大学物理 第18章 原子核物理与粒子物理简介.pdf

第18章原子核物理与粒子物理简介b 18.1原子核的一般性质b 18.2原子核的放射性衰变仃 18.3核衰变规律b 18.4原子核的裂变与聚变b 18.5粒子物理简介原子核物理学是研究原子核特性、结构和变化等问题的一门科学.一方面是对原子核的结构、核力、核反应等问 题的研究，这些是涉及物质结构的基本问题的.另一个方面是原子能和放射性的应用.粒子物理的研究内容主要有两个方面：一是粒子的内部结构；一是粒子间的相互作用、运动和变化规律。218.1原子核的一般性质一、原3核的殂感1911年卢瑟福提出原子的核式模型。1919年卢瑟福首次实现人工核反应，用a粒子从氮 核打出质子。1932年英国物理学查德威克(S.J.Cha dwick)发现 中子。海森伯和伊凡宁柯(HBa nenKo)独立地提出原子核是由质子和中子组成质子和中子,海森伯称它们为核子，并把质子和中子 看作核子具有不同同位旋的两个状态.质子和中子的质量用原子质量单位量度时，自由质 子和自由中子分别为.mp=1.00727661umn=1.0086654u1961年确定，采用126c作为标准原子质量单位lu(unit)定义为一个碳原子质量的1/12lu=1.660 5402X10-27 kgL质量数原子核的质量数(ma ss number)就是原子核内质 子和中子的总数，用力表示A=Z+N2.核电荷原子核带正电：Ze核素的符号azXn表示，实际上简写为azX9或 AX iiH/iHjHe43.核半径实验表明原子核的半径约IO七米.原子核的半径同质量数A有关系;1R=rA3Z是原子核的质量数；r0=1.11.3 X 1015米原子核的密度M M M 3 3PF 1成3 一辆34-4*俳-4*N可以证明N=A/M 等于阿伏伽德罗常数。可见各种原子核的密度是相同的。pMO千克/米3=1014吨/米3.5二、成射犍同假素和核素1896年3月，法国物理学家贝克勒尔(A.H.Becquerel)在用铀U盐样品进行实验时发现U能发出一种辐射，这种辐射是从U原子核中自发地发射出来的.原子核 的这种性质被称为放射性.这是人类第一次在实验 室里观察到了原子核的天然放射性现象。核 素：原子序数Z、中子数N、质量数A都相同的 一类原子称为某种核素.同位素：质子数Z相同而质量数A不同的元素的原 子称为该元素的同位素H九珥31H是H的三种同位素核结构不稳定的，能自发地放出射线的同位素，称为放射性同位素.6同质异能素:原子序数Z和质量数A都相同的原子核 而处于不同的能量状态，那些处于激发态、寿命又 较长的核素。如：9943m笈和9943左，左上角带阳的表示处于激发态的原子核同量异位素：原子序数Z不同但质量数A相同的核素例：4018Ar,40如核素的稳定性ZV20的轻核,Z=N,核素比较稳定.因为中子和质 子都是费米子，必须符合泡利原理,ZN时能量最低.随着Z的增加，稳定线逐渐向NZ的方向偏移，中子数或质子数过多或偏少的核素是不稳定的.7核素图:巨胸8核素图:17C128C1292D N3C1302IENSSi24ItDMSSi2522QM3Si26Si27 4msSi28Si294由Si30SB7Si3115T3MSt32 172 YSi33633asSi34 2.773Si35 78 313A121 小NSA122A123047 SA124 2gsA1257.1R3A1267mUYA127 imA12822414 MA1296幺MA1303皿A131GUMSA13233 MJA133IU3A134 fflMS12Mgl9Mg20 gosMSMg21IUM3Mg22相57 sMg23 11317 3Mg247BBMg25 innjMg26 mnMg2794SMMg28Mg29LIDSMg3033510Mg31230 MSMg32 M3Mg33COM311Nai 7Nai 8Nal9UDN3Ne31 2flN39F1+F17fit 493F18HS-TZMF19ItEF20 nwsF214.1 SSF22F23 223sF24 口.MSF25SMSF26IQ0M3F272DN5F28440 N3F292DNS8013B.fiMS0147UQS01512224 s016W.7E1017nna018 口血01926gl s020 1351s021342 3022 22ss02382 M3024 IMS02511 NS026 40X57N10N12ItHEMSN13 gfi5MN14N15*N167NSN1741733N1824 MJN19N20142 MSN21B7MSN22 1BMSN23N24 flN36C912JMSCIO1。255sCH20.10 MC12 wC13 tnC14 SHOTC15 244gsC160.747 SC17in MSC1895 MSC1949 MSC20UMSC212DNS5B877nMsBIO19月Bll anB1220 2D MSB13 17%MSB14123 M5B15 由MSB16 LWMB17SIB MSB18MDNS4.1Be7加9DBe9 itnBelO1511HEYBell13B1SBel2 213 MsBel44.35 MS3Li6 7SLi7B4ELi8 era msLi91783 MsLillB5MSLil210 NS2He3 口皿夕He4He6OK7MSHe8U0DMS1HlH2 omsH3ll.WT0N11024 M三、原3核的秸合惚原子核的质量小于自由状态的单个核子质量的和mAMz+1192p+衰变J#+十+。净过程.：+；/+y例如：*N f1C+/+/+1.24MeVnNa(2.60y)/p+(90%)/0.545MeVy 1.275MeV?oNe(b)20p+衰变条件Mzc2=(Mzl+me)c2+mpc2+QQ=(Mz-Mz+1-2me)c2P+衰变的必要条件：MzMz.i2叫B衰变能谱能量连续分布能量有一确定的最大值Emax=Qp(3)射线强度最高处的能量=Emax/3.21粒子能谱引发的困难对原子这样的量子体系，原子核具有分立能级。P 粒子能量应是分立的，不是连续的能谱。如前的a粒子 的能谱。注意到能谱中绝大部分B粒子的能量小于衰变能（Q p=EmQ,似乎B衰变前后能量不守恒1930年，泡利提出了中微子假设：原子核发射P电子时，同时发出一个自旋为1/2,质 量很小或几乎是零的中性粒子，称为中微子中微子分为两种：中微子和反中微子江它们的质量完全相同，都不带电荷，但自旋方向 不同。有了中微子假设，上述困难迎刃而解。,22Ey+E 0+Ev=如由于三者之间的分配是任意的，所以粒子的能量 是连续的，形成了连续谱。3.电子俘获核素俘获一个核外电子，使核内一个质子转变 为一个中子，同时又放出一个中微子而变为原子序 数减1趣核素，这一过程称为电子俘获，常用符号 EC表示.如果母核俘获一个K层电子称K俘获，同理有Z俘 获和拉俘获.；x+%.二y+嗔+。净过程:p+-1T”+嗔23例如：Fe+eMn+v+0.23MeV嘉 Fe(2.6y)EC(100%)25 Mn5526Fe的电子俘获衰变图在电子俘获过程中，内层轨道出现空位，外层轨道 电子填补内层空位而产生标识X射线或俄歇电子.特征X射线俄歇电子24三、y衰变和内辂换处于激发态的原子核向较低能态或基态跃迁时,把多余的能量以丫光子的形式辐射出来，这种过程称 为y跃迁，也称y衰变.原子核经丫跃迁后，子核的质量数和原子序数不 变，只是能级发生了改变，原子核并没有变成别的核。故丫跃迁又称同质异能跃迁.2黑尸唾e+v+18KeV21Qm83210m&3Bi的衰变图+v25处于激发态的原子核向低能态跃迁时，直接把能量传递给电子，使它脱离原子核的束缚而成为自由电 子，这种现象称为内转换，放出的电子称为内转换电 子.内转换电子特征X射线俄歇电子,2618.3核衰变规律一、数射喉衰变规律核素中绝大部分都是不稳定，会自发地蜕变，变 为另一种核素，同时放出各种射线，这现象称为放射 性衰变.指数衰变规律dt时间内发生的核衰变的数目为-ON,dN oc NdtdN=入NdtN=No。九称衰变常数，是放射物衰变快慢的标志。271 dNA=-Ndt在t时刻，单位时间内衰变的原子核数占该时刻原 子核总数的百分比。注意:这是一个从实验中总结出来的统计规律.当核数目N 很大时才成立.衰变过程存在涨落现象.这规律只对单独存放的放射性核素才适用，对于连续衰变过程中的居间物质（如AB C中的B）则不服从这个简单规律.28二、a衰期Tv2放射性原子核因衰变而减少至原来数量的一半 所需的时间，通常用*/2表示，是不同放射物的又一标志-N 1JL-L-屋K VN。2丁 ln2 0.693加二丁丁如果用半衰期代替衰变常数0.963 tN二必一二玉2万三、半的寿命工某种放射性核素中每个原子核衰变前存在时间 的平均值。在tt+dt内，有dN个原子核发生衰变，它们的 寿命都是3所以它们的总寿命为：dN,t ANt,dt，=W W刖叫；te dt=1Tn=0.693工1/衰变常数九，半衰期I；平均寿命T之间的关系4/2=ln2230四、致射但浩/I(t)放射源单位时间内衰变的核数目称为该放射源的放 射性活度，也称放射性强度。它是时间的函数.对于隔离物质-dN。/(0=NA=力V。dt/=/中/=/V,/0=27V0,分别表示泪寸刻和初始时刻的放射性活度.由7与X的关系，还可以得到0.693 匚/=/一-=/。一丁=/。(5广放射性活度的国际单位是“贝可勒尔”(Becquerel),简称贝可(Bq),且LB夕=1次核衰变/放射性活度过去常用的单位为“居里”(Curie)ia=3.7X1010Bg1居里(Ci)=3.7义1。1。次的核衰变/秒1毫居里(阳。)=10TQ1微居里a o=io-6o,32例：226Ra的半衰期为1602弘lg226Ra的放射性活度 为多少？解lg226Ra的原子核数为221r 6.022 xl。”=2.665X13所以I=AN=0.6930.6931620 x365x24x60 x60 x 2.665 xlO21=3.66X1010Bq由上可知，1g镭的放射性活度约等于ICi,历史上 人们正是把1g镭的放射性活度规定为ICi的.33例：设一台丫刀初装时60Co源的总活度为6040CL使用 5年后60co源活度为多少Bq?其平均寿命为多少年？解60co的半衰期T=5.27y,70=6040 X 3.7 X1010Bq,0.6935年后活度为 1=4=/遇一0 693x5=6040 x 3.7 x IO10 x e-5-27=1.16X1014Bq平均寿命为 z=_=&L=7.6y0.693 0.69318.4原子核的裂变与聚变核反应指的就是核的改变.放射衰变是原子核自发的变化，但更多的是原 子核受激的变化,即原子核受粒子撞击而转变成另 一种原子核的过程.、核&位的怩量第一个人工核反应是1919年，卢瑟福用212Po 放出的7.68MeV a粒子轰击氮气.He+NH+O一般地，反应可由下式表示为a+XY+b反应物是和X,产物是球昭.35m、E表示核反应a+XF+力中相应静质量质量和动能 能量（质量）守恒mac2+Ea+mxc2+Ex-mYc2+EY+mbc2+Eb（叫+mxc2）-（mYc2+mbc2）=（吗+。）-（纥+/）静止能量的释放|动能的增加 反应能Q定义为：Q=（2+mxc2）-（mYc2+mbc2）反应能等于反应物和生成物之间静能之差.对不同的 核反应，0可正可负，。0称为放能反应，00称 为吸能反应.二、原3核的裂变攻应核裂变：重核分裂成质量不等核的现象.核素能够自身裂变的现象称为自发裂变.入射粒子与重原子核作用发生裂变，称为诱发裂变.1934年，费米用中子轰击原子核，发现许多人工放射性核素，1938年，哈恩和史特拉斯曼发现，当中子轰击铀核 时，在产物中存在初那样的中重核.费米因此获得1938年诺贝尔物理学奖.慢中子打击23592U235U称为裂变核，IB/和92口核称为裂变产物37原子核裂变过程被打击的原子核先吸收中子，形成复核，然后裂开2；。-x+y 236U裂变产物:X和丫代表裂开的二碎块 裂变中子可分为两群：瞬发中子，每次平均放出2.5个.大约有99.2%的中子 在10“2秒内放出.缓发中子，在半衰期为秒的数量级，除放出中子外，碎块往往以印衰变方式连续衰变到 稳定核止.裂变能量：重核裂变成中等A值的原子核时，放出 的能量能量的数值大.三、原3核的聚变以位轻核的聚变原子核聚合而成较重原子核时也会放出能量.下列的是几个聚变反应：(1)21H+21H 7 32He+)n+3.25MeV(2)21H+21H-31H+1H+4.0MeV(3)21H+31H-42He+,11+17.6MeV(4)32He+21H-42He+1H+18.3MeV平均每粒 2H放出7.2MeV,单位质量的2H放出36MeV平均每粒 235U裂变放出200MeV单位质量的235U裂变放出0.85MeV.所以单位质量的2H聚变所放出的能量是单位质量的235U裂变所放出的能量的4倍左右._39与裂变反应相比，聚变反应有如下特点：(1)可释放更大的能量.(2)聚变材料十分丰富.！(3)聚变产物基本上是稳定核素氨，没有放射性，不 污染环境，可免去处理放射性废料的麻烦.40四、拉核友应和聚变惋的利用受控热核反应：聚餐反应必须在极高的温度（10810灼 下才能发 生.在这样高的温度下，原子完全电离，形成原子核 和自由电子的混合体，称为等离子体.在高温等离子体中，笊核以高速度无规则运动，连续相互碰撞，发生大量聚变，这样的反应是在原 子核的热运动中发生的，所以称为热核反应.如果这 种反应能加以控制，则称为受控热核反应.7 的等离子在被约束，一方面使其脱离器壁，温度不 致下降，另一方面还要使等离子体被压缩，使温度上 升.磁场约束；惯性约束；引力约束,41惯性约束一激光聚变反应激光聚变反应是通过所谓“内爆过程实现的.一个含有聚变材料的小丸受强激光照射，其外层突 然加热，发生膨胀，挤压内层材料使它的密度和温度 都升高，这所谓惯性约束，这时可能发生核聚变激光射到笊和瓶的混合体，产生高 温和高压，促使两种原子核聚合为 氮和中子，同时放出巨大能量。,42可控聚变反应堆磁约束带电粒子（等离子体）在磁场中受洛仑兹力 的作用而绕着磁力线运动，因而在与磁力线相垂直的 方向上就被约束住了。同时，等离子体也被电磁场加等南子体托克马克反应器,4318.5粒子物理简介1897年汤姆森发现了第一个基本粒子电子，但从 1932年安德孙发现正电子，才是粒子物理学诞生的,友个发现所揭示的正反粒子对称性，是粒子物理 最基本最重要的对称性.而从这个发现开始，对称 性一直是支配粒子物理学研究的基本观念.从发现电子到现在的一个多世纪中，共发现了400余种粒子，包括质子、中子、电子、介子超子等。它们大都属于比原子核更深的层次。一、麴3的基库喉质粒子的基本性质主要可用：质量、电荷、自旋、平均寿命描述.在粒子进行反应的过程中，能量，电荷、动量、角 动量等仍然守恒此外还有如，重子数及重子数守恒定律，轻子数 及轻子数守恒定律，同位旋及同位旋分量守恒定律,宇称守恒定律等等二、麴省的相量作用及其疫一模型1.粒子之间的四种相互作用引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和 弱相互作用.,45四种相互作用的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/m0010-1010-26 10-1610 23弱电统一理论:1968年格拉肖、温伯格、萨格姆 三人在现代高能物理实验的基础上，把弱相互作用 和电磁相互作用统一起来，已得到了实验的检验，证明它是正确的理论，但仍存在着不足.能否把电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用 大统一起来？,462.粒子分类按参与相互作用的性质：规范粒子：规范粒子是传递相互作用的粒子，光子 传递电磁相互作用，心和/传递弱相互作用，胶子传 递强相互作用；(2)轻子：轻子的自旋都是3h/2,如电子、子等，只 参与弱相互作用，带电的轻子也参与电磁作用；(3)强子：强子分为介子和重子两类，绝大多数粒子都 属于这一类，它们可参与强相互作用，也可参与弱相 互作用，两种作用同时存在时，强相互作用是主要的.若按其质量：轻子：这些粒子质量都有很小，如电子、中微子、N字；,47(2)介子：粒子的质量介于电子与质子之间，如加介(3)土子：尾子可分为核子和超子，核子如质子、中 子，其质量是电子的1000多倍，超子的质量超过质 子包括A超子、Z超子、E超子和。超子等.48三、冬克模型1964年美国人盖尔曼等人提出夸克模型，同年中 国物理学家提出了层子模型，而且是相对论化的，以 后这些统称为夸克模型。1.夸克(Qua rk)模型：强子是由夸克组成的。三种夸克：上(),下(办奇异1974年发现了 J/粒子(丁肇中，里希特)，必须引 入第4种夸克一粲夸克c。J/=(c,C)1977年又提出了底夸克一 A和顶夸克一，。理论指出应当有六种夸克，都已发现：,49夸克的一些性质夸克种类上下奇异粲底顶*UdSCbt质量/GeV0.0030.0040.151.24.7(?)电荷2e/3e/3e/32e/3e/32e/3自旋1/21/21/21/21/21/2重子数1/31/31/31/31/31/3同位旋1/21/20000同位旋分量/1/2-1/20000奇异数001000粲数000100底数000010顶数000001夸克模型认为，所有重子都是由三个夸克组成的,所有介子都是由一个夸克和一个反夸克组成.如 质子 p=(uud)(uud):H电荷量为+e/3e自旋为 1/2+1/2 1/2=1/2；中子 n=(udd)ill电荷量为 2eB 2e/3e/3=0,自旋为 1/2+1/2 1/2=1/2；兀+介子+=(4)ud)电荷量为 2e/3+e/3=e自旋为 1/2+1/2=0；2夸克的颜色夸克的色旋都是1/2,是费米子，在组成强子时，应遵守泡利不相容原理.因此质子的两个上夸克就不允许处于同一状态.为 解决这一问题，引入了新的量子数，提出夸克除只有“味”以外，还有颜色，分别用红、黄、蓝来描述.反夸克则具有相应颜色的补色，组成重子的三个夸克 具有不同的颜色，组成介子的夸克和反夸克互为补 色，这样所有强子对外都是白色.夸克有6种“味道”，3种“颜色”，又各有正反粒 子，一共有36种.523.夸克囚禁（色禁闭）夸克只在粒子中，没有自由夸克。至今尚未在实验室中观察到自由夸克，可认为夸克 和轻子是组成世界的基本粒子，但它们是不是物质 的终极本质，还有待进一步探索.