《第十六章 原子核物理和粒子物理简介(精品).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十六章 原子核物理和粒子物理简介(精品).ppt（26页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出*第十六章第十六章 原子核物理和粒子物理简介原子核物理和粒子物理简介 16-1 16-1 原子核的基本性质原子核的基本性质 16-2 16-2 原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变 16-3 16-3 粒子物理简介粒子物理简介1首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出16-1 原子核的基本性质原子核的基本性质16.1.1 16.1.1 原子核的质子原子核的质子中子模型中子模型 原子核是由原子核是由质质子和中子子和中子组组成的成的.质质子子(p)就是就是氢氢核，核，带带有有正正电电荷荷e，质质量量mp1.007 276 u(u为为原子原子质质量量单
2、单位，位，1 u1.660 565 51027 kg).中子中子(n)不不带电带电，其，其质质量量mn1.008 665 u.质质子和中子子和中子统统称称为为核子核子.具有相同的具有相同的质质子数子数Z而中子数而中子数N不同的原子核称不同的原子核称为为同同位素位素.2首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出实验发现实验发现原子核的体原子核的体积总积总是正比于它的是正比于它的质质量数量数A.如果如果把原子核看成球体，其半径把原子核看成球体，其半径R与与质质量数量数A的关系的关系为为式中式中R0是常数，由是常数，由实验测实验测定定为为R01.201015 m.这这表表明原子核的体明原子核的体积
3、积与核与核质质量数成正比，由此得到的量数成正比，由此得到的结论结论是：是：在一切原子核中，核物质的密度是一个常数，可在一切原子核中，核物质的密度是一个常数，可以算出核物质密度以算出核物质密度2.291017 kgm3.3首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出16.1.2 16.1.2 核自旋和磁矩核自旋和磁矩 实验实验和理和理论论都都说说明原子核也有自旋明原子核也有自旋.原子核的自旋角原子核的自旋角动动量量为为式中式中I称称为为核自旋角动量量子数核自旋角动量量子数，简简称核自旋称核自旋.不同的不同的原子核其自旋的取原子核其自旋的取值值可以是整数，也可以是半整数可以是整数，也可以是半整数.
4、质质子和中子的自旋都是子和中子的自旋都是 .当原子核的当原子核的质质子数和中子数和中子数都是偶数子数都是偶数(偶偶偶核偶核)时时，其自旋，其自旋为为零零.4首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出原子核原子核带带有有电电荷且有自旋运荷且有自旋运动动，故原子核也有磁矩，故原子核也有磁矩.核核磁矩用和磁矩用和电电子磁矩子磁矩类类似的方法来表示似的方法来表示.原子核磁矩通常原子核磁矩通常以以核磁子核磁子为单为单位，即核磁子位，即核磁子 形式上与玻形式上与玻尔尔磁子相似，只是磁子相似，只是这这里是里是质质子的子的质质量量mp代代替了玻替了玻尔尔磁子中的磁子中的电电子子质质量量me.因因为为mp18
5、36.5me，所以所以式中式中B是玻是玻尔尔磁子磁子.5首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出原子核的磁矩原子核的磁矩I与核自旋角与核自旋角动动量量PI的关系的关系(仿仿电电子自旋子自旋假假设设)，可以写成，可以写成式中式中gI称称为为原子核的原子核的g因子因子.I在某一特殊方向的投影在某一特殊方向的投影为为式中式中MI称称为为核磁量子数，它的取核磁量子数，它的取值为值为6首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出通常是通常是测测I在特定方向的最大投影在特定方向的最大投影如如图图16.1所示，将待所示，将待测样测样品品P放在放在电电磁磁铁铁二极之二极之间间，于是由于是由样样品中核磁矩品
6、中核磁矩I和磁和磁场场B的相互作用，的相互作用，应应有附有附加能量加能量图图16.1由于空由于空间间量子化，由式量子化，由式(16.4)，则则式式(16.6)为为 7首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出因因为为核磁量子数的核磁量子数的选择选择定定则为则为 所以核的能量只改所以核的能量只改变变所以当所以当时时，样样品中的原子核将从交品中的原子核将从交变变磁磁场场中中强强烈吸收能量，烈吸收能量，这这个个现现象称象称为为核磁共振吸收，核磁共振吸收，这时这时的的频频率率称称为为共振共振频频率率.将式将式(16.7)写成写成8首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出16.1.3 16.1.3
7、 核力核力组组成原子核的成原子核的质质子之子之间间存在着存在着较较强强的的库仑库仑斥力，力斥力，力图图使原子核解体，而万有引力比使原子核解体，而万有引力比电电磁力小磁力小1037倍，倍，远远不不能抵消静能抵消静电电力的作用而把核子束力的作用而把核子束缚缚在一起在一起.由此推由此推测测，核子之核子之间间必定存在着另一种相互作用力，称必定存在着另一种相互作用力，称为为核力核力.核力具有以下特性：核力具有以下特性：核力是一种比核力是一种比电电磁力磁力强强得多的得多的强强相互作用力，主相互作用力，主要是吸引力要是吸引力.核力是短程力，只有当核子核力是短程力，只有当核子间间距离小于距离小于1015m时时
8、才才显显示出来，在大于示出来，在大于1015m时时核力核力远远小于小于库仑库仑力力.9首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出核力与核子的核力与核子的带电带电状况无关状况无关.大量大量实验实验表明，表明，质质子子之之间间，中子之，中子之间间，质质子和中子之子和中子之间间所表所表现现的核力作的核力作用大致相同用大致相同.核力具有核力具有饱饱和性和性.即一个核子只能与附近的有限个即一个核子只能与附近的有限个数的核子数的核子发发生核力作用，而不能与原子核内所有核生核力作用，而不能与原子核内所有核子子发发生生这这种作用种作用.10首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出16.1.4 16.1.
9、4 原子核的结合能原子核的结合能实验发现实验发现，任何一个原子核的，任何一个原子核的质质量量总总是小于是小于组组成成该该原原子核的核子子核的核子质质量之和，它量之和，它们们之之间间的差的差额额称称为为原子核的原子核的质量亏损质量亏损.设设原子核原子核 的的质质量量为为Mx，质质子的子的质质量量为为mp，中子，中子的的质质量量为为mn，在，在这这一原子核中共有一原子核中共有Z个个质质子和子和(AZ)个中子，个中子，质质量量亏亏损为损为11首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出由于由于质质子子质质量量mp等于等于氢氢原子原子质质量量mH减去减去1个核外个核外电电子子的的质质量量me，即，即m
10、pmHme；原子序数；原子序数为为Z的原子核的的原子核的质质量量Mx等于等于这这种原子的种原子的质质量量M减去减去Z个核外个核外电电子的子的质质量，即量，即MxMZme 造成造成质质量量亏亏损损的原因是核子在的原因是核子在结结合成原子核合成原子核时时，由于，由于它它们们之之间间核力的核力的强强烈作用，使体系能量降低，从而烈作用，使体系能量降低，从而释释放出一定的能量，相放出一定的能量，相应应的的质质量也减少了量也减少了.12首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出根据相根据相对论质对论质能关系能关系Emc2，如果，如果质质量量亏亏损损m1u，则对应则对应的能量改的能量改变为变为因此，由因此
11、，由Z个个质质子和子和(AZ)个中子个中子结结合成合成 核核时时，释释放出的能量放出的能量为为式中式中质质量以量以u为单为单位位.这这种由种由质质子和中子形成原子核子和中子形成原子核时时所放出的能量叫做所放出的能量叫做原子核的结合能原子核的结合能.13首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出不同的原子核平均不同的原子核平均结结合能不相同，核子的平均合能不相同，核子的平均结结合能合能大小反映了原子核的大小反映了原子核的稳稳定程度定程度.核子的平均核子的平均结结合能越合能越大，原子核就越大，原子核就越稳稳定定.原原子子核核的的结结合合能能与与原原子子核核内内所所包包含含的的总总核核子子数数A的
12、的比比值值称称为为平均结合能平均结合能(或比或比结结合能合能)，用，用 表示，即表示，即14首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出16-2 原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变16.2.1 16.2.1 原子核的稳定性原子核的稳定性原子核的原子核的稳稳定性定性，是指原子核不会自，是指原子核不会自发发地改地改变变其其质质子子数、中子数和它的基本性数、中子数和它的基本性质质.按原子核的按原子核的稳稳定性可分定性可分为稳为稳定原子核和不定原子核和不稳稳定定(或放射性或放射性)原子核两原子核两类类.预测核的稳定性的经验规则：预测核的稳定性的经验规则：1.1.原子核中的原子核中的质质子数等于和大于
13、子数等于和大于8484的原子核是不的原子核是不稳稳 定的定的.15首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出2.具有少于具有少于84个个质质子的原子核，子的原子核，质质子数和中子数均子数和中子数均 为为偶数偶数时时，其核，其核稳稳定定.3.质质子数或中子数等于子数或中子数等于2,8,20,28,50,82,126的原子核的原子核 特特别稳别稳定定.这这些数称些数称为为幻数幻数.4.中子数和中子数和质质子数之比子数之比n/p，在，在Z20时时 ，原，原 子核子核稳稳定定.随着原子序数增加随着原子序数增加，值值增大增大.Z在中等在中等 数数值时值时 约为约为1.4；Z在在90左右左右约为约为1.
14、6，比，比值值越越 大，大，稳稳定性越差定性越差.16首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出16.2.2 16.2.2 原子核衰变原子核衰变不不稳稳定的原子核都会自定的原子核都会自发发地地转变转变成另一种核而同成另一种核而同时时放放出射出射线线，这这种种变变化叫化叫放射性衰变放射性衰变.实验发现实验发现原子核在原子核在衰衰变过变过程中放出的射程中放出的射线线有三种：有三种：射射线线、射射线线和和射射线线.17首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出16.2.3 16.2.3 放射性衰变定律放射性衰变定律设设有某种放射性同位素有某种放射性同位素样样品，品，单单独存在独存在时时，某，某时
15、时刻刻t样样品中有品中有N个核个核.在在ttdt时间时间内有内有dN个核个核发发生衰生衰变变，dN应应与与dt成正比，与成正比，与t时时刻的核数刻的核数N成正比，成正比，则则式中式中是表征衰是表征衰变变快慢的比例常数，叫做快慢的比例常数，叫做衰变常数衰变常数.负负号表示原子核数在减少号表示原子核数在减少.设设t0时时NN0，将式，将式(16.14)积积分，得分，得 18首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出表明衰变常数表明衰变常数的物理意义是的物理意义是：在：在t时刻，每单位时间时刻，每单位时间衰变的原子核数与该时刻原子核总数的比衰变的原子核数与该时刻原子核总数的比.也可以说也可以说是表
16、征单位时间原子核衰变的概率是表征单位时间原子核衰变的概率.越大，衰变越越大，衰变越快快.半衰期的定半衰期的定义义是：原子核衰是：原子核衰变变到到NN0所需的所需的时间时间.19首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出有有时时也用平均寿命也用平均寿命表示衰表示衰变变的快慢的快慢.平均寿命平均寿命是指每是指每个原子核衰个原子核衰变变前存在的前存在的时间时间的平均的平均值值.在在ttdt时间时间内衰内衰变变的原子核数的原子核数为为dN(负负号是因号是因为为dN是是负值负值)，存在的，存在的时间时间是是t，它，它们们的寿命之和是的寿命之和是t(dN)；对对全部全部时间积时间积分，得到所有原子核的寿
17、命之分，得到所有原子核的寿命之和和为为 平均寿命平均寿命为为20首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出平均寿命等于它的衰平均寿命等于它的衰变变常数的倒数常数的倒数.由式由式(16.16)，平，平均寿命与半衰期的关系均寿命与半衰期的关系为为放射性活度放射性活度(也称放射性强度也称放射性强度)是指一个放射源，在是指一个放射源，在单位时间内发生的核衰变次数单位时间内发生的核衰变次数 ，用，用I表示表示 当当t0时时，NN0，I0N0；则则21首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出16-3 粒子物理简介粒子物理简介16.3.1 16.3.1 粒子特征粒子特征 四种相互作用和粒子分类四种相互
18、作用和粒子分类正正电电子的子的发现发现1932年安德年安德逊逊在在记录记录宇宙射宇宙射线线(宇宙中的高能粒子流宇宙中的高能粒子流)的云的云雾雾室中室中发现发现了正了正电电子子.它与它与电电子有相同的子有相同的质质量，量，但却但却带带正正电电荷荷.已知原子中的已知原子中的电电子都子都带负电带负电荷，因此荷，因此正正电电子不是宏子不是宏观观物体的物体的组组元，它的性元，它的性质质表明它与表明它与电电子同子同样样基本基本 22首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出中微子的中微子的发现发现原子核在原子核在衰衰变时观测变时观测到的是从原子核中放出的到的是从原子核中放出的电电子子.1930.1930
19、年泡利根据衰年泡利根据衰变变前后前后应应遵守角遵守角动动量守恒和能量守恒和能量守恒而提出核在量守恒而提出核在发发射射粒子的同粒子的同时应发时应发射一个射一个质质量几乎量几乎为为零的中性粒子，称零的中性粒子，称为为中微子中微子.介子的介子的发现发现1936年在宇宙射年在宇宙射线线的的观测观测中中发现发现了一种粒子，了一种粒子，质质量量是是电电子的子的207倍，但又比倍，但又比质质子小，物理上称它子小，物理上称它为为“介子介子”(后改称后改称子子)，子是不子是不稳稳定的，平均寿命是定的，平均寿命是2.2106 s.23首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出粒子的特征可用几个物理量来描述：粒子
20、的特征可用几个物理量来描述：质质量量.常用能量表示常用能量表示.电电量量.常以常以电电子子电电量量e为单为单位位.自旋自旋.平均寿命平均寿命.多数粒子是不多数粒子是不稳稳定的，它的衰定的，它的衰变变特征用特征用平均寿命表示平均寿命表示.24首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出16.3.2 16.3.2 强子的夸克结构强子的夸克结构 到目前到目前为为止，止，轻轻子子类类有六种有六种.它它们们是是电电子、子、子、子、子和分子和分别别与之与之对应对应的三种中微子的三种中微子.按当今人按当今人类类的的认识认识水平，水平，轻轻子子类类也只有也只有这这六种六种了，了，还还未未发现轻发现轻子有内部子
21、有内部结结构构.但是但是强强子情况却相反，子情况却相反，越来越大的加速器使人越来越大的加速器使人们们不断看到有新的不断看到有新的强强子出子出现现，至今已至今已发现发现强强子有八百多种子有八百多种.这这是使人是使人们们想到想到强强子不子不是基本粒子的重要原因是基本粒子的重要原因.25首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出16.3.3 16.3.3 相互作用的统一相互作用的统一粒子粒子间间有四种相互作用，它有四种相互作用，它们们各自是独立的各自是独立的.质质子和子和中子靠中子靠强强相互作用相互作用结结合成原子核；原子核和合成原子核；原子核和电电子靠子靠电电磁作用磁作用结结合成原子；弱相互作用合成原子；弱相互作用导导致致衰衰变变，万，万有引力作用存在于一切物体之有引力作用存在于一切物体之间间；强强相互作用和弱相互作用和弱相互作用是短程的，相互作用是短程的，对对宏宏观现观现象不起作用象不起作用.因此，因此，宏宏观观力的本原只有力的本原只有电电磁力和引力两种磁力和引力两种.26