原子核物理与基本粒子简介课件

16.1 原子核的基本性质原子核的基本性质16.2 核力和核结构核力和核结构16.3 原子核的结合能原子核的结合能 裂变和聚变裂变和聚变16.4 放射性衰变放射性衰变16.5 粒子物理简介粒子物理简介第第16章章 原子核物理和粒子原子核物理和粒子物理简介物理简介BEPC储存环储存环16.1 原子核的基本性质第16章 原子核物理和粒子物理简本章教学要求本章教学要求了解原子核的基本性质，理解核力与核结构的特点；理解原子核的结合能、核裂变与聚变及其与核能和平开发利用的关系，了解核放射性衰变及其特点；了解粒子物理的基本知识。本章教学要求了解原子核的基本性质，理解核力与核结构的特点；一、原子核的组成一、原子核的组成1932年年查德威克查德威克发现了发现了中子中子。1911年年卢瑟福卢瑟福建立了建立了原子核原子核的概念。的概念。海海 森森 伯伯提出了原子核是由提出了原子核是由质子质子和和中子中子组成的假设。组成的假设。16.1 原子核的基本性质表示表示符号符号电量电量静止质量静止质量(kg)寿命寿命核核子子质子质子p+e1.672 6231 1 10-27稳定稳定中子中子n01.674 928 6 10-27928 s二、原子核的电荷和质量二、原子核的电荷和质量原子核带电量为原子核带电量为+Ze，电荷数电荷数 Z 为核内质子数。为核内质子数。一、原子核的组成1932年查德威克发现了中子。1911年卢瑟原子质量单位原子质量单位 u 为一个处于基态的为一个处于基态的 中性原子质量中性原子质量 1/12 同位素同位素 具有相同原子序数的核素。具有相同原子序数的核素。例：例：。同中子异位素同中子异位素 具有相同中子数的核素。具有相同中子数的核素。例：例：。电荷数电荷数质量数质量数原子核的半径可近似地表示原子核的半径可近似地表示为 白矮星密度白矮星密度 10 9 21011 kg/m3 中子星密度中子星密度 1018 kg/m3 核物质平均密度核物质平均密度 21017 kg/m3三、原子核的形状和大小三、原子核的形状和大小原子质量单位 u 为一个处于基态的 中性原子质量 I 称为核自旋量子数称为核自旋量子数四、原子核的自旋和磁矩四、原子核的自旋和磁矩1.核自旋核自旋(1)I 只能取整数或半整数。只能取整数或半整数。讨论讨论(2)原子核基态的自旋量子数有如下规律：原子核基态的自旋量子数有如下规律：偶偶-偶核的自旋量子数都等于零；偶核的自旋量子数都等于零；奇奇-奇核的自旋量子数都等于非零整数；奇核的自旋量子数都等于非零整数；奇奇A 核的自旋量子数都等于半整数。核的自旋量子数都等于半整数。在给定方向的投影为在给定方向的投影为(3)核自旋核自旋mI 为原子核的磁量子数为原子核的磁量子数，取值取值 I,(I1),(I1),I。I 称为核自旋量子数四、原子核的自旋和磁矩1.核自旋(1)2.原子核的磁矩原子核的磁矩N 称为核磁子称为核磁子,gI 称为原子核称为原子核 g 的因子的因子(1)讨论讨论与核自旋平行和反平行两种情况。与核自旋平行和反平行两种情况。(4)质子的磁矩几乎是核磁子的质子的磁矩几乎是核磁子的 3 倍倍，而中子具有负磁矩，而中子具有负磁矩，最大可能值为最大可能值为 。(3)核磁矩在给定方向的投影可能取值为核磁矩在给定方向的投影可能取值为 gImIN。其投影的其投影的数值约为核磁子的数值约为核磁子的 2 倍倍。这表明不能把质子和中子看成。这表明不能把质子和中子看成是无内部结构的粒子。是无内部结构的粒子。(2)gI 是一个纯数，可能为正，也可能为负，分别表示磁矩是一个纯数，可能为正，也可能为负，分别表示磁矩2.原子核的磁矩N 称为核磁子,gI 称为原子核 g(5)氘核的磁矩虽然非常接近于质子磁矩和中子磁矩之和，氘核的磁矩虽然非常接近于质子磁矩和中子磁矩之和，但并不完全相等，其它原子核的磁矩也是如此，都不等于但并不完全相等，其它原子核的磁矩也是如此，都不等于组成它的所有核子磁矩之和。这一事实说明核内各核子间组成它的所有核子磁矩之和。这一事实说明核内各核子间存在着复杂的相互作用。存在着复杂的相互作用。(5)氘核的磁矩虽然非常接近于质子磁矩和中子磁矩之和，但并 核力是短程强作用力核力是短程强作用力 核力与核子的电荷无关核力与核子的电荷无关 核力是具有饱和性的交换力核力是具有饱和性的交换力 核力与自旋有关核力与自旋有关 核力中除了有心力外，还包含有微弱的非有心力成分核力中除了有心力外，还包含有微弱的非有心力成分一、核力及其性质一、核力及其性质1.液滴模型液滴模型核结合核结合能的半经验公式，与实验结果符合得相当好。能的半经验公式，与实验结果符合得相当好。l 成功的说明了原子核裂变现象。成功的说明了原子核裂变现象。l 1935年魏茨泽克根据液滴模型提出了一个关于原子年魏茨泽克根据液滴模型提出了一个关于原子二、核结构模型二、核结构模型成功成功应用应用实例实例16.2 核力和核结构 核力是短程强作用力 核力与核子的电荷无关 核力是具有饱和性成功地描写原子核整体行为，抓住了核子间相互作用成功地描写原子核整体行为，抓住了核子间相互作用最重要最重要的特性的特性 核力的短程性和饱和性。核力的短程性和饱和性。把原子核当作一个整体，没有说明原子核的内部结构，把原子核当作一个整体，没有说明原子核的内部结构，无无法解释原子核诸如能级结构、角动量等特性。法解释原子核诸如能级结构、角动量等特性。缺缺点点优优点点“幻数幻数”核核 质子数或中子数等于质子数或中子数等于 2,8,20,28,50,82 和中子数和中子数为为 126 时的原子核。时的原子核。成功的解释了原子核幻数、基态的自旋和宇称以及衰变等。成功的解释了原子核幻数、基态的自旋和宇称以及衰变等。2.壳层模型壳层模型成功应用实例成功应用实例成功地描写原子核整体行为，抓住了核子间相互作用最重要的特性 独立独立地在一个静止的平均势场中运动的假设过于简化。地在一个静止的平均势场中运动的假设过于简化。不能解释远离双幻核区域的不能解释远离双幻核区域的 原子核磁矩、核电四极矩以原子核磁矩、核电四极矩以及及 跃迁概率等问题。这表明壳层模型中关于各核子彼此跃迁概率等问题。这表明壳层模型中关于各核子彼此不足不足3.集体模型集体模型在在50年代初，丹麦物理学家玻尔等人提出了在考虑单粒子年代初，丹麦物理学家玻尔等人提出了在考虑单粒子独立运动的同时独立运动的同时，还必须考虑原子核发生转动和振动等集还必须考虑原子核发生转动和振动等集体运动的新模型体运动的新模型 集体模型集体模型，或称为综合模型。，或称为综合模型。独立地在一个静止的平均势场中运动的假设过于简化。不能解释远离16.3 原子核的结合能 裂变和聚变一、原子核的结合能一、原子核的结合能 原子核质量小于组成核的所有核子静止质量之和，二原子核质量小于组成核的所有核子静止质量之和，二者之差者之差1.原子核质量亏损原子核质量亏损 一个中性轻原子质量，一个中性轻原子质量，中性原子核质中性原子核质量。二者相减，量。二者相减，Z 个电子质量抵消。个电子质量抵消。2.原子核的结合能原子核的结合能把原子核拆散所需做功的最小数值把原子核拆散所需做功的最小数值16.3 原子核的结合能 裂变和聚变一、原子核的结合能 9876543210 4 8 12 16 20 24 28 50 100 150 200 2502H6Li3He8Be7Li4He11B12C20Ne16O24Mg30(MeV)EB/AA1.比结合能总比结合能总趋势随趋势随A增加增加而增大，但有而增大，但有起伏。起伏。2.比结合能变化不大，结比结合能变化不大，结合能大致和合能大致和A成正比。成正比。3.中等质量原中等质量原子核的比结子核的比结合能大，轻合能大，轻核、重核比核、重核比结合能较小结合能较小两个轻原子核聚集成稍重原子核或重原子核分裂为两个中两个轻原子核聚集成稍重原子核或重原子核分裂为两个中等质量原子核由于比结合能增大，可释放出能量。等质量原子核由于比结合能增大，可释放出能量。3.原子核的比结合能原子核的比结合能9630 4 8 12 16 20 24 例例 吸收一个中子，一个可能的反应过程吸收一个中子，一个可能的反应过程二、核裂变与核聚变二、核裂变与核聚变1.原子核裂变原子核裂变一个重原子核分裂为两个过两个以上中等质量原子核，同一个重原子核分裂为两个过两个以上中等质量原子核，同时释放出极大能量。时释放出极大能量。释放出约释放出约200MeV的能量，同时放出两三个中子。如的能量，同时放出两三个中子。如果其中至少有一个中子能诱发另一个果其中至少有一个中子能诱发另一个 裂变，就能使裂裂变，就能使裂变自持地进行下去，形成变自持地进行下去，形成裂变链式反应裂变链式反应。说明说明(1)在在1942年年12月费米建立了第一座可控核裂变链式反应堆。月费米建立了第一座可控核裂变链式反应堆。(2)化学反应中一个原子能够提供的化学能不到化学反应中一个原子能够提供的化学能不到10 eV，与一，与一个核裂变能相比小个核裂变能相比小10-7 倍。倍。1kg 的的 235U 全部裂变释放出可全部裂变释放出可利用的核能，约相当于利用的核能，约相当于 2500 t 标准煤燃烧所放出热能。标准煤燃烧所放出热能。例 吸收一个中子，一个可能的反应过程二、核裂变已提纯已提纯的的 235U,准准备再加工为实弹弹备再加工为实弹弹头头 核电站核电站工作原理图工作原理图已提纯的 235U,准备再加工为实弹弹头 核电站四个常见的重要轻核聚变反应四个常见的重要轻核聚变反应以上四个反应的总效果是以上四个反应的总效果是3.原子核的聚变原子核的聚变(1)1kg 的氘核聚变时，放出的能量是的氘核聚变时，放出的能量是 1 kg 铀裂变时放出铀裂变时放出能量的能量的 4 倍，相当于倍，相当于104 t 煤燃烧放出的能量。煤燃烧放出的能量。说明说明两个轻核聚合成为一个稍重原子核的过程。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聚变反应以上四个反应的总效果是3.原子核(2)依靠核聚变取得能量的例子有：依靠核聚变取得能量的例子有：太阳能太阳能(引力约束核聚引力约束核聚变变)和和氢弹氢弹(惯性约束核聚变惯性约束核聚变)。(3)惯性约束惯性约束和和磁约束磁约束聚变是受控热核反应的两种主导方式。聚变是受控热核反应的两种主导方式。图示为用于激光核聚变实验的图示为用于激光核聚变实验的六路真空靶室，实验中采用大六路真空靶室，实验中采用大功率功率(1014 W)钕玻璃激光器。钕玻璃激光器。用于激光核聚变靶室的氘用于激光核聚变靶室的氘氚混合燃料弹丸，它是微氚混合燃料弹丸，它是微小球体，直径约几个毫米。小球体，直径约几个毫米。(2)依靠核聚变取得能量的例子有：太阳能(引力约束核聚变)一、放射系一、放射系 镎系中，镎的半衰期最长，为镎系中，镎的半衰期最长，为 2.14l0 6 年，由年，由于其比地球年龄短得多，因此天然不存在镎系。于其比地球年龄短得多，因此天然不存在镎系。16.4 放射性衰变放射系放射系 母核母核连续衰连续衰变次数变次数末代子核末代子核A 满足的满足的关系式关系式钍系钍系10A=4n天然天然铀系铀系14A=4n+2天然天然锕系锕系 11A=4n+3天然天然镎系镎系 13A=4n+1人工人工一、放射系 镎系中，镎的半衰期最长1.指数衰变律指数衰变律二、放射性衰变的基本规律二、放射性衰变的基本规律在在 t 到到 t+dt 时间内发生衰变的原子核数与时间内发生衰变的原子核数与t时未衰变的原时未衰变的原子数子数 N 成正比，与时间成正比，与时间 dt 成正比，为成正比，为(1)放射性衰变遵从指数规律；放射性衰变遵从指数规律；积分得积分得说明说明衰变常量衰变常量 单位时间内原子核发生衰变的概率。单位时间内原子核发生衰变的概率。(2)N0为为 t=0时原子核数目；时原子核数目；(3)由第一式得由第一式得0 T 2T 3T 4TN/N0 1.0 0.5t1.指数衰变律二、放射性衰变的基本规律在 t 到 t+半衰期半衰期T 原子核数衰变到原来数目一半所需的时间原子核数衰变到原来数目一半所需的时间 平均寿命平均寿命 表示每个原子核衰变前存在表示每个原子核衰变前存在 时间的平均值。时间的平均值。2.半衰期和平均寿命半衰期和平均寿命(1)平均寿命为衰变常量的倒数，是半衰期的平均寿命为衰变常量的倒数，是半衰期的 1.44 倍；倍；(2)经过时间经过时间 后，剩下的原子核数约为原来的后，剩下的原子核数约为原来的 37。说明说明0 T 2T 3T 4TN/N0 1.0 0.5t在在 t 到到 t+dt 时间内发生衰变的原子核数时间内发生衰变的原子核数为为 Ndt，其总寿命为，其总寿命为 t Ndt。所有原子。所有原子核的总寿命为核的总寿命为 ，平均寿命为，平均寿命为 半衰期T 原子核数衰变到原来数目一半所需的时间 平3.放射性活放射性活(强强)度度 I一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数1 Ci 3.71010 Bq1 Bq 1 次核衰变秒次核衰变秒I0=N0 为为t=0 时放射源的强度时放射源的强度其中其中常用单位居里常用单位居里(Ci)，国际单位贝克勒，国际单位贝克勒(Bq)三、三、测年法测年法 宇宙射线中的中子与大气中的宇宙射线中的中子与大气中的 发生反应发生反应 碳放射性同位素碳放射性同位素,半衰期半衰期5730年年大气中的大气中的 是稳定的，生物体一旦死亡，是稳定的，生物体一旦死亡，得不到补充，得不到补充，体内的体内的 就会按放射性规律减少。通过测量就会按放射性规律减少。通过测量 的放射性活的放射性活度就可确定生物体与外界停止碳交换的年代。度就可确定生物体与外界停止碳交换的年代。3.放射性活(强)度 I一个放射源在单位时间内发生衰变的原一、粒子的分类一、粒子的分类分类分类自旋自旋泡利不相泡利不相容原理容原理统计规律统计规律费米子费米子(电子电子 质子质子 中中子子 各种重子各种重子)半整数半整数1/2，3/2，服从服从费米费米狄拉克狄拉克统计分布统计分布玻色子玻色子(光子光子 介子介子K介子、介子、介子介子)整数整数0 或或 1 等等不服从不服从玻色玻色 爱因斯坦爱因斯坦统计分布统计分布1.按自旋分类按自旋分类16.5 粒子物理简介一、粒子的分类分类自旋泡利不相容原理统计规律费米子半整数服从光子光子W粒子粒子Z0粒子粒子胶子胶子符号符号 WZ0g质量质量(MeV/c2)080380929000自旋自旋1111平均寿命平均寿命稳定稳定0.95 10-250.77 10-25稳定稳定主要衰变方式主要衰变方式W e-+Z0e+e-2.按相互作用分类按相互作用分类(1)规规范玻色子范玻色子规范玻色子是传递相互作用的粒子规范玻色子是传递相互作用的粒子 光子传递电磁相互作用，光子传递电磁相互作用，W 和和 Z0 传递弱相互作用，传递弱相互作用，胶胶子传递强相互作用。引力子传递引力相互作用，理论上子传递强相互作用。引力子传递引力相互作用，理论上预言它的自旋是预言它的自旋是 2。光子W粒子Z0粒子胶子符号WZ0g质量(MeV/c2)0分类分类正反粒正反粒子子自旋自旋电荷量电荷量e重子数重子数B轻子数轻子数寿命寿命10-6 s轻轻 子子电子电子子子子子1/2-1 +1-1 +1-1 +10000-1 +1稳定稳定2.22.3中中微微子子稳定稳定(2)轻子（轻子（共共12种种）中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。说明说明 轻子轻子参与引力相互作用、电磁相互作用和弱相互作用参与引力相互作用、电磁相互作用和弱相互作用分类正反粒子自旋电荷量重子数B轻子数寿命10-6 s轻 子电分类分类粒子名称粒子名称自旋自旋介子介子、K介子等介子等整数整数玻色子玻色子重子重子核子核子质子、中子及其反粒子质子、中子及其反粒子1/2(超子超子 3/2)费密子费密子超子超子超子及反粒子超子及反粒子(3)强子强子 强子强子参与所有四种相互作用参与所有四种相互作用分类粒子名称自旋介子、K介子等整数玻色子重子二、四种基本相互作用二、四种基本相互作用1.四种基本相互作用的性质四种基本相互作用的性质类别类别强作用强作用电磁作用电磁作用弱作用弱作用引力作用引力作用参与粒子参与粒子夸克夸克强子强子强子强子 轻子轻子 光子光子强子强子 轻子轻子一切物质一切物质媒介粒子媒介粒子胶子胶子介子介子光子光子W 和和Z0引力子引力子相对强度相对强度110-210-1310-39力程力程10-17-10-18 10-15长程长程 10-17长程长程作用时间作用时间10-2310-20 10-16 10-8一切物质一切物质弱电统一理论弱电统一理论 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，如果交换的是作用过程中，如果交换的是W+、W 和和 Z0 粒子，就是弱粒子，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。相互作用过程；如果交换的是光子，就是电磁相互作用过程。二、四种基本相互作用1.四种基本相互作用的性质类别强作用电 守恒量守恒量相互作用相互作用能能量量动动量量角角动动量量电电荷荷 轻轻子子数数e轻轻子子数数重重子子数数同同位位旋旋同位同位旋分旋分量量奇奇异异数数宇宇称称强相互作用强相互作用+弱相互作用弱相互作用+-电磁相互作用电磁相互作用+-+三、基本相互作用和守恒定律三、基本相互作用和守恒定律注：注：“-”表示不守恒；表示不守恒；“+”表示表示守恒守恒例如例如重子数重子数 1 1 0 0 守恒守恒轻子数轻子数 0 0 -1 1 守恒守恒 守恒量能量动量角动量电荷轻子数e下夸克下夸克 d 上夸克上夸克 u 奇夸克奇夸克 s强子结构夸克模型强子结构夸克模型 (1964年年)粲夸克粲夸克 c 底夸克底夸克 b 顶夸克顶夸克 t四、强子结构的夸克模型四、强子结构的夸克模型 介子介子 夸克和反夸克组成夸克和反夸克组成重子重子 三个夸克组成三个夸克组成下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s强子结构夸克模夸克夸克质量质量电荷电荷e自自旋旋重重子子数数同同位位旋旋同位同位旋分旋分量量奇奇异异数数超荷超荷粲粲数数底底数数顶顶数数d下夸克下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克顶夸克1742/30+1/300+11.质子质子(uud)电荷电荷重子数重子数奇异数奇异数自旋自旋同位旋同位旋夸克质量电荷自旋重子数同位旋同位旋分量奇异数超荷粲数底数顶数2.奇异粒子奇异粒子（uus）电荷电荷重子数重子数奇异数奇异数自旋自旋夸克夸克质量质量电荷电荷e自自旋旋重重子子数数同同位位旋旋同位同位旋分旋分量量奇奇异异数数超荷超荷粲粲数数底底数数顶顶数数d下夸克下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克顶夸克1742/30+1/300+12.奇异粒子（uus）电荷重子数奇异数自旋夸克质量电荷自旋3.+介子介子重子数重子数电荷电荷奇异数奇异数自旋自旋同位旋分量同位旋分量夸克夸克质量质量电荷电荷e自自旋旋重重子子数数同同位位旋旋同位同位旋分旋分量量奇奇异异数数超荷超荷粲粲数数底底数数顶顶数数d下夸克下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克顶夸克1742/30+1/300+13.+介子重子数电荷奇异数自旋同位旋分量夸克质量电荷自旋