原子核物理和粒子物理簡介

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1、原子核物理和粒子物理簡介第十七章物質(zhì)的基本單元原子質(zhì)子、中子、電子夸克17-1原子核的基本性質(zhì)一、原子核的質(zhì)子—中子模型原子核由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子（P）：中子（n）：原子核符號核子具有相同的質(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(gè)常數(shù)。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(shí)，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(shí)，自旋為非零整數(shù)。4.原子核的核子數(shù)是奇數(shù)時(shí)，自旋為1/2的奇數(shù)倍。核自旋的確定：原子核有磁

2、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“核磁共振”測定核磁矩原子核在磁場中有2I+1個(gè)可能的能量當(dāng)調(diào)節(jié)磁鐵的勵(lì)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。原子核在磁場中有2I+1個(gè)核磁能級，在核磁共振中會出現(xiàn)2I+1個(gè)共振峰。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

3、10-15m時(shí)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。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(shí)，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。質(zhì)量虧損1u，相應(yīng)能量改變?yōu)閆個(gè)質(zhì)子和(A-Z)個(gè)中子結(jié)合成原子核時(shí)，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(shí)所放出的能量。平均結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定。17-

4、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(gè)質(zhì)子的原子核，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)時(shí)，其核穩(wěn)定。穩(wěn)定性的預(yù)測：4、中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之比n/p=1時(shí)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(shí)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)?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?

5、+和?-兩種?-衰變是原子核內(nèi)中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，同時(shí)放出一個(gè)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(shí)放出一個(gè)正電子和一個(gè)中微子?射線是光子流，是在?衰變或?衰變后形成新核時(shí)輻射出來的。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(shí)刻樣品中有N個(gè)核，在dt時(shí)間內(nèi)有dN個(gè)發(fā)生衰變t=0，N=N0放射性衰變定律t時(shí)刻，每單位時(shí)間衰變的原子核數(shù)與該時(shí)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(shí)間。平均壽命每個(gè)原子核衰變前存在的時(shí)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：放射性活度

6、（放射性強(qiáng)度）一個(gè)放射源在單位時(shí)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)17-3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(gè)碎塊，同時(shí)放出約為200MeV的能量。半衰期為1.8?1018年核裂變：在中子作用下，核裂變成兩個(gè)碎塊，同時(shí)放出2個(gè)或3個(gè)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。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核反應(yīng)堆人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)使原子核

7、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(shí)的庫侖勢能發(fā)生聚變反應(yīng)，稱為熱核反應(yīng)。17-4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