9440+穩(wěn)定9439重核的裂變重核的裂變 受控?zé)岷朔磻?yīng)：受控?zé)岷朔磻?yīng)：如果在受控條件下，每次裂變?nèi)绻谑芸貤l件下，每次裂變平均只有一個(gè)中子引起新的裂變，維持穩(wěn)定的鏈?zhǔn)狡骄挥幸粋€(gè)中子引起新的裂

22、變，維持穩(wěn)定的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這就是核反應(yīng)堆中的情況。反應(yīng)，這就是核反應(yīng)堆中的情況。 原子彈：原子彈： 鈾核裂變時(shí)放出巨大的能量，同時(shí)鈾核裂變時(shí)放出巨大的能量，同時(shí)能放出多于二個(gè)中子，若分裂時(shí)放出的中子全部被能放出多于二個(gè)中子，若分裂時(shí)放出的中子全部被別的鈾核吸收，又引起新的裂變，這樣，裂變的數(shù)別的鈾核吸收，又引起新的裂變，這樣，裂變的數(shù)目將按指數(shù)規(guī)律增大，結(jié)果形成一發(fā)散的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，目將按指數(shù)規(guī)律增大，結(jié)果形成一發(fā)散的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這就是原子彈中發(fā)生的情況。這就是原子彈中發(fā)生的情況。重核的裂變重核的裂變?cè)訌棧涸訌棧豪免?、钚原子核的自持核裂變鏈?zhǔn)椒蠢免櫋㈩性雍说淖猿趾肆炎冩準(zhǔn)椒磻?yīng)原理制成的武器應(yīng)

23、原理制成的武器自持核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)自持核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：不需外界干預(yù)，自身可持續(xù)：不需外界干預(yù)，自身可持續(xù)進(jìn)行的核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。進(jìn)行的核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。重核的裂變重核的裂變重核的裂變重核的裂變?cè)訌棻ㄔ訌棻_擊波沖擊波光輻射光輻射核電磁脈沖核電磁脈沖重核的裂變重核的裂變?cè)缙诤溯椛湓缙诤溯椛浞派湫哉慈痉派湫哉慈?.3.氫核的聚變氫核的聚變氫彈爆炸氫彈爆炸托克馬克裝置托克馬克裝置兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核（輕核）在一定條件兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核（輕核）在一定條件上聚合為質(zhì)量較大的原子核。上聚合為質(zhì)量較大的原子核。聚變：聚變：MeV4.22He2HLi422163+MeV25.3nHeHH10322121+

24、MeV6.17nHeHH10422131+MeV3.17He2HLi421173+3.3.氫核的聚變氫核的聚變上述反應(yīng)都需要超高溫條件，稱為熱核反應(yīng)。上述反應(yīng)都需要超高溫條件，稱為熱核反應(yīng)。 從上式可知，電勢(shì)能隨著原子序數(shù)的增從上式可知，電勢(shì)能隨著原子序數(shù)的增大而增大，對(duì)原子序數(shù)大的重核，電勢(shì)能大大而增大，對(duì)原子序數(shù)大的重核，電勢(shì)能大而不易被克服；僅對(duì)于原子序數(shù)小的輕核才而不易被克服；僅對(duì)于原子序數(shù)小的輕核才能發(fā)生核聚變。能發(fā)生核聚變。)(4)(21021RReZeZEp+=21ZZpE 兩個(gè)原子核互相接近產(chǎn)生聚變反應(yīng)時(shí)，兩個(gè)原子核互相接近產(chǎn)生聚變反應(yīng)時(shí)，由于原子核間存在很大的庫(kù)侖斥力，原子核

25、由于原子核間存在很大的庫(kù)侖斥力，原子核碰撞動(dòng)能必須克服兩原子核間的電勢(shì)能碰撞動(dòng)能必須克服兩原子核間的電勢(shì)能 。氫核的聚變氫核的聚變+e42126157157158158147147136136137137126HCpeNOONpNCpeCNNCpN 最重要的聚變過(guò)程之一是最重要的聚變過(guò)程之一是碳氮循環(huán)碳氮循環(huán)，其，其循環(huán)結(jié)果是把四個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)氮核：循環(huán)結(jié)果是把四個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)氮核：這個(gè)過(guò)程中釋放的能量約為這個(gè)過(guò)程中釋放的能量約為26.7MeV26.7MeV氫核的聚變氫核的聚變氫彈氫彈：利用氘、氚（氫的利用氘、氚（氫的同位素）等輕原子核的聚同位素）等輕原子核的聚變反應(yīng)原理制成的核武器變反應(yīng)

26、原理制成的核武器通常稱為氫彈。通常稱為氫彈。4.8MeVHeHnLi42311063+17.6MeVnHeHH10423121+氫彈反應(yīng)式氫彈反應(yīng)式氫核的聚變氫核的聚變 20-3 原子核的放射性衰變?cè)雍说姆派湫运プ?1.1.放射性衰變放射性衰變 如：如： 重原子核的裂變和輕重原子核的裂變和輕原子核的聚變都是在一定原子核的聚變都是在一定條件下完成的。事實(shí)上絕條件下完成的。事實(shí)上絕大多數(shù)原子核的同位素不大多數(shù)原子核的同位素不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)地衰變?yōu)榱矸€(wěn)定，會(huì)自發(fā)地衰變?yōu)榱硪环N同位素，同時(shí)放射出一種同位素，同時(shí)放射出各種射線。各種射線。HeYX422A2ZAZ+HeRnRa422228622688+

27、（1 1） 衰變：衰變：自發(fā)放出氦核。自發(fā)放出氦核。 居里居里居里夫人居里夫人RU(r)庫(kù)侖勢(shì)庫(kù)侖勢(shì) 核勢(shì)核勢(shì)粒子受到的勢(shì)壘粒子受到的勢(shì)壘原子核的放射性衰變?cè)雍说姆派湫运プ?- -衰變：衰變： + +衰變：衰變：電子俘獲：電子俘獲：放出電子、反中微子放出電子、反中微子放出正電子、中微子放出正電子、中微子一個(gè)質(zhì)子變?yōu)橹凶?，放出中微子一個(gè)質(zhì)子變?yōu)橹凶?，放出中微子e+eNC01147146e+eTiV0150225023e+TieV5022015023+eA1Z01AZe01A1ZAZe01A1ZAZYeXeYXeYX電子俘獲：衰變：衰變：衰變：（2）原子核的放射性衰變?cè)雍说姆派湫运プ?MeVC

28、o60272.50MeV1.33MeVNi6028（3 3） 衰變：衰變：處于激發(fā)態(tài)的原子核不穩(wěn)定，處于激發(fā)態(tài)的原子核不穩(wěn)定，要向低能態(tài)躍遷，放出要向低能態(tài)躍遷，放出 光子。光子。 當(dāng)原子核發(fā)生當(dāng)原子核發(fā)生 衰變時(shí)，往往衰衰變時(shí)，往往衰變到另一原子核的激發(fā)態(tài)。變到另一原子核的激發(fā)態(tài)。、原子核的放射性衰變?cè)雍说姆派湫运プ?.2.放射性衰變定律放射性衰變定律 (2) (2) 半衰期半衰期T T1/21/2：=693. 02lnTeN2NN21T0021(1) (1) 原子核的衰變服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律：原子核的衰變服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律： 設(shè)在設(shè)在t t+dt 時(shí)間內(nèi)有時(shí)間內(nèi)有dN個(gè)原子核發(fā)生個(gè)原子核發(fā)

29、生衰變，衰變，dN與當(dāng)時(shí)存在的原子核數(shù)與當(dāng)時(shí)存在的原子核數(shù)N成正比，與成正比，與時(shí)間時(shí)間dt成正比。成正比。- -dN= Ndt ( (負(fù)號(hào)表示原子核數(shù)目在減小負(fù)號(hào)表示原子核數(shù)目在減小) )tN=N0e ( (N0為為t=0時(shí)刻時(shí)刻原子核的數(shù)目）原子核的數(shù)目）表表20-4 20-4 幾種放射性同位素的半衰期幾種放射性同位素的半衰期半衰期半衰期衰變衰變同位素同位素CaKPCH42204219321512631a4 .12a5568d3 .14h4 .12d164半衰期半衰期衰變衰變同位素同位素UUPoCeCo238922359221284142586027a27. 5a10515s1037a10

30、13. 78a1051. 49原子核的放射性衰變規(guī)律原子核的放射性衰變規(guī)律N/N0t1.00.50.25T 2T放射性原子核的指數(shù)衰變規(guī)律放射性原子核的指數(shù)衰變規(guī)律原子核的放射性衰變規(guī)律原子核的放射性衰變規(guī)律3.3.放射性強(qiáng)度放射性強(qiáng)度 第一種定義：第一種定義： Ra2268810107 . 3 1 1克克 在在1s1s內(nèi)的放射性核衰變次數(shù)為內(nèi)的放射性核衰變次數(shù)為 次，為紀(jì)念居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素鐳，次，為紀(jì)念居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素鐳， 就定就定義某一物質(zhì)每秒有義某一物質(zhì)每秒有 次核衰變時(shí)，就定義次核衰變時(shí)，就定義該物質(zhì)的放性強(qiáng)度為該物質(zhì)的放性強(qiáng)度為1 1居里居里(Ci)。10107 . 3

31、(2) (2) 第二種定義：第二種定義： 單位時(shí)間內(nèi)衰變一個(gè)核的放射性強(qiáng)度為單位時(shí)間內(nèi)衰變一個(gè)核的放射性強(qiáng)度為1貝貝克勒爾克勒爾(Bq)。Bq107 . 3Ci110= 20-4 粒子物理簡(jiǎn)介粒子物理簡(jiǎn)介例如：質(zhì)子、中子、電子和它們的反粒子及例如：質(zhì)子、中子、電子和它們的反粒子及 子、子、 介子、介子、K介子等。到目前為止，介子等。到目前為止， 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了400400多種基本粒子多種基本粒子( (包括共振包括共振 態(tài)粒子態(tài)粒子) )?；玖Ｗ樱夯玖Ｗ樱簶?gòu)成物質(zhì)世界的基本單元。構(gòu)成物質(zhì)世界的基本單元。1. 1. 反粒子和奇異粒子反粒子和奇異粒子（1 1）反粒子）反粒子 正粒子和反粒子

32、有相同的質(zhì)量、自旋、壽命，正粒子和反粒子有相同的質(zhì)量、自旋、壽命，電荷等值反號(hào)，磁矩方向相反。從理論上說(shuō)，還應(yīng)電荷等值反號(hào)，磁矩方向相反。從理論上說(shuō)，還應(yīng)該有這些反粒子組成的反原子核、反原子、反物質(zhì)、該有這些反粒子組成的反原子核、反原子、反物質(zhì)、反星體等。反星體等。 1932 1932年安德遜在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子年安德遜在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子, ,從從19551955年起陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子、反中子、反介子、年起陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子、反中子、反介子、反超子。反超子。反粒子和奇異粒子反粒子和奇異粒子質(zhì)子和反質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)軌跡質(zhì)子和反質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)軌跡+2cmo2cmo產(chǎn)生產(chǎn)生湮沒湮沒0光子光子兩個(gè)兩個(gè)空位

33、空位空位空位自由電子的能量區(qū)域自由電子的能量區(qū)域電子偶的產(chǎn)生和湮沒電子偶的產(chǎn)生和湮沒反粒子和奇異粒子反粒子和奇異粒子（2 2）奇異粒子）奇異粒子 在二十世紀(jì)在二十世紀(jì)5050年代又在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了與年代又在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了與基本粒子不同的具有以下奇怪性質(zhì)的奇異粒子。基本粒子不同的具有以下奇怪性質(zhì)的奇異粒子。（如：（如：K介子、介子、 超子、超子、 超子、超子、 超子和超子和 超子）超子）b. b. 奇異粒子總是成對(duì)地產(chǎn)生。奇異粒子總是成對(duì)地產(chǎn)生。a. 奇異粒子產(chǎn)生過(guò)程非?？?，而衰變過(guò)程卻奇異粒子產(chǎn)生過(guò)程非?？?，而衰變過(guò)程卻又非常慢。又非常慢。反粒子和奇異粒子反粒子和奇異粒子 我們用質(zhì)量、電荷

34、、自旋、磁矩我們用質(zhì)量、電荷、自旋、磁矩等性質(zhì)表示基本粒子，又加入了等性質(zhì)表示基本粒子，又加入了“奇奇異數(shù)異數(shù)”這個(gè)量子數(shù)，來(lái)反映基本粒子這個(gè)量子數(shù)，來(lái)反映基本粒子的奇異現(xiàn)象。對(duì)于非奇異粒子，奇異的奇異現(xiàn)象。對(duì)于非奇異粒子，奇異數(shù)為零；對(duì)于奇異粒子，奇異數(shù)不為數(shù)為零；對(duì)于奇異粒子，奇異數(shù)不為零。零。反粒子和奇異粒子反粒子和奇異粒子（1 1）重子類）重子類 這類粒子質(zhì)量較大，包括核子和超子（因質(zhì)量這類粒子質(zhì)量較大，包括核子和超子（因質(zhì)量超過(guò)核子，故稱為超子）。超過(guò)核子，故稱為超子）。（2 2）輕子類）輕子類 這類粒子質(zhì)量較小，包括電子、這類粒子質(zhì)量較小，包括電子、 介子、介子、 介子介子及其相應(yīng)

35、的中微子。及其相應(yīng)的中微子。 （3 3）介子類）介子類 質(zhì)量介于重子和輕子之間的粒子稱為介子。包質(zhì)量介于重子和輕子之間的粒子稱為介子。包括括K K介子、介子、 介子、介子、 介子。介子。（4 4）光子類）光子類 只有光子一種，其靜止質(zhì)量為零。只有光子一種，其靜止質(zhì)量為零。2. 2. 基本粒子的分類基本粒子的分類 按質(zhì)量分為四類：按質(zhì)量分為四類： 自旋是自旋是 的半整數(shù)倍的基本粒子稱為的半整數(shù)倍的基本粒子稱為費(fèi)米子。包括重子和輕子。輕子、核子的自費(fèi)米子。包括重子和輕子。輕子、核子的自旋為旋為1/21/2，超子的自旋為，超子的自旋為1/21/2、3/2 3/2 。h.（1 1）玻色子）玻色子（2

36、2）費(fèi)米子）費(fèi)米子h 自旋是自旋是 的整數(shù)倍的基本粒子稱為玻的整數(shù)倍的基本粒子稱為玻色子。包括光子類和介子類。光子的自旋為色子。包括光子類和介子類。光子的自旋為1 1， 介子的自旋為介子的自旋為0 0。按自旋分為兩類按自旋分為兩類：基本粒子的分類基本粒子的分類 由于介子和重子參加強(qiáng)相互作用又統(tǒng)稱由于介子和重子參加強(qiáng)相互作用又統(tǒng)稱為強(qiáng)子。為強(qiáng)子。 19741974年丁肇中等發(fā)現(xiàn)了年丁肇中等發(fā)現(xiàn)了J/ J/ 粒子，粒子，J/ J/ 粒粒子也是一種介子。子也是一種介子。 丁肇中丁肇中基本粒子的分類基本粒子的分類3. 3. 基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用 宇宙間的一切物質(zhì)的相互作用歸結(jié)為以下四種

37、。宇宙間的一切物質(zhì)的相互作用歸結(jié)為以下四種。（1 1） 強(qiáng)相互作用強(qiáng)相互作用 強(qiáng)相互作用是一種原子核結(jié)合在一起的力，強(qiáng)相互作用是一種原子核結(jié)合在一起的力，它的作用范圍為它的作用范圍為 m 以下，故稱短程力；作以下，故稱短程力；作用時(shí)間極短，約為用時(shí)間極短，約為 s,s,這種相互作用強(qiáng)度大，這種相互作用強(qiáng)度大，比電磁作用強(qiáng)得多，故稱強(qiáng)作用。強(qiáng)相互作用比電磁作用強(qiáng)得多，故稱強(qiáng)作用。強(qiáng)相互作用只存在于重子和介子之間。只存在于重子和介子之間。 15102310（2 2）弱相互作用）弱相互作用 弱相互作用范圍在弱相互作用范圍在1010-17-17m以下，通常也稱短以下，通常也稱短程力。弱相互作用的強(qiáng)度比

38、強(qiáng)相互作用弱得多，程力。弱相互作用的強(qiáng)度比強(qiáng)相互作用弱得多，作用時(shí)間慢得多。參與弱相互作用的粒子：一切作用時(shí)間慢得多。參與弱相互作用的粒子：一切強(qiáng)子和輕子。強(qiáng)子和輕子?；玖Ｗ拥南嗷プ饔没玖Ｗ拥南嗷プ饔酶窭じ窭夭駵夭袼_拉姆薩拉姆（3 3）電磁相互作用）電磁相互作用 一切具有電荷或磁矩的全部粒子包括強(qiáng)一切具有電荷或磁矩的全部粒子包括強(qiáng)子和輕子都參與電磁相互作用。電磁相互作子和輕子都參與電磁相互作用。電磁相互作用通過(guò)電磁場(chǎng)交換光子來(lái)實(shí)現(xiàn)。一些基本粒用通過(guò)電磁場(chǎng)交換光子來(lái)實(shí)現(xiàn)。一些基本粒子通過(guò)電磁相互作用發(fā)生衰變。電磁相互作子通過(guò)電磁相互作用發(fā)生衰變。電磁相互作用的強(qiáng)度比強(qiáng)相互作用弱，電

39、磁力的大小與用的強(qiáng)度比強(qiáng)相互作用弱，電磁力的大小與物體間距離的平方成反比。物體間距離的平方成反比?；玖Ｗ拥南嗷プ饔没玖Ｗ拥南嗷プ饔?29221/kgmN109krQQkF= （4 4）萬(wàn)有引力相互作用）萬(wàn)有引力相互作用 所有粒子都參與萬(wàn)有引力相互作用，其強(qiáng)所有粒子都參與萬(wàn)有引力相互作用，其強(qiáng)度比弱作用還小，與物體間距離的平方成反比。度比弱作用還小，與物體間距離的平方成反比。傳遞引力的粒子稱為引力子。傳遞引力的粒子稱為引力子。2211221/kgmN1067. 6GrmmGF=基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用表表20-5 20-5 四種相互作用的比較四種相互作用的比較天體之間天體之間 衰變衰變?cè)咏Y(jié)合原子結(jié)合核力核力舉例舉例引力子引力子中間玻色子中間玻色子光子光子 介子介子傳遞子傳遞子一切物體一切物體強(qiáng)子、輕子強(qiáng)子、輕子強(qiáng)子、輕子強(qiáng)子、輕子 強(qiáng)子強(qiáng)子被作用粒子被作用粒子作用時(shí)間作用時(shí)間(s)(s) 作用范圍作用范圍(m)(m)1相對(duì)強(qiáng)度相對(duì)強(qiáng)度引力作用引力作用弱作用弱作用電磁作用電磁作用強(qiáng)作用強(qiáng)作用名稱名稱21012103910151023101620101010101710基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用 1964 1964年蓋爾曼等人提出強(qiáng)子由夸克組成。年蓋爾曼等人提出強(qiáng)子由夸克組成。他認(rèn)為所有