原子核物理和粒子物理簡介課件

原子核物理和粒子物理簡介第十七章原子核物理和粒子物理簡介第十七章1物質(zhì)的基本單元原子質(zhì)子、中子、電子夸克物質(zhì)的基本單元原子質(zhì)子、中子、電子夸克217-1原子核的基本性質(zhì)一、原子核的質(zhì)子—中子模型原子核由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子（P）：中子（n）：原子核符號核子17-1原子核的基本性質(zhì)一、原子核的質(zhì)子—中子模型原子核3具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子核稱為同位素。質(zhì)子、電子和中子符號原子核的體積總是正比于它的質(zhì)量數(shù)在一切原子核中，核物質(zhì)的密度是一個常數(shù)。具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子核稱為同位素。質(zhì)子、電子和4二、核自旋和磁矩原子核有自旋，自旋角動量為核自旋可以是整數(shù)，也可以是半整數(shù)。1.質(zhì)子和中子的自旋2.原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是偶數(shù)時，自旋為零。3.原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是奇數(shù)時，自旋為非零整數(shù)。4.原子核的核子數(shù)是奇數(shù)時，自旋為1/2的奇數(shù)倍。核自旋的確定：二、核自旋和磁矩原子核有自旋，自旋角動量為核自旋可以是整數(shù)，5原子核有磁矩，以核磁子為單位。質(zhì)子的磁矩說明：中子的自旋角動量與磁矩方向相反。中子內(nèi)部有一定的正負(fù)電荷分布，但正負(fù)電量相等，因此不顯電性。中子的磁矩原子核有磁矩，以核磁子為單位。質(zhì)子的磁矩說明：中子的磁矩6原子核磁矩與核自旋角動量的關(guān)系原子核磁矩在某一特殊方向的投影投影最大值原子核磁矩與核自旋角動量的關(guān)系原子核磁矩在某一特殊方向的投影7“核磁共振”測定核磁矩原子核在磁場中有2I+1個可能的能量當(dāng)調(diào)節(jié)磁鐵的勵磁電流，使樣品的原子核從磁場吸收能量，發(fā)生能級躍遷。原子核從磁場中強(qiáng)烈吸收能量，稱為核磁共振?！昂舜殴舱瘛睖y定核磁矩原子核在磁場中有2I+1個可能的能量當(dāng)8原子核在磁場中有2I+1個核磁能級，在核磁共振中會出現(xiàn)2I+1個共振峰。原子核在磁場中有2I+1個核磁能級，在核磁共振中會出現(xiàn)2I+9三、核力核子之間的相互作用力，抵消核子之間的較強(qiáng)的庫侖排斥力。1.核力是比電磁力強(qiáng)得多的強(qiáng)相互作用力，主要是吸引力。2.核力是短程力，核子間距離小于10-15m時才明顯。3.核力與核子帶電狀況無關(guān)。4.核力具有飽和性。核力的特征：1935年，日本物理學(xué)家湯川秀樹提出核力的介子理論，認(rèn)為核子之間通過交換介子而發(fā)生核力作用。三、核力核子之間的相互作用力，1.核力是比電磁力強(qiáng)得多的強(qiáng)相10四、原子核的結(jié)合能原子核的質(zhì)量總是小于組成該原子核的核子的質(zhì)量之和，它們之間的差額稱為原子核的質(zhì)量虧損。核子在結(jié)合成原子核時，它們之間的核力作用使體系能量降低，從而釋放出能量，相應(yīng)質(zhì)量減少了。四、原子核的結(jié)合能原子核的質(zhì)量總是小于組成該原子核的核子的11質(zhì)量虧損1u，相應(yīng)能量改變?yōu)閆個質(zhì)子和(A-Z)個中子結(jié)合成原子核時，釋放能量平均結(jié)合能：原子核的結(jié)合能與原子核內(nèi)所包含的總核子數(shù)的比值。原子核結(jié)合能：由質(zhì)子和中子形成原子核時所放出的能量。平均結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定。質(zhì)量虧損1u，相應(yīng)能量改變?yōu)閆個質(zhì)子和(A-Z)個中子結(jié)合1217-2原子核的放射性衰變一、原子核的穩(wěn)定性原子核不會自發(fā)地改變其質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)和它的基本性質(zhì)。穩(wěn)定原子核和不穩(wěn)定（或放射性）原子核1、原子核中的質(zhì)子數(shù)等于和大于84的原子核是不穩(wěn)定的。2、具有少于84個質(zhì)子的原子核，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)時，其核穩(wěn)定。穩(wěn)定性的預(yù)測：17-2原子核的放射性衰變一、原子核的穩(wěn)定性原子核不會自134、中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之比n/p=1時原子核穩(wěn)定，比值越大，穩(wěn)定性越差。二、原子核衰變?nèi)N射線：射線、射線、射線不穩(wěn)定的原子核會自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種核而同時放出射線，這種變化叫放射性衰變。3、質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)等于2，8，20，28，50，82，126的原子核特別穩(wěn)定?；脭?shù)4、中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之比n/p=1時原子核穩(wěn)定，二、原子核衰14

射線是粒子流，是帶正電的氦核射線是高速運(yùn)動的電子流，分+和-兩種-衰變是原子核內(nèi)中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，同時放出一個電子和與電子相聯(lián)系的反中微子+衰變是原子核內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，同時放出一個正電子和一個中微子

射線是光子流，是在衰變或衰變后形成新核時輻射出來的。射線是粒子流，是帶正電的氦核射線是高速運(yùn)動的電子流，15放射性衰變過程遵守電荷守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、能量守恒、動量守恒、角動量守恒。三、放射性衰變定律t時刻樣品中有N個核，在dt時間內(nèi)有dN個發(fā)生衰變放射性衰變過程遵守電荷守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、能量守恒、動量守恒、16t=0，N=N0放射性衰變定律t時刻，每單位時間衰變的原子核數(shù)與該時刻原子核總數(shù)的比。越大，衰變越快。半衰期原子核衰變到N=N0/2所需的時間。t=0，N=N0放射性衰變定律t時刻，每單位時間衰變的原子核17平均壽命每個原子核衰變前存在的時間的平均值。原子核的壽命：平均壽命：平均壽命與半衰期的關(guān)系：平均壽命每個原子核衰變前存在的時間的平均值。原子核的壽命：平18放射性活度（放射性強(qiáng)度）一個放射源在單位時間內(nèi)發(fā)生的核衰變次數(shù)。國際單位：貝克勒爾(Bq)t=0，N=N0，I=N01Bq表示每秒發(fā)生一次核衰變的放射源的活度。常用單位：居里(Ci)放射性活度（放射性強(qiáng)度）一個放射源在單位時間內(nèi)發(fā)生的核衰變次1917-3原子核能的利用一、原子核能的幾種釋放模式1、原子核的衰變半衰期為87.84年2、原子核的裂變自發(fā)裂變：由重核自發(fā)地裂變成兩個碎塊，同時放出約為200MeV的能量。半衰期為1.81018年17-3原子核能的利用一、原子核能的幾種釋放模式1、原子20核裂變：在中子作用下，核裂變成兩個碎塊，同時放出2個或3個中子。3、原子核的聚變由輕原子核聚合成質(zhì)量較大的原子核。核裂變：在中子作用下，核裂變成兩個碎塊，3、原子核的聚變由輕21二、原子核能的利用1、核反應(yīng)堆鏈?zhǔn)椒磻?yīng)利用中子誘發(fā)重核裂變從而釋放原子核能二、原子核能的利用1、核反應(yīng)堆鏈?zhǔn)椒磻?yīng)利用中子誘發(fā)重核裂變從22核反應(yīng)堆人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)使原子核能和平利用的設(shè)備。利用減速劑（慢化劑）將裂變的快中子減速為熱中子主要組成部分：堆芯、中子反射層、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)2、受控核聚變將氘核加熱，使氘核在無規(guī)則運(yùn)動中相互碰撞，使氘核熱運(yùn)動動能能克服相互接觸時的庫侖勢能發(fā)生聚變反應(yīng)，稱為熱核反應(yīng)。核反應(yīng)堆人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)使原子核能和平利用的設(shè)備。利用減2317-4粒子物理簡介一、粒子特征四種相互作用和粒子分類基本粒子：質(zhì)子、光子、中子、電子正電子的發(fā)現(xiàn)1932年安德遜在記錄宇宙射線的云霧室中發(fā)現(xiàn)正電子正電子與電子有相同的質(zhì)量，帶正電。狄拉克海（真空區(qū)）電子偶產(chǎn)生電子偶湮滅17-4粒子物理簡介一、粒子特征四種相互作用和粒子24正反粒子兩者質(zhì)量、自旋、平均壽命完全相同。電荷等值異號，磁矩方向相反。中微子的發(fā)現(xiàn)1930年泡利根據(jù)衰變前后應(yīng)遵守角動量守恒和能量守恒提出核在發(fā)射粒子的同時應(yīng)發(fā)射一個質(zhì)量幾乎為零的中性粒子，稱中微子。正反粒子中微子的發(fā)現(xiàn)1930年泡利根據(jù)衰變前后應(yīng)遵守角動量守25粒子的特征的描述1、質(zhì)量。（常用能量表示）2、電量。（常以電子電量e為單位）3、自旋。（自旋角動量以為單位）4、平均壽命。粒子的特征的描述1、質(zhì)量。（常用能量表示）2、電量。（常以電26天體之間衰變原子結(jié)合核力舉例一切物體強(qiáng)子、輕子強(qiáng)子強(qiáng)子被作用粒子長程，短程<10-16長程，短程10-15~10-16作用力程/m引力子中間玻色子光子膠子作用傳遞者10-3910-151/1731相對強(qiáng)度引力作用弱作用電磁作用強(qiáng)作用四種相互作用的比較<10-23>10-10特征時間10-20~10-16天體之間衰變原子結(jié)合核力舉例一切物體強(qiáng)子、輕子強(qiáng)子強(qiáng)子被作27粒子的分類（按參與相互作用的性質(zhì)）1、規(guī)范粒子2、輕子3、強(qiáng)子規(guī)范粒子是傳遞作用力的粒子。輕子完全不受強(qiáng)作用力的影響。強(qiáng)子分成介子和重子。粒子的分類（按參與相互作用的性質(zhì)）1、規(guī)范粒子2、輕子3、強(qiáng)28二、強(qiáng)子的夸克結(jié)構(gòu)夸克是強(qiáng)子的組成粒子?？淇斯灿?種。每種夸克都有相應(yīng)的反夸克?？淇朔N類（味）上下奇異粲底頂英文updownstrangecharmbottomtop符號udscbt質(zhì)量(MeV)51050015004800?電荷(e)2/3-1/3-1/32/3-1/32/31/21/21/21/21/21/2自旋()二、強(qiáng)子的夸克結(jié)構(gòu)夸克是強(qiáng)子的組成粒子?？淇斯灿?種。每種夸29重子都由三個夸克組成。介子都由一個夸克和一個反夸克組成。重子都由三個夸克組成。介子都由一個夸克和一個反夸克組成。30三、相互作用的統(tǒng)一弱電統(tǒng)一理論：弱作用與電磁作用的統(tǒng)一能量很高時，傳遞弱力的媒介粒子與光子一樣靜質(zhì)量為零，由于內(nèi)部某種對稱性使弱力和電磁力成為同一種力。能量較低時，內(nèi)部某種對稱性被破壞，使某些傳遞力的媒介粒子獲得很重的質(zhì)量，傳遞的力就變得很弱，即弱力。有一種媒介粒子仍保持靜止質(zhì)量為零，它傳遞的就是電磁力。三、相互作用的統(tǒng)一弱電統(tǒng)一理論：弱作用與電磁作用的統(tǒng)一31大統(tǒng)一理論：強(qiáng)相互作用和弱電作用統(tǒng)一超大統(tǒng)一理論：四種相互作用的統(tǒng)一有待于驗證。大統(tǒng)一理論：強(qiáng)相互作用和弱電作用統(tǒng)一超大統(tǒng)一理論：32原子核物理和粒子物理簡介第十七章原子核物理和粒子物理簡介第十七章33物質(zhì)的基本單元原子質(zhì)子、中子、電子夸克物質(zhì)的基本單元原子質(zhì)子、中子、電子夸克3417-1原子核的基本性質(zhì)一、原子核的質(zhì)子—中子模型原子核由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子（P）：中子（n）：原子核符號核子17-1原子核的基本性質(zhì)一、原子核的質(zhì)子—中子模型原子核35具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子核稱為同位素。質(zhì)子、電子和中子符號原子核的體積總是正比于它的質(zhì)量數(shù)在一切原子核中，核物質(zhì)的密度是一個常數(shù)。具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子核稱為同位素。質(zhì)子、電子和36二、核自旋和磁矩原子核有自旋，自旋角動量為核自旋可以是整數(shù)，也可以是半整數(shù)。1.質(zhì)子和中子的自旋2.原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是偶數(shù)時，自旋為零。3.原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是奇數(shù)時，自旋為非零整數(shù)。4.原子核的核子數(shù)是奇數(shù)時，自旋為1/2的奇數(shù)倍。核自旋的確定：二、核自旋和磁矩原子核有自旋，自旋角動量為核自旋可以是整數(shù)，37原子核有磁矩，以核磁子為單位。質(zhì)子的磁矩說明：中子的自旋角動量與磁矩方向相反。中子內(nèi)部有一定的正負(fù)電荷分布，但正負(fù)電量相等，因此不顯電性。中子的磁矩原子核有磁矩，以核磁子為單位。質(zhì)子的磁矩說明：中子的磁矩38原子核磁矩與核自旋角動量的關(guān)系原子核磁矩在某一特殊方向的投影投影最大值原子核磁矩與核自旋角動量的關(guān)系原子核磁矩在某一特殊方向的投影39“核磁共振”測定核磁矩原子核在磁場中有2I+1個可能的能量當(dāng)調(diào)節(jié)磁鐵的勵磁電流，使樣品的原子核從磁場吸收能量，發(fā)生能級躍遷。原子核從磁場中強(qiáng)烈吸收能量，稱為核磁共振?！昂舜殴舱瘛睖y定核磁矩原子核在磁場中有2I+1個可能的能量當(dāng)40原子核在磁場中有2I+1個核磁能級，在核磁共振中會出現(xiàn)2I+1個共振峰。原子核在磁場中有2I+1個核磁能級，在核磁共振中會出現(xiàn)2I+41三、核力核子之間的相互作用力，抵消核子之間的較強(qiáng)的庫侖排斥力。1.核力是比電磁力強(qiáng)得多的強(qiáng)相互作用力，主要是吸引力。2.核力是短程力，核子間距離小于10-15m時才明顯。3.核力與核子帶電狀況無關(guān)。4.核力具有飽和性。核力的特征：1935年，日本物理學(xué)家湯川秀樹提出核力的介子理論，認(rèn)為核子之間通過交換介子而發(fā)生核力作用。三、核力核子之間的相互作用力，1.核力是比電磁力強(qiáng)得多的強(qiáng)相42四、原子核的結(jié)合能原子核的質(zhì)量總是小于組成該原子核的核子的質(zhì)量之和，它們之間的差額稱為原子核的質(zhì)量虧損。核子在結(jié)合成原子核時，它們之間的核力作用使體系能量降低，從而釋放出能量，相應(yīng)質(zhì)量減少了。四、原子核的結(jié)合能原子核的質(zhì)量總是小于組成該原子核的核子的43質(zhì)量虧損1u，相應(yīng)能量改變?yōu)閆個質(zhì)子和(A-Z)個中子結(jié)合成原子核時，釋放能量平均結(jié)合能：原子核的結(jié)合能與原子核內(nèi)所包含的總核子數(shù)的比值。原子核結(jié)合能：由質(zhì)子和中子形成原子核時所放出的能量。平均結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定。質(zhì)量虧損1u，相應(yīng)能量改變?yōu)閆個質(zhì)子和(A-Z)個中子結(jié)合4417-2原子核的放射性衰變一、原子核的穩(wěn)定性原子核不會自發(fā)地改變其質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)和它的基本性質(zhì)。穩(wěn)定原子核和不穩(wěn)定（或放射性）原子核1、原子核中的質(zhì)子數(shù)等于和大于84的原子核是不穩(wěn)定的。2、具有少于84個質(zhì)子的原子核，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)時，其核穩(wěn)定。穩(wěn)定性的預(yù)測：17-2原子核的放射性衰變一、原子核的穩(wěn)定性原子核不會自454、中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之比n/p=1時原子核穩(wěn)定，比值越大，穩(wěn)定性越差。二、原子核衰變?nèi)N射線：射線、射線、射線不穩(wěn)定的原子核會自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種核而同時放出射線，這種變化叫放射性衰變。3、質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)等于2，8，20，28，50，82，126的原子核特別穩(wěn)定?；脭?shù)4、中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之比n/p=1時原子核穩(wěn)定，二、原子核衰46

射線是粒子流，是帶正電的氦核射線是高速運(yùn)動的電子流，分+和-兩種-衰變是原子核內(nèi)中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，同時放出一個電子和與電子相聯(lián)系的反中微子+衰變是原子核內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，同時放出一個正電子和一個中微子

射線是光子流，是在衰變或衰變后形成新核時輻射出來的。射線是粒子流，是帶正電的氦核射線是高速運(yùn)動的電子流，47放射性衰變過程遵守電荷守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、能量守恒、動量守恒、角動量守恒。三、放射性衰變定律t時刻樣品中有N個核，在dt時間內(nèi)有dN個發(fā)生衰變放射性衰變過程遵守電荷守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、能量守恒、動量守恒、48t=0，N=N0放射性衰變定律t時刻，每單位時間衰變的原子核數(shù)與該時刻原子核總數(shù)的比。越大，衰變越快。半衰期原子核衰變到N=N0/2所需的時間。t=0，N=N0放射性衰變定律t時刻，每單位時間衰變的原子核49平均壽命每個原子核衰變前存在的時間的平均值。原子核的壽命：平均壽命：平均壽命與半衰期的關(guān)系：平均壽命每個原子核衰變前存在的時間的平均值。原子核的壽命：平50放射性活度（放射性強(qiáng)度）一個放射源在單位時間內(nèi)發(fā)生的核衰變次數(shù)。國際單位：貝克勒爾(Bq)t=0，N=N0，I=N01Bq表示每秒發(fā)生一次核衰變的放射源的活度。常用單位：居里(Ci)放射性活度（放射性強(qiáng)度）一個放射源在單位時間內(nèi)發(fā)生的核衰變次5117-3原子核能的利用一、原子核能的幾種釋放模式1、原子核的衰變半衰期為87.84年2、原子核的裂變自發(fā)裂變：由重核自發(fā)地裂變成兩個碎塊，同時放出約為200MeV的能量。半衰期為1.81018年17-3原子核能的利用一、原子核能的幾種釋放模式1、原子52核裂變：在中子作用下，核裂變成兩個碎塊，同時放出2個或3個中子。3、原子核的聚變由輕原子核聚合成質(zhì)量較大的原子核。核裂變：在中子作用下，核裂變成兩個碎塊，3、原子核的聚變由輕53二、原子核能的利用1、核反應(yīng)堆鏈?zhǔn)椒磻?yīng)利用中子誘發(fā)重核裂變從而釋放原子核能二、原子核能的利用1、核反應(yīng)堆鏈?zhǔn)椒磻?yīng)利用中子誘發(fā)重核裂變從54核反應(yīng)堆人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)使原子核能和平利用的設(shè)備。利用減速劑（慢化劑）將裂變的快中子減速為熱中子主要組成部分：堆芯、中子反射層、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)2、受控核聚變將氘核加熱，使氘核在無規(guī)則運(yùn)動中相互碰撞，使氘核熱運(yùn)動動能能克服相互接觸時的庫侖勢能發(fā)生聚變反應(yīng)，稱為熱核反應(yīng)。核反應(yīng)堆人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)使原子核能和平利用的設(shè)備。利用減5517-4粒子物理簡介一、粒子特征四種相互作用和粒子分類基本粒子：質(zhì)子、光子、中子、電子正電子的發(fā)現(xiàn)1932年安德遜在記錄宇宙射線的云霧室中發(fā)現(xiàn)正電子正電子與電子有相同的質(zhì)量，帶正電。狄拉克海（真空區(qū)）電子偶產(chǎn)生電子偶湮滅17-4粒子物理簡介一、粒子特征四種相互作用和粒子56正反粒子兩者質(zhì)量、自旋、平均壽命完全相同。電荷等值異號，磁矩方向相反。中微子的發(fā)現(xiàn)1930年泡利根據(jù)衰變前后應(yīng)遵守角動量守恒和能量守恒提出核在發(fā)射粒子的同時應(yīng)發(fā)射一個質(zhì)量幾乎為零的中性粒子，稱中微子。正反粒子中微子的發(fā)現(xiàn)1930年泡利根據(jù)衰變前后應(yīng)遵守角動量守57粒子的特征的描述1、質(zhì)量。（常用能量表示）2、電量。（常以電子電量e為單位）3、自旋。（自旋角動量以為單位）4、平均壽命。粒子的特征的描述1、質(zhì)量。（常用能量表示）2、電量。（常以電58天體之間衰變原子結(jié)合核力舉例一切物體強(qiáng)子、輕子強(qiáng)子強(qiáng)子被作用粒子長程，短程<10-16長程，短程10-15~10-16作用力程/m引力子中間玻色子光子膠子作用傳遞者10-3910-151/1731相對強(qiáng)度引力作用弱作用電磁作用強(qiáng)作用四種相互作用的比較<10-23>10-10特征時間10-20~10-16天