原子核和基本粒子簡介

第1頁共28頁18.1原子核的結(jié)構(gòu)和基本組成原子核由質(zhì)子(proton)和中子(neutron)組成核子(Nucleon)中子

mn=1.008665uQ=0質(zhì)子mp=1.007277uQ=e

核子的組成核子的大小

第2頁共28頁Z——質(zhì)子數(shù)N——中子數(shù)A——核子數(shù)

(nucleonnumber)核子的符號(hào)表示：同位素(isotope)：Z相同而A不同的核素.同量異位素(isobar)：A相同而Z不同的核素.第3頁共28頁氘核(2H):質(zhì)量虧損:原子核的結(jié)合能md=2.013552ump=1.007277umn=1.008665ump+mn=2.015942u+

m=(mp+mn)

-md

=0.002388u-當(dāng)所有核子(質(zhì)子和中子)由于相互吸引聚集成原子核時(shí),會(huì)釋放能量,以致出現(xiàn)“質(zhì)量虧損”,所釋放的能量即定義為原子核的結(jié)合能.結(jié)合能Eb:第4頁共28頁核力:把質(zhì)子和中子糾合在一起,構(gòu)成一個(gè)個(gè)穩(wěn)定的原子核(也包括不穩(wěn)定的原子核)的強(qiáng)大的束縛力.核力的性質(zhì):核力是強(qiáng)相互作用:核力約比庫侖力大100多倍核力的短程性：核力的力程為fm量級(jí)

核力的飽和性：核力具有飽和性核力的電荷無關(guān)性：Fpp=Fnn=Fnp核力與核子的自旋等也有關(guān).核力132第5頁共28頁原子核中每個(gè)核子的平均結(jié)合能:比結(jié)合能越大，原子核結(jié)合越緊密;也越穩(wěn)定。比結(jié)合能圖獲得原子能量的兩條途徑:(2)輕核聚變(1)重核裂變比結(jié)合能第6頁共28頁18.2原子核的衰變和衰變規(guī)律18.2.1天然放射性現(xiàn)象

1896年,法國科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性現(xiàn)象.

天然放射現(xiàn)象:

某些物質(zhì)自發(fā)地放射出看不見的射線的現(xiàn)象.放射源鉛盒射線照相底片放射性:發(fā)射射線的性質(zhì).放射性元素:具有放射性的元素.貝克勒爾居里夫婦放出射線后,元素的性質(zhì)發(fā)生變化.第7頁共28頁放射源鉛盒

+++++++-------

鉛盒

放射源通過磁場或電場可以將天然放射線分離開來,并加以鑒別.

天然放射線的種類及其其性質(zhì):

粒子:高速氦核流

粒子:高速電子流射線:高頻電磁波(高能光子流)第8頁共28頁天然放射線的性質(zhì)及其比較名稱構(gòu)成電量（e）質(zhì)量(u)射出速度電離能力貫穿本領(lǐng)αβγ氦核+240.1c最強(qiáng)最弱電子-11/18400.9c較強(qiáng)較強(qiáng)光子00c最弱最強(qiáng)第9頁共28頁若:t=0時(shí),N=N0；在dt內(nèi)核衰變數(shù)為

–dN

:則：其中

為比例系數(shù),表示一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率——稱為衰變常量.(指數(shù)衰變律)18.2.2原子核衰變的規(guī)律半衰期T1/2:

放射性原子核衰減到原來數(shù)目的一半所需要的時(shí)間.平均壽命

：第10頁共28頁放射性活度A:單位:1貝克勒(Bq)=1

次核衰變/秒輻射效應(yīng)單位1倫琴(R)=使1千克空氣中產(chǎn)生2.5810-4

庫侖的電量的輻射量1拉德(rad)=1克受輻射物質(zhì)吸收100爾格的輻射能量1戈瑞(Gy)=1千克受輻射物質(zhì)吸收1焦耳的輻射能量放射性物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)目.1居里(Ci)

=3.71010

貝克勒(Bq)第11頁共28頁例題1:

在考古工作中,可以從古生物遺骸中14C的含量推算古生物到現(xiàn)在的時(shí)間t.設(shè)

是古生物遺骸中14C和12C存量之比,

0是空氣中14C和12C存量之比試推導(dǎo)出下列公式:式中T1/2為14C的半衰期.解:活體中,14C和12C之比與大氣相同.第12頁共28頁18.2.3位移定則原子核的衰變:一種元素經(jīng)放射過程變成另一種元素的現(xiàn)象,稱為原子核的衰變.原子核衰變時(shí)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒,但質(zhì)量不守恒(愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系解釋).衰變規(guī)律(位移定則):

衰變:

衰變:

衰變:原子核處于較高能級(jí),輻射光子后躍遷到低能級(jí).

輻射不引起原子核衰變.第13頁共28頁核輻射被電離室中的氣體吸收,該氣體將發(fā)生電離.電離探測器即是通過收集射線在氣體中產(chǎn)生的電離電荷進(jìn)行測量的.常用的有電離室、正比計(jì)數(shù)器、蓋革-彌勒計(jì)數(shù)器.18.2.4探測放射性現(xiàn)象的方法圖示為蓋革-彌勒計(jì)數(shù)器工作原理.測量由每一入射粒子引起電離作用而產(chǎn)生的脈沖式電壓變化,從而對入射粒子逐個(gè)計(jì)數(shù),適合于測量弱放射性.第14頁共28頁核反應(yīng)類型:中子核反應(yīng)帶電粒子核反應(yīng)光核反應(yīng)按轟擊粒子的種類分：一種元素在具有一定能量的粒子的轟擊下衰變成另一種元素的現(xiàn)象。核反應(yīng):低能核反應(yīng)中能核反應(yīng)高能核反應(yīng)按轟擊粒子的能量分：18.3核反應(yīng)第15頁共28頁核反應(yīng)一般表示式:發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng):第一個(gè)人工核反應(yīng):核反應(yīng)的兩種主要機(jī)制:復(fù)合核和直接作用1.庫侖散射和庫侖激發(fā)2.核勢散射3.表面散射4.表面嬗射5.削裂和掇拾反應(yīng)復(fù)合核機(jī)制:第一步是入射粒子與靶粒子形成復(fù)合核.第二步處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合核再衰變成幾個(gè)粒子.直接反應(yīng):第16頁共28頁重核的裂變:18.4原子核能的利用第17頁共28頁原子彈(atomicbomb)第18頁共28頁輕核聚變:1967年中國爆炸了第一顆氫彈太陽能氫彈示意圖第19頁共28頁基本粒子線度小,作用距離短,相應(yīng)動(dòng)量的不確定性大,研究工作只有借助于涉及很高的能量(GeV)才有可能.因而粒子物理也叫高能物理.高能粒子的獲得：粒子加速器

宇宙射線粒子加速器是利用電場來推動(dòng)帶電粒子使之獲得高能量.18.5基本粒子簡介位于日內(nèi)瓦郊外的歐洲核子研究中心(CERN)的加速器:大環(huán)是周長達(dá)27公里的正負(fù)電子撞機(jī)LEP(LargeElectron-PositronCollider),小環(huán)是超級(jí)質(zhì)子同步加速器SPS(SuperProt