第十四章
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第十四章. 原子核物理和粒子物理简介. 物质的基本单元. 原子. 质子、中子、电子. 夸克. 核子. 14-1 原子核的基本性质. 一、原子核的组成. 原子核由质子和中子组成。. 质子( P ):. 中子( n ):. 原子核符号. 具有 确定质子数 Z 和 中子数 N 的原子核称为 核素 。. 具有 相同的质子数 而 中子数不同 的原子核称为 同位素 。. 质量数 A 相同 而 质子数 Z 不同 的原子核称为 同量异位素 。. 质子、电子和中子符号. 二、原子核的大小. 原子核的体积总是正比于它的质量数 A.

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原子核物理和粒子物理简介

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Presentation Transcript


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第十四章

原子核物理和粒子物理简介


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物质的基本单元

原子

质子、中子、电子

夸克


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核子

14-1 原子核的基本性质

一、原子核的组成

原子核由质子和中子组成。

质子(P):

中子(n):

原子核符号


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具有确定质子数Z和中子数N的原子核称为核素。

具有相同的质子数而中子数不同的原子核称为同位素。

质量数A相同而质子数Z不同的原子核称为同量异位素。

质子、电子和中子符号


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二、原子核的大小

原子核的体积总是正比于它的质量数A

在一切原子核中,核物质的密度是一个常数。


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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。

核力的特征:

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。

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。


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四、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。

核自旋的确定:

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。


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核自旋角动量空间量子化

核自旋磁量子数

原子核有磁矩,

以核磁子为单位


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14.2 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。


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Z个质子和(A-Z)个中子结合成原子核时,释放能量

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(比结合能):

原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的比值。

平均结合能越大,

原子核越稳定。


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14-3 原子核的放射性衰变

一、原子核衰变

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。

三种衰变:衰变、衰变、衰变

1)衰变是原子核自发放射出粒子(即氦核)


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  • 衰变是核电荷改变而核子数不变的核衰变.分 +衰变、 -衰变和电子俘获三种

  • -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


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电子俘获

3) 衰变

射线是光子流,

是在衰变或衰变后形成新核时辐射出来的。

二、放射性衰变规律

t时刻样品中有N个核,在dt时间内有dN个发生衰变


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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。


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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:


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电子偶产生

电子偶湮灭

狄拉克海

(真空区)

*14-4 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

1932年安德逊在记录宇宙射线的云雾室中发现正电子

正电子的发现

正电子与电子有相同的质量,带正电。


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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。


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3、自旋。(自旋角动量以 为单位)

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)

4、平均寿命。


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四种相互作用的比较

引力作用

强作用

弱作用

电磁作用

短程

10-15~10-16

短程

<10-16

作用力程/m

长程,

长程,

衰变

原子结合

核力

天体之间

举例

相对强度

10-39

10-15

1/173

1

中间

玻色子

作用传递者

引力子

光子

胶子

被作用粒子

一切物体

强子、轻子

强子

强子

特征时间

>10-10

10-20~10-16

<10-23


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粒子的分类(按参与相互作用的性质)

1、规范粒子

规范粒子是传递作用力的粒子。

2、轻子

轻子完全不受强作用力的影响。

3、强子

强子分成介子和重子。


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夸克种类

(味)

奇异

up down strange charm bottom top

英文

u d s c b t

符号

质量(MeV)

5 10 500 1500 4800 ?

2/3 -1/3 -1/3 2/3 -1/3 2/3

电荷(e)

1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2

自旋( )

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。


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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。


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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。


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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。


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