高中物理奥林匹克竞赛专题--原子核和基本粒子.ppt课件

1、物质的根本单元物质的根本单元原子原子质子、中子、电子质子、中子、电子夸克夸克17-1 原子核的根本性质原子核的根本性质一、原子核电荷、质量和密度一、原子核电荷、质量和密度原子核由质子和中子组成。原子核由质子和中子组成。质子质子P：中子中子n：原子核符号原子核符号u.mep0072761 u.mn0086651 电电中中性性kg.u2710660565511 核子核子XAZ相应的元素符号相应的元素符号与与ZX 电荷数电荷数( (质子数质子数, ,原子序数原子序数) )Z ( (质量数质量数) )NZA ON1681471、原子核的质量数和电荷数、原子核的质量数和电荷数同位素同位素:具有一样的质子

2、数而中子数不同的核素。具有一样的质子数而中子数不同的核素。质子、电子和中子符号质子、电子和中子符号OOO188178168ne)P(H10011111 HHH312111核素核素:具有一样质子数具有一样质子数Z和一样中子数和一样中子数N的核素。的核素。同量异位素同量异位素:质量数质量数A一样而质子数一样而质子数Z不同的核素。不同的核素。同中子异荷数同中子异荷数:具有一样中子数具有一样中子数N 、不同质子数、不同质子数Z的核素。的核素。同质异能素同质异能素:具有一样质量数具有一样质量数A和中子数和中子数N,但能态不但能态不同的核素。同的核素。原子核的体积总是正比于它的质量数原子核的体积总是正比于

3、它的质量数A310ARR mR1501020. 1 31710 mkgm 所以在一切原子核中，核物质的密度近似相等。所以在一切原子核中，核物质的密度近似相等。2、原子核的外形、大小及密度、原子核的外形、大小及密度二、原子核的自旋和磁矩二、原子核的自旋和磁矩原子核的自旋角动量为原子核的自旋角动量为I可以是整数，也可以是半整数。可以是整数，也可以是半整数。)1( IIL核核自自旋旋量量子子数数 I021,)1(,或或 IImmLIIZ原子核有磁矩原子核有磁矩pNme2 核自旋角动量空间量子化核自旋角动量空间量子化JgNJJ 核磁子核磁子质子的磁矩质子的磁矩Nppme 79.2279.2 中子的磁矩

4、中子的磁矩Nn 91.1 1.质子和中子的自旋质子和中子的自旋2.原子核的质子数和中子数都是偶数时，自旋为零。原子核的质子数和中子数都是偶数时，自旋为零。21 I3.原子核的质子数和中子数都是奇数时，原子核的质子数和中子数都是奇数时， 自旋为非零整数。自旋为非零整数。4.原子核的核子数是奇数时，自旋为原子核的核子数是奇数时，自旋为1/2的奇数倍。的奇数倍。核自旋确实定：核自旋确实定：三、核力的根本性质三、核力的根本性质核子之间的相互作用力，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。抵消核子之间的较强的库仑排斥力。1.核力是比电磁力强得多的强相互作用力，核力是比电磁力强得多的强相互作

5、用力， 主要是吸引力。主要是吸引力。2.核力是短程力，核子间间隔小于核力是短程力，核子间间隔小于10-15m时才明显。时才明显。3.核力与核子带电情况无关。核力与核子带电情况无关。4.核力具有饱和性。核力具有饱和性。核力的特征：核力的特征：1935年，日本物理学家汤川秀树提出核力的介子实际，年，日本物理学家汤川秀树提出核力的介子实际，以为核子之间经过交换以为核子之间经过交换介子而发生核力作用。介子而发生核力作用。四、四、 原子核的结合能和平均结合能原子核的结合能和平均结合能原子核的质量原子核的质量M总是小于组成该原子核的核子的质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

6、量亏损。量之和，它们之间的差额称为原子核的质量亏损。原子核结合能：原子核结合能：由质子和中子构成原子核时所放出的能量。由质子和中子构成原子核时所放出的能量。核子在结合成原子核时，它们之间的核力作用使体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。系能量降低，从而释放出能量，相应质量减少了。AEEbb 平均结合能平均结合能(比结合能比结合能)：原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的比值。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，平均结合能越大，原子核越稳定。原子核越稳定。22MccmEiib 原子核由原子核由Z个质子和个质子和N

7、个中子结合而成，个中子结合而成，22)(MccNmZmEnpb npiiNmZmm * 17-2 原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变不稳定的原子核会自发地转变成另一种核而同时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。放出射线，这种变化叫放射性衰变。一、放射性衰变的普通规律一、放射性衰变的普通规律t=0时辰样品中有时辰样品中有N0个核，个核， 经过一段时间经过一段时间t后剩下后剩下N个个核核,在在dt时间内有时间内有-dN个核发生衰变个核发生衰变NdtdN NdtdN 或或衰衰变变常常数数）表表征征衰衰变变快快慢慢的的常常数数（ 1.指数衰减规律指数衰减规律t=

8、0，N=N0teNN 0放射性衰变定律放射性衰变定律NdtdN t时辰，每单位时间衰变的原子核数与该时辰，每单位时间衰变的原子核数与该时辰原子核总数的比。越大，衰变越快。时辰原子核总数的比。越大，衰变越快。2.半衰期和平均寿命半衰期和平均寿命半衰期半衰期:原子核衰变到原子核衰变到N=N0/2所需的时间。所需的时间。210021TeNN 693.02ln21 T平均寿命平均寿命每个原子核衰变前存在的时间的平均值。每个原子核衰变前存在的时间的平均值。 00001)(1NdttNdNtN 1 0dtett 原子核的寿命：原子核的寿命：平均寿命：平均寿命：221lnT 平均寿命与半衰期的关系：平均寿命

9、与半衰期的关系：3.射性活度放射性强度射性活度放射性强度放射性物质在单位时间内发生衰变的核的数目。放射性物质在单位时间内发生衰变的核的数目。teNNdtdNA 0Bq.Ci1010731国际单位：贝克国际单位：贝克 (Bq)t=0，N=N0，A= N0teAA 01Bq表示每秒发生一次核衰变的放射源的活度。表示每秒发生一次核衰变的放射源的活度。常用单位：居里常用单位：居里( Ci)HeYXAZAZ4242 1) 衰变是原子核放射出衰变是原子核放射出粒子粒子(即氦核即氦核)母核母核XAZ子子核核 YAZ42三种衰变：三种衰变：衰变、衰变、衰变、衰变、衰变衰变二、几种主要的衰变方式二、几种主要的衰

10、变方式中微子的发现中微子的发现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。几乎为零的中性粒子，称中微子。 衰变是核电荷改动而核子数不变的核衰变衰变是核电荷改动而核子数不变的核衰变.-衰变是原子核内中子转变成质子，同时放出一个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络的反中微子电子和与电子相联络的反中微子 011110 ePn +衰变是原子核内质子转变成中子，同时放出一个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

11、微子正电子和一个中微子 enP011011 011 eYXAZAZeAZAZeYX 011 3) 衰变衰变 射线是光子流，射线是光子流， 是在是在衰变或衰变或衰变后构成新核时辐射出来的。衰变后构成新核时辐射出来的。17-4 粒子及其相互作用粒子及其相互作用一、粒子根本性质一、粒子根本性质1、质量。常用静能、质量。常用静能 表示表示20cm2、电量。常以电子电量、电量。常以电子电量e为单位为单位3、自旋。自旋角动量以、自旋。自旋角动量以 为单位为单位4、平均寿命。、平均寿命。二、粒子相互作用极其一致模型二、粒子相互作用极其一致模型天体之间天体之间 衰变衰变原子结合原子结合核力核力举例举例一切物体

12、一切物体 强子、轻子强子、轻子强子强子强子强子被作用被作用粒子粒子长程，长程， 短程短程10-1610-16长程，长程， 短程短程10-10-1510-161510-16作用力作用力程程/m/m引力子引力子中间中间玻色子玻色子光子光子胶子胶子媒介媒介10-3910-151/1731相对相对强度强度引力作用引力作用弱作用弱作用电磁作用电磁作用强作用强作用四种相互作用的比较四种相互作用的比较10-10特征特征时间时间10-2010-16相互作用的一致相互作用的一致弱电一致实际：弱电一致实际： 弱作用与电磁作用的一致弱作用与电磁作用的一致大一致实际：大一致实际： 强相互作用和弱电作用一致强相互作用和

13、弱电作用一致超大一致实际：超大一致实际： 四种相互作用的一致四种相互作用的一致有待于验证。有待于验证。三三.粒子的分类粒子的分类正反粒子正反粒子 两者质量、自旋、平均寿命完全一样。两者质量、自旋、平均寿命完全一样。 电荷等值异号，磁矩方向相反。电荷等值异号，磁矩方向相反。按自旋分类按自旋分类(1)玻色子玻色子,(2)费米子费米子1、规范粒子、规范粒子2、轻子、轻子3、强子、强子规范粒子是传送作用力的粒子。规范粒子是传送作用力的粒子。轻子完全不受强作用力的影响。轻子完全不受强作用力的影响。强子分成介子和重子。强子分成介子和重子。按参与相互作用的性质分类按参与相互作用的性质分类按质量分类按质量分类(1)轻子轻子,(2)介子介子(3)重子重子* 17-5 夸克模型夸克模型夸克是强子的组成粒子。夸克共有夸克是强子的组成粒子。夸克共有6种。种。每种夸克都有相应的反夸克。每种夸克都有相应的反夸克。夸克种类夸克种类味味上上下下奇特奇特粲粲底底顶顶英文英文up down strange charm bottom top符号符号 u d s c