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1、第第18章原子核物理与粒子物理简介章原子核物理与粒子物理简介18.1原子核的一般性质原子核的一般性质18.2原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变18.3核衰变规律核衰变规律18.4原子核的裂变与聚变原子核的裂变与聚变18.5粒子物理简介粒子物理简介1原子核物理学是研究原子核特性、结构和变原子核物理学是研究原子核特性、结构和变化等问题的一门科学化等问题的一门科学.一方面是对原子核的结构、核力、核反应等问一方面是对原子核的结构、核力、核反应等问题的研究，这些是涉及物质结构的基本问题的题的研究，这些是涉及物质结构的基本问题的 另一个方面是原子能和放射性的应用另一个方面是原子能和放射性的应用 粒子物理
2、的研究内容主要有两个方面：粒子物理的研究内容主要有两个方面：一是粒子的内部结构；一是粒子的内部结构；一是粒子间的相互作用、运动和变化规律。一是粒子间的相互作用、运动和变化规律。218.1原子核的一般性质原子核的一般性质一、原子核的组成一、原子核的组成1911年卢瑟福提出原子的核式模型。年卢瑟福提出原子的核式模型。1919年卢瑟福首次实现人工核反应，用年卢瑟福首次实现人工核反应，用 粒子从氮粒子从氮核打出质子。核打出质子。1932年英国物理学查德威克年英国物理学查德威克(S.J.Chadwick)发现发现中子。中子。海森伯和伊凡宁柯海森伯和伊凡宁柯()独立地提出原子独立地提出原子核是由核是由质子
3、和中子质子和中子组成组成质子和中子的质量质子和中子的质量用原子质量单位量度时用原子质量单位量度时,自由质自由质子和自由中子分别为子和自由中子分别为.质子和中子质子和中子,海森伯称它们为海森伯称它们为核子核子,并把并把质子和中质子和中子看作核子具有不同同位旋的两个状态子看作核子具有不同同位旋的两个状态.3mp=1.00727661umn=1.0086654u1961年确定，采用年确定，采用 126C 作为标准作为标准原子质量单原子质量单位位1u(unit)定义为一个定义为一个碳原子质量的碳原子质量的1/121u1.660 54021027 kg1.质量数质量数 原子核的质量数原子核的质量数(ma
4、ss number)就是原子核内质就是原子核内质子和中子的总数，用子和中子的总数，用A表示表示 A=Z+N2.核电荷核电荷 原子核带正电：原子核带正电：Ze核素的符号核素的符号 AZXN 表示表示，实际上简写为，实际上简写为AZX,或或 AX11H,21H,42He 43.核半径核半径实验表明原子核的半径约实验表明原子核的半径约10-15米米 原子核的半径同质量数原子核的半径同质量数A有关系；有关系；A是原子核的质量数；是原子核的质量数；r0=1.11.310-15米米 原子核的密度原子核的密度可以证明可以证明 N=AM 等于阿伏伽德罗常数。等于阿伏伽德罗常数。可见各种可见各种原子核的密度是相
5、同的原子核的密度是相同的。1017千克米千克米3=1014吨米吨米35二、放射性同位素和核素二、放射性同位素和核素 1896年年3月，法国物理学家贝克勒尔月，法国物理学家贝克勒尔(A.H.Becquerel)在用铀在用铀U盐样品进行实验时发现盐样品进行实验时发现U能发出一种辐射，能发出一种辐射，这种辐射是从这种辐射是从U原子核中自发地发射出来的原子核原子核中自发地发射出来的原子核的这种性质被称为的这种性质被称为放射性放射性 这是人类第一次在实验这是人类第一次在实验室里观察到了原子核的天然放射性现象。室里观察到了原子核的天然放射性现象。核素核素:原子序数原子序数Z、中子数、中子数N、质量数、质量
6、数A都相同的都相同的一类原子称为某种核素一类原子称为某种核素.同位素同位素:质子数质子数Z相同而质量数相同而质量数A不同的元素的原不同的元素的原子称为该元素的同位素子称为该元素的同位素 11H,21H,31H是是H的三种同位素的三种同位素 核结构不稳定的，能自发地放出射线的同位素，核结构不稳定的，能自发地放出射线的同位素，称为放射性同位素称为放射性同位素.6同质异能素同质异能素:原子序数原子序数Z和质量数和质量数A都相同的原子核都相同的原子核而处于不同的能量状态，那些处于激发态、寿命又较而处于不同的能量状态，那些处于激发态、寿命又较长的核素。长的核素。如：如：9943mTc和和9943Tc，2
7、1083mBi和和21083Bi 左上角带左上角带m的表示处于激发态的原子核的表示处于激发态的原子核同量异位素：同量异位素：原子序数原子序数Z不同但质量数不同但质量数A相同的核素相同的核素 例：例：4018Ar，4020Ca 核素的稳定性核素的稳定性 ZZ的方向偏移，的方向偏移，中子数或质子数过多或偏少的中子数或质子数过多或偏少的核素是不稳定的核素是不稳定的.7核素图核素图:Z=N缺中子区缺中子区丰中子区丰中子区核素稳定区核素稳定区8核素图核素图:9三、原子核的结合能三、原子核的结合能原子核的质量小于原子核的质量小于自由状态的单个核子自由状态的单个核子质量的和质量的和 mA Zmp+Nmn 由
8、质能关系由质能关系 E=mc2 核子在组成原子核的过程中，由于质量减少而放出核子在组成原子核的过程中，由于质量减少而放出相应的能量，称为相应的能量，称为原子核的结合能原子核的结合能 结合能结合能 E=mc2 m称为质量亏损称为质量亏损 E(ZmpNmnmA)c2 结合能结合能B一般是一般是(Z,A)的函数。的函数。核子的平均结合能核子的平均结合能(比结合能比结合能)1011(1)在中等质量数在中等质量数(A=30120)的原子核中平均结合能的原子核中平均结合能较大较大,在在8.6MeV上下，上下，56Fe核到达极大核到达极大,e e=8.79MeV,结合最紧密结合最紧密.轻核和重核的较小轻核和
9、重核的较小.因此因此,获得核能的途径有两个：获得核能的途径有两个：重核裂变和轻核聚变重核裂变和轻核聚变(2)中等核平均结合能变化不大，原子核的结合能中等核平均结合能变化不大，原子核的结合能B差差不多与质量数不多与质量数A成正比显示了成正比显示了核力的饱和性。核力的饱和性。(3)AMz+1192.衰变衰变净过程净过程例如：例如：20 +衰变衰变 条件条件 +衰变的必要条件：衰变的必要条件：Mz-Mz-12me 衰变能谱衰变能谱E(MeV)EmaxN(1)能量连续分布能量连续分布(2)能量有一确定的最大值能量有一确定的最大值EmaxQ(3)射线强度最高处的能量射线强度最高处的能量E Emax/32
10、1粒子能谱引发的困难粒子能谱引发的困难 对对原子原子这样这样的量子体系，的量子体系，原子核具有分立能级。原子核具有分立能级。粒子粒子能量能量应应是分立的，是分立的，不是连续的能谱。不是连续的能谱。如前的如前的 粒子粒子的能谱。的能谱。注意到注意到能谱中绝大部分能谱中绝大部分 粒子的能量小于衰变能粒子的能量小于衰变能(Q Emax),似乎似乎 衰变前后能量不守恒衰变前后能量不守恒 1930年年，泡利提出了中微子假设：，泡利提出了中微子假设：原子核发射原子核发射 电子时，同时发出一个电子时，同时发出一个自旋为自旋为1/2,质质量很小量很小或几乎是零的或几乎是零的中性粒子中性粒子，称为，称为中微子中
11、微子中微子分为两种：中微子分为两种：中微子中微子和反中微子和反中微子 它们的质量完全相同，都不带电荷，但自旋方向它们的质量完全相同，都不带电荷，但自旋方向不同。不同。有了中微子假设，上述困难迎刃而解。有了中微子假设，上述困难迎刃而解。22由于三者之间的分配是任意的，所以粒子的能量由于三者之间的分配是任意的，所以粒子的能量是连续的，形成了连续谱。是连续的，形成了连续谱。3.电子俘获电子俘获 核素核素俘获俘获一个核外电子，使核内一个质子转变一个核外电子，使核内一个质子转变为一个中子，同时又放出一个中微子而变为原子序为一个中子，同时又放出一个中微子而变为原子序数减数减1的核素，这一过程称为电子俘获，
12、常用符号的核素，这一过程称为电子俘获，常用符号EC表示表示.如果母核俘获一个如果母核俘获一个K层电子称层电子称K俘获，同理有俘获，同理有L俘俘获和获和M俘获俘获.净过程净过程23例如：例如：5526Fe的电子俘获衰变图的电子俘获衰变图 在电子俘获过程中，内层轨道出现空位，外层轨道在电子俘获过程中，内层轨道出现空位，外层轨道电子填补内层空位而产生标识电子填补内层空位而产生标识X射线或俄歇电子射线或俄歇电子.特征x射线俄歇电子24三、三、衰变和内转换衰变和内转换 处于激发态的原子核向较低能态或基态跃迁时，处于激发态的原子核向较低能态或基态跃迁时，把多余的能量以把多余的能量以 光子的形式辐射出来，这
13、种过程称光子的形式辐射出来，这种过程称为为 跃迁，也称跃迁，也称 衰变衰变.原子核经原子核经 跃迁后，子核的质量数和原子序数不变，跃迁后，子核的质量数和原子序数不变，只是能级发生了改变，只是能级发生了改变，原子核并没有变成别的核。原子核并没有变成别的核。故故 跃迁又称跃迁又称同质异能跃迁同质异能跃迁.210m83Bi的衰变图的衰变图 25 处于激发态的原子核向低能态跃迁时，直接把能量处于激发态的原子核向低能态跃迁时，直接把能量传递给电子，使它脱离原子核的束缚而成为自由电子，传递给电子，使它脱离原子核的束缚而成为自由电子，这种现象称为内转换，放出的电子称为内转换电子这种现象称为内转换，放出的电子
14、称为内转换电子.内转换电子特征x射线俄歇电子2618.3核衰变规律核衰变规律一、放射性衰变规律一、放射性衰变规律 核素中绝大部分都是不稳定，会自发地蜕变核素中绝大部分都是不稳定，会自发地蜕变,变变为另一种核素为另一种核素,同时放出各种射线，这现象称为同时放出各种射线，这现象称为放放射性衰变射性衰变指数衰变规律指数衰变规律dt 时间内发生的核衰变的数目为时间内发生的核衰变的数目为-dN,称衰变常数称衰变常数，是放射物衰变快慢的标志。，是放射物衰变快慢的标志。27 在在t时刻时刻,单位时间内衰变的原子核数占该时刻原单位时间内衰变的原子核数占该时刻原子核总数的百分比。子核总数的百分比。注意注意:这是
15、一个从实验中总结出来的统计规律这是一个从实验中总结出来的统计规律.当核数目当核数目N很大时才成立衰变过程很大时才成立衰变过程存在涨落存在涨落现象现象.这规律只对单独存放的放射性核素才适用，对于连这规律只对单独存放的放射性核素才适用，对于连续衰变过程中的居间物质续衰变过程中的居间物质(如如AB C中的中的B)则不则不服从这个简单规律服从这个简单规律核衰变规律核衰变规律 28二、二、半衰期半衰期T1/2 放射性原子核因衰变而减少至原来数量的一半放射性原子核因衰变而减少至原来数量的一半所需的时间，通常用所需的时间，通常用T1/2表示，是不同放射物的又一表示，是不同放射物的又一标志标志如果用半衰期代替
16、衰变常数如果用半衰期代替衰变常数 29三、三、平均寿命平均寿命 某种放射性核素中每个原子核衰变前存在时间某种放射性核素中每个原子核衰变前存在时间的平均值的平均值。在在tt+dt内，有内，有dN个原子核发生衰变，它们的个原子核发生衰变，它们的寿命都是寿命都是t，所以它们的总寿命为：，所以它们的总寿命为：衰变常数衰变常数，半衰期半衰期T1/2，平均寿命平均寿命 之间的关系之间的关系30四、四、放射性活度放射性活度I(t)放射源单位时间内衰变的核数目称为该放射源的放放射源单位时间内衰变的核数目称为该放射源的放射性活度，也称放射性强度。它是时间的函数射性活度，也称放射性强度。它是时间的函数 对于隔离物
17、质对于隔离物质中中I N，I0 N0，分别表示，分别表示t时刻和初始时刻的时刻和初始时刻的放射性活度放射性活度.由由T与与 的关系，还可以得到的关系，还可以得到 31放射性活度的国际单位是放射性活度的国际单位是“贝可勒尔贝可勒尔”(Becquerel)，简称贝可，简称贝可(Bq)，且，且 1Bq1次核衰变次核衰变/s放射性活度过去常用的单位为放射性活度过去常用的单位为“居里居里”(Curie)1Ci3.71010Bq1居里居里(Ci)=3.71010次的核衰变次的核衰变/秒秒 1毫居里毫居里(mCi)=10-3Ci 1微居里微居里(Ci)=10-6Ci32例例:226Ra的半衰期为的半衰期为1
18、602 y,1g226Ra的放射性活度的放射性活度为多少？为多少？解解1g226Ra的原子核数为的原子核数为2.6651021所以所以3.661010Bq由上可知，由上可知，1g镭的放射性活度约等于镭的放射性活度约等于1Ci，历史上，历史上人们正是把人们正是把1g镭的放射性活度规定为镭的放射性活度规定为1Ci的的.33例例:设一台设一台 刀初装时刀初装时60Co源的总活度为源的总活度为6040Ci，使用，使用5年后年后60Co源活度为多少源活度为多少Bq？其平均寿命为多少年？其平均寿命为多少年？解解60Co的半衰期的半衰期T 5.27y，I060403.71010Bq,5年后活度为年后活度为1
19、.161014Bq平均寿命为平均寿命为3418.4原子核的裂变与聚变原子核的裂变与聚变核反应指的就是核的改变核反应指的就是核的改变.放射衰变是原子核自发的变化，放射衰变是原子核自发的变化，但更多的是但更多的是原原子核受激的变化子核受激的变化,即原子核受粒子撞击而转变成另即原子核受粒子撞击而转变成另一种原子核的过程一种原子核的过程一、核反应的能量一、核反应的能量 第一个人工核反应是第一个人工核反应是 1919年年,卢瑟福用卢瑟福用212Po放出的放出的7.68MeV 粒子轰击氮气粒子轰击氮气.一般地一般地,反应可由下式表示为反应可由下式表示为 aXYb反应物是反应物是a和和X，产物是，产物是Y和
20、和b.35m、E表示核反应表示核反应aXYb中相应静质量中相应静质量质量和动能质量和动能能量能量(质量质量)守恒守恒静止能量的释放静止能量的释放动能的增加动能的增加反应能反应能Q定义为定义为:反应能等于反应物和生成物之间静能之差反应能等于反应物和生成物之间静能之差.对不同的对不同的核反应，核反应，Q 可正可负，可正可负，Q0称为放能反应，称为放能反应，Q0称称为吸能反应为吸能反应.36二、原子核的裂变反应二、原子核的裂变反应 核裂变：核裂变：重核分裂成质量不等核的现象重核分裂成质量不等核的现象.核素能够自身裂变的现象称为核素能够自身裂变的现象称为自发裂变自发裂变入射粒子与重原子核作用发生裂变，
21、称为入射粒子与重原子核作用发生裂变，称为诱发裂变诱发裂变 1934年年,费米用中子轰击原子核，发现许多人工放费米用中子轰击原子核，发现许多人工放射性核素，射性核素，1938年年,哈恩和史特拉斯曼发现，当中子轰击铀核哈恩和史特拉斯曼发现，当中子轰击铀核时，在产物中存在钡那样的中重核时，在产物中存在钡那样的中重核 费米因此获得费米因此获得1938年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖慢中子打击慢中子打击23592U235U称为裂变核，称为裂变核，141Ba和和92Kr核称为裂变产物核称为裂变产物 37原子核裂变过程原子核裂变过程 被打击的原子核先吸收中子，形成复核，然后裂开被打击的原子核先吸收中子，形成
22、复核，然后裂开236U裂变产物裂变产物:X和和Y代表裂开的二碎块代表裂开的二碎块裂变中子：裂变中子：可分为两群：可分为两群：瞬发中子瞬发中子，每次平均放出每次平均放出2.5个个.大约有大约有99.2的中子的中子在在10-12秒内放出秒内放出 缓发中子缓发中子，在半衰期为秒的数量级，在半衰期为秒的数量级，除放出中子外，碎块往往以除放出中子外，碎块往往以-衰变方式连续衰变到稳衰变方式连续衰变到稳定核止定核止裂变能量：裂变能量：重核裂变成中等重核裂变成中等A值的原子核时，放出值的原子核时，放出的能量能量的数值大的能量能量的数值大.38三、原子核的聚变反应三、原子核的聚变反应轻核的聚变轻核的聚变 原子
23、核聚合而成较重原子核时也会放出能量原子核聚合而成较重原子核时也会放出能量.下列的是几个聚变反应：下列的是几个聚变反应：(1)21H +21H 32He+10n +3.25MeV(2)21H +21H 31H +11H +4.0MeV(3)21H +31H 42He +1 0n +17.6MeV(4)32He +21H 42He +11H +18.3MeV平均每粒平均每粒 2H 放出放出7.2MeV，单位质量的单位质量的 2H 放出放出3.6MeV 平均每粒平均每粒 235U 裂变放出裂变放出 200MeV单位质量的单位质量的 235U 裂变放出裂变放出 0.85MeV 所以单位质量的所以单位质
24、量的2H聚变所放出的能量是单位质量聚变所放出的能量是单位质量的的235U裂变所放出的能量的裂变所放出的能量的4倍左右倍左右39与裂变反应相比，聚变反应有如下特点：与裂变反应相比，聚变反应有如下特点：(1)可释放更大的能量可释放更大的能量.(2)聚变材料十分丰富聚变材料十分丰富.！(3)聚变产物基本上是稳定核素氦，没有放射性，不聚变产物基本上是稳定核素氦，没有放射性，不污染环境，可免去处理放射性废料的麻烦污染环境，可免去处理放射性废料的麻烦.40四、热核反应和聚变能的利用四、热核反应和聚变能的利用 受控热核反应：受控热核反应：聚变反应必须在极高的温度聚变反应必须在极高的温度(108109K)下才
25、能发下才能发生生.在这样高的温度下，原子完全电离，形成原子核在这样高的温度下，原子完全电离，形成原子核和自由电子的混合体，称为等离子体和自由电子的混合体，称为等离子体.在高温等离子体中，氘核以高速度无规则运动，在高温等离子体中，氘核以高速度无规则运动，连续相互碰撞，发生大量聚变，这样的反应是在原子连续相互碰撞，发生大量聚变，这样的反应是在原子核的热运动中发生的，所以称为热核反应核的热运动中发生的，所以称为热核反应.如果这种如果这种反应能加以控制，则称为受控热核反应反应能加以控制，则称为受控热核反应.等离子体的约束等离子体的约束 等离子体被约束，一方面使其脱离器壁，温度不等离子体被约束，一方面使
26、其脱离器壁，温度不致下降，另一方面还要使等离子体被压缩，使温度上致下降，另一方面还要使等离子体被压缩，使温度上升升 磁场约束磁场约束;惯性约束惯性约束;引力约束引力约束41惯性约束惯性约束激光聚变反应激光聚变反应 激光聚变反应是通过所谓激光聚变反应是通过所谓“内爆内爆过程实现的过程实现的 一个含有聚变材料的小丸受强激光照射一个含有聚变材料的小丸受强激光照射,其外层突其外层突然加热，发生膨胀，挤压内层材料使它的密度和温度然加热，发生膨胀，挤压内层材料使它的密度和温度都升高，这所谓都升高，这所谓惯性约束惯性约束，这时可能发生核聚变，这时可能发生核聚变 激光射到氘和氚的混合体，产生高激光射到氘和氚的
27、混合体，产生高温和高压，促使两种原子核聚合为温和高压，促使两种原子核聚合为氦和中子，同时放出巨大能量。氦和中子，同时放出巨大能量。42可控聚变反应堆可控聚变反应堆磁约束磁约束 带电粒子带电粒子(等离子体等离子体)在磁场中受洛仑兹力在磁场中受洛仑兹力的作用而绕着磁力线运动，因而在与磁力线相垂直的的作用而绕着磁力线运动，因而在与磁力线相垂直的方向上就被约束住了。同时，等离子体也被电磁场加方向上就被约束住了。同时，等离子体也被电磁场加热。热。托克马克反应器托克马克反应器4318.5粒子物理简介粒子物理简介 1897年汤姆森发现了第一个基本粒子电子，年汤姆森发现了第一个基本粒子电子，但从但从1932年
28、安德孙发现正电子，才是粒子物理学诞生的年安德孙发现正电子，才是粒子物理学诞生的标志标志 这个发现所揭示的正反粒子对称性，是粒子物理这个发现所揭示的正反粒子对称性，是粒子物理最基本最重要的对称性而从这个发现开始，对称最基本最重要的对称性而从这个发现开始，对称性一直是支配粒子物理学研究的基本观念性一直是支配粒子物理学研究的基本观念 从发现电子到现在的一个多世纪中，共发现了从发现电子到现在的一个多世纪中，共发现了400余种粒子，余种粒子，包括质子、中子、电子、介子超子等包括质子、中子、电子、介子超子等。它们大都属于它们大都属于比原子核更比原子核更深的层次。深的层次。44一、粒子的基本性质一、粒子的基
29、本性质粒子的基本性质主要可用：粒子的基本性质主要可用：质量、电荷、自旋、平均寿命描述质量、电荷、自旋、平均寿命描述.在粒子进行反应的过程中，能量，电荷、动量、角在粒子进行反应的过程中，能量，电荷、动量、角动量等仍然守恒动量等仍然守恒 此外还有如，重子数及重子数守恒定律，轻子数此外还有如，重子数及重子数守恒定律，轻子数及轻子数守恒定律，同位旋及同位旋分量守恒定律，及轻子数守恒定律，同位旋及同位旋分量守恒定律，宇称守恒定律等等宇称守恒定律等等 二、粒子的相互作用及其统一模型二、粒子的相互作用及其统一模型1.粒子之间的四种相互作用粒子之间的四种相互作用 引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱引力
30、相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用相互作用.45四种相互作用的比较四种相互作用的比较 名称名称引力作用引力作用弱相互作用弱相互作用电电磁相互作用磁相互作用强强相互作用相互作用作用力程作用力程/m101610151016举举例例天体之天体之间间衰衰变变原子原子结结合合核力核力相相对对强强度度103910151/1371媒介媒介引力子引力子中中间间玻色子玻色子光子光子胶子胶子被作用粒子被作用粒子一切物体一切物体强强子、子、轻轻子子强强子，子，e、强强子子特征特征时间时间/s1010102610161023 弱电统一理论弱电统一理论:1968年格拉肖、温伯格、萨格姆年格拉肖、温伯格、萨格
31、姆三人在现代高能物理实验的基础上，把弱相互作用和三人在现代高能物理实验的基础上，把弱相互作用和电磁相互作用统一起来，已得到了实验的检验，证明电磁相互作用统一起来，已得到了实验的检验，证明它是正确的理论，但仍存在着不足它是正确的理论，但仍存在着不足.能否把电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用能否把电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用大统一起来？大统一起来？462.粒子分类粒子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：规范粒子是传递相互作用的粒子，光子规范粒子：规范粒子是传递相互作用的粒子，光子传递电磁相互作用，传递电磁相互作用，W和和Z0传递弱相互作用，胶子传传递弱相互作用
32、，胶子传递强相互作用；递强相互作用；(2)轻子：轻子的自旋都是轻子：轻子的自旋都是3/2，如电子、，如电子、子等，只子等，只参与弱相互作用，带电的轻子也参与电磁作用；参与弱相互作用，带电的轻子也参与电磁作用；(3)强子：强子分为介子和重子两类，绝大多数粒子都强子：强子分为介子和重子两类，绝大多数粒子都属于这一类，它们可参与强相互作用，也可参与弱相属于这一类，它们可参与强相互作用，也可参与弱相互作用，两种作用同时存在时，强相互作用是主要的互作用，两种作用同时存在时，强相互作用是主要的.若按其质量：若按其质量：(1)轻子：这些粒子质量都有很小，如电子、中微子、轻子：这些粒子质量都有很小，如电子、中
33、微子、子；子；47(2)介子：粒子的质量介于电子与质子之间，如介子：粒子的质量介于电子与质子之间，如介介子、子、K介子；介子；(3)重子：重子可分为核子和超子，核子如质子、中重子：重子可分为核子和超子，核子如质子、中子，其质量是电子的子，其质量是电子的1000多倍，超子的质量超过质多倍，超子的质量超过质子，包括子，包括超子、超子、超子、超子、超子和超子和超子等超子等.48三、夸克模型三、夸克模型 1964年美国人盖尔曼等人提出夸克模型，同年中年美国人盖尔曼等人提出夸克模型，同年中国物理学家提出了层子模型，而且是相对论化的，以国物理学家提出了层子模型，而且是相对论化的，以后这些统称为夸克模型。后
34、这些统称为夸克模型。1.夸克夸克(Quark)模型模型:强子是由夸克组成的。强子是由夸克组成的。三种夸克：上三种夸克：上(u),下下(d),奇异奇异(s)1974年年发发现现了了J/粒粒子子(丁丁肇肇中中，里里希希特特)，必必须须引引入第入第4种夸克种夸克 粲夸克粲夸克 c。1977年又提出了年又提出了 底夸克底夸克 b和顶夸克和顶夸克 t。理论指出应当有六种夸克，都已发现：理论指出应当有六种夸克，都已发现：49夸克的一些性质夸克的一些性质 夸克种夸克种类类上上下下奇异奇异粲粲底底顶顶符号符号udscbt质质量量/GeV0.0030.0040.151.24.7(？)电电荷荷2e/3e/3e/3
35、2e/3e/32e/3自旋自旋1/21/21/21/21/21/2重子数重子数1/31/31/31/31/31/3同位旋同位旋1/21/20000同位旋分量同位旋分量I1/21/20000奇异数奇异数001000粲数粲数000100底数底数000010顶顶数数00000150夸克模型认为，所有重子都是由三个夸克组成的，夸克模型认为，所有重子都是由三个夸克组成的，所有介子都是由一个夸克和一个反夸克组成所有介子都是由一个夸克和一个反夸克组成.如如质子质子 p(uud)uud电荷量为电荷量为 2e/32e/3e/3e，自旋为自旋为 1/21/21/21/2；中子中子 n(udd)udd电荷量为电荷量
36、为 2e/3 2e/3e/30，自旋为自旋为 1/21/21/21/2；介子介子ud电荷量为电荷量为 2e/3 e/3e，自旋为自旋为 1/21/20；512.夸克的颜色夸克的颜色夸克的自旋都是夸克的自旋都是1/2，是费米子，是费米子，在组成强子时，应在组成强子时，应遵守泡利不相容原理遵守泡利不相容原理.因此质子的两个上夸克就不允许处于同一状态因此质子的两个上夸克就不允许处于同一状态.为为解决这一问题，引入了新的量子数，提出夸克除只有解决这一问题，引入了新的量子数，提出夸克除只有“味味”以外，还有颜色，分别用红、黄、蓝来描述以外，还有颜色，分别用红、黄、蓝来描述.反夸克则具有相应颜色的补色，组
37、成重子的三个夸克反夸克则具有相应颜色的补色，组成重子的三个夸克具有不同的颜色，组成介子的夸克和反夸克互为补色，具有不同的颜色，组成介子的夸克和反夸克互为补色，这样所有强子对外都是白色这样所有强子对外都是白色.夸克有夸克有6种种“味道味道”，3种种“颜色颜色”，又各有正反粒，又各有正反粒子，一共有子，一共有36种种.523.夸克囚禁夸克囚禁 (色禁闭)夸克只在粒子中，没有自由夸克。夸克只在粒子中，没有自由夸克。至至今今尚尚未未在在实实验验室室中中观观察察到到自自由由夸夸克克，可可认认为为夸夸克克和和轻轻子子是是组组成成世世界界的的基基本本粒粒子子，但但它它们们是是不不是是物物质质的终极本质，还有待进一步探索的终极本质，还有待进一步探索.5354