第十五章 原子核物理和粒子物理简介.pdf

第十五章原子核物理和粒子物理简介15-1原子核的基本性质 15-2原子核的结合能裂变和聚变 15-3原子核的放射性衰变 15-4粒子物理简介 15-5粒子物理与宇宙学151原子核的基本性质一、原子核的电荷和质量原子核带有正电荷q=ZeZ是原子核的电荷数（即质子数），等于核外 电子数，也是化学元素的原子序数。原子核的质量等于原子的质量减去核外电子的质 量，与原子的质量相差极小。原子质量单位（U）：选碳的同位素/C基态原子静止 质量的1/12为一个原子质量单位（U）：lu=1.6605 xl0-27kg=931.5 MeV/c2退出表15-1几种同位素的原子质量同位素原子质量/u同位素原子质量/U：H 二1.007 82513c,13.003 3542.014 10214.003 074:H3.016 050:郛15.000 1085 He3.016 03016 0 815.994 915：Hr4.002 60317 016.999 1336 T 3L16.015 126199F18.998 405；Li7.016 005uNa22.989 773J Be9.012 18629 Cll62.929 594B10.129 39120 U50 Sn119.902 19811.009 305184 yv183.951 025箕12.000 00238 u92 238.048 61由上表可见，以“原子质量单位”（11）计算原子 的质量时，原子质量都接近于一个整数，这个整数称 为原子核的质量数，或称核子数，以力表示。返回退出质量数力和电荷数Z是原子核的特征物理量。若 用X表示化学元素符号，则原子核表示为zXZ和Z都相同的原子核称为某种核素(nuclide)oZ相同而Z不同的原子核称为同位素(isotope)o如氢有三种同位素：氢核、笊核(或重氢)、晁核；H；H(或;D)：H返回退出、原子核的大小和形状原子核的半径IO，m实验指出，核的体积正比于质量数力。若把原子核 看作球体，则4 3 1 7iR o c A R cc A33写为 R=(7?0=1.2xl0-15m=1.2 fiii火=1.2/3 fin1如 c：H2xl2&=2.7(fi0121fu：7?1.2x238i=7.4(fii 返回退出若原子核是球体，它所带的电荷是均匀分布的。用精密光谱仪分析发现原子光谱中有来源于原子核电 四极矩的超精细结构，说明原子核的电荷分布大多应 为旋转椭球体，而核物质分布与电荷分布类似。一般椭球的长轴与短 轴之比不超过5/4,与球体偏离不大，可 把这些原子近似地看 作球体。有些原子核本身就 是球体，如16。6.8fm各种原子核应有基本相同的核子密度和核物质密度I核子密度/fm0.2返回退出例15-1计算原子核物质密度。解：设原子核的质量、半径和密度分别为加、火和夕p=2.3 x 1017 kg/m 3 tiR33与中子星的密度相当。一个乒乓球大小的核物质，m=2xl012kgo返回退出三、原子核的组成氢原子核有最小的电荷数和质量数。1919年，卢瑟福用a粒子轰击氮核，结果产生 一个氧核和一个氢核。断定氢核是构成其他原子核 的带电的基本粒子，并定名为质子，用符号P表示。质子的质量为 m=1.007276 up1930年，玻特和贝克用a粒子轰击镀核，发现有 一种不带电的粒子射线放出来，后来命名为中子，用符号n表示。中子是一种构成其他原子核的不带电 的另一个基本粒子，其质量与质子相近，为m=1.008 665 u n退出宇宙中还发现了由大量中子聚合而成的中子星。中子在原子核中是构成核的稳定粒子，但在核 外并不稳定，一个核外的自由中子的平均寿命约为 15分钟，n f p+%因此自由中子是有放射性的。质子和中子统称为核子，原子核由Z个质子和(A-Z)个中子构成。退出四、核力和介子是什么力使质子与质子，质子与中子，中子与 中子紧紧地束缚在一起？是电磁力？是万有引力？研究发现，是一种叫做核力(nuclaer force)的强相互作用力。具有下列重要性质：1.核力比电磁力强100多倍，是强相互作用力。2.核力是短程力。有效距离为几个fm(约2 fm)之内。3.核力具有“饱和”性质，即一个核子只能和它紧 邻的核子有核力相互作用。4.核力与核子的带电状况无关。返回退出电磁相互作用是带电粒子交换光子而产生的。1935年，日本物理学家汤川秀树（H.Yukawa）提 出了核力的介子（meson）理论，并于1947年得到 证实。核力的本质 核力是一种交换力，核子间的相互 作用是一个核子放出一个兀介子（质量是电子的270 倍），然后被另一个核子吸收而形成的。汤川秀树因此获得1949年的诺贝尔物理学奖。兀介子有三种荷电状态：兀+、兀、兀中子与中子间和质子与质子间交换冗。介子；质子与中子间交换兀+或兀一介子；返回退出质子与质子间和中子与中子间的相互作用示意图质子放出兀介子，同时 被另一质子吸收，每一 核子的电荷不变中子放出兀。介子，同时 被另一中子吸收，每一 核子的电荷不变返回退出中子与质子间的相互作用中子放出一个兀一介 子被质子吸收，同时 中子转化为质子，质 子转化为中子质子放出一个兀+介子 被中子吸收，同时质 子转化为中子，中子 转化为质子返回退出五、核子和核的自旋与磁矩与原子中的电子相似，核子也具有“轨道”角动量 和自旋角动量。质子和中子的自旋量子数都是1/2。原子核的总角动量等于所有核子的“轨道”角动 量和自旋角动量的矢量和，习惯上称为核的自旋 角动量,简称核自旋（nuclear spin）。实验指出，偶偶核（质子数Z和中子数N都是偶数）的自旋量子数都是零，如:He,其,u等。奇奇核（Z和N都是奇数）的自旋量子数都是整数,如的遢0,的潺3,的疆5等。返回退出奇偶核（Z和N一个奇数一个偶数）的自旋量子数都 是半整数，如；N的是1/2,的是3/2,Mg的是 5/2 等。质子的磁矩：p=2.793公 中子的磁矩：4=-1.953/核磁子eh 1 eTi 1-42m 18 36.5 2m 18 36.5P e称为玻尔磁子。返叵1退出表15-2原子核的自旋和磁矩核自旋（量子数）磁矩/N核自旋（量子数）磁矩/小H1/22.792 8412 C002 FI10.857 4413 C1/20.702 41,II1 1/2 i2.978 9614 N10.403,He1/2-2.127 62 116 001 0He0 10 a3/22.2156 Li1-。821 3439K3/21.1367 Li3/23.256 42235 u|7/2-0.35块u00返回退出六、核磁共振拉比（LLRabi）首创用核磁共振法测定原子 核的磁矩：以纯水为样品，水分子中电子的磁矩相互抵消，氧原子和的磁矩为0,故水分子的磁矩就等于氢核（质子）的磁矩。将水置于外磁场（约门）中，由于角动量的量 子化，质子的磁矩有平行和反平行与磁场两种取向，对应低和高两种能态。退出氢核在外磁场中的能级E=一p,B(E、=3 cos”3小:COS/8B(9=0)(9=万)在热平衡时，处于低能态上的质子数稍多于高能 态上的质子数。返回退出如果再加上一高频电磁波(100 MHz的量级),其频率满足hv=2jjpB时，质子将吸收电磁波 的能量，在两能态间妥生共振跃迁，称为核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)。实验时，保持外磁场上不变而连续改变入射电磁波 的频率；或给定电磁波的频率而调节磁场的强弱。1945年布洛克和泊塞尔分别用核磁共振方法测量 了核磁矩，共同获得1952年诺贝尔物理学奖。退出核磁共振的应用研究分子的结构场 磁乙醇（C2H5OH）核磁共振谱利用氢核的核磁共振进行医疗诊断核磁共振成像技术返回退出 15-2原子核的结合能裂变和聚变一、原子核的结合能实验测定，原子核二X的质量Mx总是小于所 有核子质量之和，这一差值称为原子核的质量亏 损(nuclear mass defect)：Am=Zmp+(A-Z)mn-mx由质能关系，可得原子核的结合能(nuclear bindingenergy)：AE=(Am)c2=Zmp+(A-Z)mn-mx c2=EB*质子和中子组成核的过程中必有能量AE释放出 来。反之，要使原子核再分解为单个的质子和中子 就必须吸收AE的能量。退出如：笊核EB=2.23eV笊核吸收2.23 eV 的能量分解为质 子和中子。2.23 MeVY光子质子AE和Eb常用原子的质量表示:=Zmh原子+（力必阳!-Mx原子Eb=(A/n)c2=Z/Wh 原子+(Z-Z)Mirmx 原子 1 c?每个核子的平均结合能，_ Amc2称为比结合能：=二7 二17 比结合能越大，原子核越稳定。返回退出表15-3原子核的结合能核结合能%/MeV核子的比结合能 e/MeV核结合能%/MeV核子的比结合能 c/MeV:D:2.231.11104.637.47；H8.472.831N115.477.707.722.57 116 oI 127.57.97:He28.37.0719 F 9r147.757.78-Li31.985.33；Ne160.608.03I Li39.23|5.60 4:Na186.498.114 Be58.0、6.45Mg198.218.2664.73 6.4756 re26七492.208.791B76.196.93.gCu5528.75.c92.21.68505 rl1 0208.501C93.097.47238 u92 LI 8037.58KIE3返回退出(卜燮A。温如斑XS卜轻最轻核和最重核的比结合能较小；大多数中等质量核的比结合能较大，且近似相等（都在8MeV左右）。这说明中等质量的核最稳定。返回退出利用核能，理论上要把自由状态的质子和中子 结合成中等质量的核，这样放出的结合能最多。但 自由中子不易得到，目自由中子是放射性的，半衰 期较短。因此，要利用原子核的结合能，实际可取的方 法是使重核裂变或轻核聚变。退出、重核的裂变用能量为leV以下的慢中子轰击铀核时，铀核 会分裂为两个质量相近的中等质量的核，同时放出 一至三个快速中子。这种重核分裂为中等质量核的 过程称为重核的裂变（仃ssion）。如：2；u+：nfMXe+：；Sr+2：n裂变后形成的中等质量核具有过多的中子，通过一系 列的P衰变，这些中等质量的核才转化为稳定核。p-P P-Xe.噜Cs.Ba f-La.噜Ce（稳定）54 16s 55 66s 56 12.8d 57 40h 58厂 P-葭Sr-；Y-MZr（稳定）返回退出MU裂变后的产物有许多种赖白血塾K翎渊裂变的产物分布曲线返回退出又如：235 u+%.236.144 89k1+3】n92 J丁0口 7 92 J 7 56 a 36=0P-P-P-P一144 144 144 144n 144、2/INBaf Laf Cef Prf Nd（稳 je）厂 p-P-8 9 Krf8 9 Rb.8 9 Sr.8 9 Y（稳定）能够发生裂变的其他核有tt（Th）、镁（Pa）等。返回退出铀核裂变时放出巨大的能量，同时能放出多余 两个中子，若分裂时放出的中子全部被别的铀核吸 收，又引起新的裂变，这样，裂变的数目将按指数 规律增大，结果形成一发散的链式反应，这就是原 子弹中发生的情况。如果在受控条件下，每次裂变平均只有一个中 子引起新的裂变，维持稳定的链式反应，这就是核 反应堆中的情况。应用：核电站退出三、轻核的聚变聚变(fusion)：两个质量较小的原子核(轻核)在一定条件上聚合为质量较大的原子核的过程。如：He+：n+3.2 MeV；H+；HeTHe+；H+18.3 MeV两个原子核互相接近产生聚变反应时，由于原子 核间存在很大的库仑斥力，原子核碰撞动能必须克服 两原子核间的电势能综Ep 2.4x10 14 ZXZ2(J)=0A5Z1Z2(MeV)-T 10 9 K聚变反应都需要超高温条件，称为热核反应。返回退出Ep 0c Z，?对原子序数大的重核，电势能大而不易被克服;仅对于原子序数小的轻核才能发生核聚变。应用：核聚变是太阳等恒星的能量来源。利用笈、M(氢的同位素)等轻原子核的聚变 制成的核武器称为氢弹。实现可控热核反应的条件：(1)高温，使笊核离化成等离子体，能克服库仑势垒。(2)高等离子体密度，以保证足够高的碰撞频率。(3)足够长的约束时间，以保证核聚变反应有效进行。KBK3返回退出用什么容器来盛装上亿摄氏度的等离子体?Tokamak托卡马克纵场线圈1967年6月17日，我国成功地进行了第一颗氢弹 爆炸试验。3返回退出“人造太阳 EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak,意为“实验先进超导 托卡马克”）在2006年9月28日成功进行放电实验。这是世界首个投入运行的全超导非圆截面核聚变实 验装置。KII3返回退出153原子核的放射性衰变绝大多数原子核的同位素不稳定，会自发地衰变为另一种同位素，同时 放射出各种射线，这种现象称为放射 性衰变(radioactive decay)。1896年，H.Bacquerel首先发现铀的放射性；1898年,居里夫妇(P.&M.Curie)发现放射性元素针和镭。1903年他们共同分享诺贝尔物理学奖。居里夫人还获得了 1911年诺贝尔化学奖。居里居里夫人、放射性衰变定律(1)原子核的衰变服从一定的统计规律：设在，-什必时间内有WV个原子核发生衰变，dN与 当时存在的原子核数N成正比，与时间必成正比。dN=ANdt负号表示原子核数目在减小，积分后得N=No%No为，=0时刻原子核的数目。一*小日 z、八-dN/dt衰变 吊重(decay constant)：2=-N表示一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。返回退出放射性原子核的指数衰变规律返回退出N=N。力=2ln2 0.6931 t=-=-=T2 2 1/2半衰期(half life period)T1/2：放射性同位素衰变其原子核数的一半所需的时间。平均寿命T：T dN)ANt dtJo_JoN。NT=IKIn 2:ANQeAtt dt R-I退出表15-4几种放射性同位素的半衰期同位素衰 变半衰期同位素衰 变半衰期II12.4 a60 CoB5.27 a：C5 568 a142 Cea5 xl()15 a32 P14,3(12,2Poa3 Xi。-s42 K 1B12.4h235 ua7.13 x 108 aCaB164 d坟Ua4.51 xlO9 a返回退出八放射性强度放射性物质在单位时间内衰变的原子核数定义为该 物质的放射性强度或放射性活度（radioactivity）：dN 八 _方A=-=A/Voe=Aoedt放射性强度的单位是Ci（居里）和Bq（贝可勒尔）。ICi=3.7 xlOlos-1ICi=3.7 xlOloBq单位时间内衰变一个核的放射性强度就是IBq o返回退出三、放射性衰变La衰变：原子核自发放出a粒子即氢核。如：22Ra(g)2gRn+jHe 2f|Rn(氢).2；：po+；He一般表示为=X.：Y+aa粒子受到的势垒远高于衰变 时产生的a粒子的动能，必须 按量子力学的势垒贯穿理论才 能解释a衰变，这是量子力学7用于核内的首次成功的尝试。返回退出2.p衰变：核电荷改变而核子数不变的衰变，包括我衰变、m衰变和电子俘获。代衰变：放出电子、反中微子（1930年，泡禾I）：Xf/Y+%+ve费米的B-衰变理论（1934年）：i i,o,on-1p+_1e+veB+衰变：放出正电子、中微子A力、T 0ZXZ-lY+ie+Ve1 1.0.lP0n+ie+Ve返回退出电子俘获：原子核俘获一个最内层电子，使核内的 一个质子变为中子，并放出中微子。：X+:e-/Y+4 1 Z/13.丫衰变：当原子核发生a、B衰变时，往往衰变到另一原 子核的激发态。处于激发态 的原子核不稳定，要向低能 态跃迁，放出丫光子，称为y匕60 Co衰变。如：医学上常用于治疗肿瘤的放 射源染C。-2.50 MeVY1.33 MeVYI 060 Ni返回退出四、放射性同位素的应用1.示踪原子的应用用放射性同位素代替非放射性的同位素来制成 各种化合物，这种化合物的原子跟通常的化合物一 样参与所有化学反应，却带有“放射性标记”，用 仪器可以探测出来，这种原子叫做示踪原子。工业上可以用来检测机器部件的磨损情况；农 业上研究作物对化学的吸收情况；医学上用作疾病 的诊断等。退出2.射线的应用利用y射线对金属进行无损探伤；通过射线照 射可以使种子发生变异，培养出新的优良品种；DNA在射线作用下可能发生突变，射线辐射还能抑 制农作物害虫的生长，甚至直接消灭害虫；人体内 的癌细胞比正常细胞对射线更敏感，用射线照射可 以治疗恶性肿瘤（即“放疗”）等。3.放射衰变规律的应用主要用于考古和古生物学的研究。14c鉴年法：14c的半衰期为5730年，它是宇宙射线撞 击空气中的氮原子所产生。通过对生物遗骸中残余14c 水平的检测，就可得到其死亡年代。返回退出 15-4粒子物理简介一、粒子的发现概况1897年 汤姆孙(J.J.Thomson)发现电子1905年 爱因斯坦提出了光子1919年 卢瑟福(ERutherford)发现质子1932年查德威克发现中子1930-2年 狄拉克预言正电子、安德逊发现正电子到目前为止，已经发现了质子、中子、电子和 它们的反粒子，日子、兀介子、K介子及中微子、共 振态粒子等共400多种粒子。返回退出反粒子和正粒子有相同的质量、自旋、寿命，电荷等值反号，磁矩方向相反。从理论上说，还应 该有这些反粒子组成的反原子核、反原子、反物质、反星体等。质子和反质子的运动轨迹返回退出、粒子的分类按参与的相互作用分类：1.轻子（lepton）不参与强相互作用的粒子。自旋量子数1/2,为费米子。包括电子、日子、。子 及其相应的中微子，分三代：ve)返回退出2.强子（hadron）参与强相互作用的粒子。根据 自旋分为介子（meson）和重子（baryon）。介子的自旋为0,是玻色子；重子的质量大于质子 质量，自旋为3/2（除。超子外），是费米子。1974年丁肇中等发现了 J/甲粒子，也是一种介子。3.媒介子或场量子或规范玻色子（gaugeboson）传递相互作用的粒子。包括光子，中间玻色子w+、W Z。，胶子,引力子。返回退出三、粒子的相互作用和守恒定律宇宙间的一切物质的相互作用归结为以下四种。表15-7四种相互作用比较名 称引力作用弱相互作用电磁相互作用强相互作用作用力程8 10-1010。10 Z。来实现的，这些玻色子于1983年在 CERN的质子-反质子对撞机上相继被发现。粒子的相互作用过程遵循一些普遍的守恒定 律，如能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守 恒定律和电荷守恒定律等。返回退出泡利关于中微子的预言就是运用这些守恒定 律的结果。此外还有其他的守恒定律，例如宇称守恒定律、同位旋守恒定律、轻子数和重子数守恒等。退出四、强子的夸克模型实验证明，除轻子还未发现有任何结构外，核 子、超子、介子即所有的强子都还有内部结构。1932年，施特恩测得质子的磁2.79晚,后来 又测得中子的磁矩为（而不是零），中子 不带电，可磁矩却不为零，说明中子还有内部结构。1956年，R.Hofstadter用高速电子轰击质子的 实验，发现质子存在一定的电荷分布。后来又发现 中子也存在一定的电荷分布。返回退出1964年，盖尔曼(M.Gell-Mann)等人提出强子由夸克(quark)组成，认为所有强子都是由夸克组成，存在三 种夸克，分别称为上夸克、下夸克、奇 异夸克，用 u(up)、d(down)、s(strange)表示。三种夸克都有相应 的反夸克，表示为限 嬴盖尔曼夸克所带的电荷是分数电荷:U夸克的电荷为1,d夸克和S夸克的电荷为o3 3夸克的自旋都是,力o2KBK3返回退出夸克模型认为：所有重子都是由三个夸克组成,所有介子都是由一个夸克和一个反夸克组成。介子重子71+=(ud)1 7t 0 二-y=(uu-dd)p 二(uud)n=(udd)十 二(uus)兀一二(du)K+=(us)K-二(su)K=(ds)K=(sd)1 _ _ _ r|=z=(uu+dd-2ss)a/6S0=-(uds+sdu)E-=(dds)E=(uss)=(dss)o 1A=(sdu-sud)J2返回退出1974年，丁肇中和里希特(B.Richter)独立 地发现了新粒子，分别称为J粒子和平粒子，现称 为J/乎粒子，质量为3100MeV/，自旋为1。由此引入了第四种夸克粲夸克c(charm)o J/T=(c c)以后又引入了第五种夸克底夸克b(bottom)和 第六种夸克顶夸克t(top)。到1995年为止，理论上 预言的6种“味道”(flavor)夸克都被实验发现了。夸克u（上）d（下）s（奇）c(粲)b(底)t(顶)电荷/e2/3-1/3-1/32/3-1/32/3自旋/力1/21/21/21/21/21/2返回退出三代夸克：d J三代轻子：1VL e J夸克模型和三代轻子（v、v R T每种夸克又有3种“颜色”，记为R、G、B,用 来代表夸克的一种内禀性质。夸克通过强相互作用交换胶子（gluon）结合成 强子。实验上没有观测到单个自由的夸克。理论认为 夸克受到被称为色荷的强力的束缚，不可能从核子中 单个地分离出来，这种奇特性质被称为夸克禁闭。返回退出155宇宙学简介一、哈勃定律宇宙膨胀说1914年，施里弗(VM.Slipher)发现“星云”的 谱线都存在多普勒红移，称为宇宙红移。表明这些“星云”在朝远离我们的方向运动。多普勒频移：Av x v0c1929年，哈勃(E.P.Hubble)发现河外星系视 向退行速度羽与距离成正比，即v=哈勃定律4称为哈勃常数。哈勃常量是时间的函数，到1995 年为止最新的4是(698)km/(s-Mpc)。退出哈勃定律揭示宇宙是在不断膨胀的。这种膨胀 是一种全空间的均匀膨胀。在任何一点的观测者都 会看到完全一样的膨胀，从任何一个星系来看，一 切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼 此散开的速度越大。退出、大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型是俄裔美国科学家伽莫夫（G.Gamow）等人在1948年提出来的：宇宙起源于一次大爆炸，开始是个高温致密的火球，它不断地向各个方向迅速膨胀。当温度和密度降低到 一定程度，宇宙发生剧烈的核聚变反应。随着温度和 密度的降低，宇宙早期存在的微小涨落在引力作用下 不断增大，最后逐渐形成今天宇宙中的各种天体。返回退出伽莫夫还预言了应存在大爆炸的遗迹均匀各 向同性的宇宙背景辐射，现在的温度约为10K。1965年，彭齐亚斯和威尔逊探测到了2.7K的宇宙 微波背景辐射。返回退出三、宇宙的演化宇宙时间温度/Kt&/eV时代物理过程0oooo奇点大爆炸1 A 4410 s10321028普朗克时代粒子产生出现时间和空间10-36s10281024大统一时代夸克、粒子和各种场量子产生、宇宙中物质的起源10-6s1013109强子时代大量强子产生10-2s1011107轻子时代轻子产生1 sIO10106中微子退耦5 s5xl095xl05辐射时代e+e 湮灭3 min109105核合成时代4He等生成4xl05a4xl030.4复合时代原子生成、光子退耦、星系形成i 1 010 a2.73x10-4现在人类进行科学实验返回退出四、大爆炸宇宙模型的成功和困难大爆炸模型获得了大量观测事实的有利支持：1.星系谱线红移；2.宇宙背景辐射；3.原始核合成中的氢丰度。根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氮的效 率很高，理论预言宇宙由大约75%的氢和25%的氢 组成，与天文观测结果相符。大爆炸宇宙模型还存在一些未解决的困难问题，如视界问题、平坦问题、光滑问题、磁单极密度问题 和暗物质问题等。退出