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原子核物理和粒子物理简介,第十七章,物质的基本单元,原子,质子、中子、电子,夸克,17-1 原子核的基本性质,一、原子核的质子中子模型,原子核由质子和中子组成。,质子（P）：,中子（n）：,原子核符号,具有相同的质子数而中子数不同的原子核称为同位素。,质子、电子和中子符号,原子核的体积总是正比于它的质量数,在一切原子核中，核物质的密度是一个常数。,二、核自旋和磁矩,原子核有自旋，自旋角动量为,核自旋可以是整数，也可以是半整数。,1.质子和中子的自旋,2.原子核的质子数和中子数都是偶数时，自旋为零。,3.原子核的质子数和中子数都是奇数时，自旋为非零整数。,4.原子核的核子数是奇数时，自旋为1/2的奇数倍。,核自旋的确定：,原子核有磁矩，以核磁子为单位。,质子的磁矩,说明：中子的自旋角动量与磁矩方向相反。中子内部有一定的正负电荷分布，但正负电量相等，因此不显电性。,中子的磁矩,原子核磁矩与核自旋角动量的关系,原子核磁矩在某一特殊方向的投影,投影最大值,“核磁共振”测定核磁矩,原子核在磁场中有2I+1个可能的能量,当,调节磁铁的励磁电流，使,样品的原子核从磁场吸收能量，发生能级跃迁。,原子核从磁场中强烈吸收能量，称为核磁共振。,原子核在磁场中有2I+1个核磁能级，在核磁共振中会出现2I+1个共振峰。,三、核力,核子之间的相互作用力，抵消核子之间的较强的库仑排斥力。,1.核力是比电磁力强得多的强相互作用力，主要是吸引力。,2.核力是短程力，核子间距离小于10-15m时才明显。,3.核力与核子带电状况无关。,4.核力具有饱和性。,核力的特征：,1935年，日本物理学家汤川秀树提出核力的介子理论，认为核子之间通过交换介子而发生核力作用。,四、原子核的结合能,原子核的质量总是小于组成该原子核的核子的质量之和，它们之间的差额称为原子核的质量亏损。,核子在结合成原子核时，它们之间的核力作用使体系能量降低，从而释放出能量，相应质量减少了。,质量亏损1u，相应能量改变为,Z个质子和(A-Z)个中子结合成原子核时，释放能量,平均结合能：原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的比值。,原子核结合能：由质子和中子形成原子核时所放出的能量。,平均结合能越大，原子核越稳定。,17-2 原子核的放射性衰变,一、原子核的稳定性,原子核不会自发地改变其质子数、中子数和它的基本性质。,稳定原子核和不稳定（或放射性）原子核,1、原子核中的质子数等于和大于84的原子核是不稳定的。,2、具有少于84个质子的原子核，质子数和中子数均为偶数时，其核稳定。,稳定性的预测：,4、中子数和质子数之比n/p=1时原子核稳定，比值越大，稳定性越差。,二、原子核衰变,三种射线：射线、射线、射线,不稳定的原子核会自发地转变成另一种核而同时放出射线，这种变化叫放射性衰变。,3、质子数或中子数等于2，8，20，28，50，82，126的原子核特别稳定。,幻数,射线是粒子流，是带正电的氦核,射线是高速运动的电子流，分+和-两种,-衰变是原子核内中子转变成质子，同时放出一个电子和与电子相联系的反中微子,+衰变是原子核内质子转变成中子，同时放出一个正电子和一个中微子,射线是光子流，是在衰变或衰变后形成新核时辐射出来的。,放射性衰变过程遵守电荷守恒、质量数守恒、能量守恒、动量守恒、角动量守恒。,三、放射性衰变定律,t时刻样品中有N个核，在dt时间内有dN个发生衰变,t=0，N=N0,放射性衰变定律,t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。越大，衰变越快。,半衰期,原子核衰变到N=N0/2所需的时间。,平均寿命,每个原子核衰变前存在的时间的平均值。,原子核的寿命：,平均寿命：,平均寿命与半衰期的关系：,放射性活度（放射性强度）,一个放射源在单位时间内发生的核衰变次数。,国际单位：贝克勒尔(Bq),t=0，N=N0，I=N0,1Bq表示每秒发生一次核衰变的放射源的活度。,常用单位：居里(Ci),17-3 原子核能的利用,一、原子核能的几种释放模式,1、原子核的衰变,半衰期为87.84年,2、原子核的裂变,自发裂变：由重核自发地裂变成两个碎块，同时放出约为200MeV的能量。,半衰期为1.81018年,核裂变：在中子作用下，核裂变成两个碎块，同时放出2个或3个中子。,3、原子核的聚变,由轻原子核聚合成质量较大的原子核。,二、原子核能的利用,1、核反应堆,链式反应,利用中子诱发重核裂变从而释放原子核能,核反应堆,人工方法控制链式反应使原子核能和平利用的设备。,利用减速剂（慢化剂）将裂变的快中子减速为热中子,主要组成部分：堆芯、中子反射层、冷却系统、控制系统,2、受控核聚变,将氘核加热，使氘核在无规则运动中相互碰撞，使氘核热运动动能能克服相互接触时的库仑势能发生聚变反应，称为热核反应。,17-4 粒子物理简介,一、粒子特征 四种相互作用和粒子分类,基本粒子：质子、光子、中子、电子,正电子的发现,1932年安德逊在记录宇宙射线的云雾室中发现正电子,正电子与电子有相同的质量，带正电。,正反粒子 两者质量、自旋、平均寿命完全相同。电荷等值异号，磁矩方向相反。,中微子的发现,1930年泡利根据衰变前后应遵守角动量守恒和能量守恒提出核在发射粒子的同时应发射一个质量几乎为零的中性粒子，称中微子。,粒子的特征的描述,1、质量。（常用能量表示）,2、电量。（常以电子电量e为单位）,3、自旋。（自旋角动量以 为单位）,4、平均寿命。,粒子的分类（按参与相互作用的性质）,1、规范粒子,2、轻子,3、强子,规范粒子是传递作用力的粒子。,轻子完全不受强作用力的影响。,强子分成介子和重子。,二、强子的夸克结构,夸克是强子的组成粒子。夸克共有6种。,每种夸克都有相应的反夸克。,重子都由三个夸克组成。,介子都由一个夸克和一个反夸克组成。,三、相互作用的统一,弱电统一理论：弱作用与电磁作用的统一,能量很高时，传递弱力的媒介粒子与光子一样静质量为零，由于内部某种对称性使弱力和电磁力成为同一种力。,能量较低时，内部某种对称性被破坏，使某些传递力的媒介粒子获得很重的质量，传递的力就变得很弱，即弱力。有一种媒介粒子仍保持静止质量为零，它传递的就是电磁力。,大统一理论：强相互作用和弱电作用统一,超大统一理论：四种相互作用的统一,有待于验证。,