第一章 原子核物理基础

1、Chapter. 1 Atomic Nucleus Physics1-1 Properties of atomic nucleus原子核电子体育场体育场原子原子原子核原子核 德国著名哲学家黑格尔德国著名哲学家黑格尔: “一个民族需要一些仰望星空的人，一一个民族需要一些仰望星空的人，一个只关注脚下的事情的民族，是没有未来个只关注脚下的事情的民族，是没有未来的。的。” 宇宙宇宙” 宇宙英语中叫宇宙英语中叫cosmos，在俄语中叫，在俄语中叫ocMoc ，在德语中叫，在德语中叫kosmos ，在法，在法语中叫语中叫cosmos。它们都源自希腊语的。它们都源自希腊语的oo，古希腊古希腊人认为宇宙的创生

2、乃人认为宇宙的创生乃是从浑沌中产生出秩序来，是从浑沌中产生出秩序来，oo其其原意就是秩序。但在英语中更经常用原意就是秩序。但在英语中更经常用来表示来表示“宇宙宇宙”的词是的词是universe。此词。此词与与universitas有关。在中世纪，人们把有关。在中世纪，人们把沿着同一方向朝同一目标共同行动的沿着同一方向朝同一目标共同行动的一群人称为一群人称为universitas。在最广泛的意。在最广泛的意义上，义上，universitas 又指一切现成的东又指一切现成的东西所构成的统一整体，那就是西所构成的统一整体，那就是universe，即宇宙。即宇宙。universe和和cosmos常常表

3、示相常常表示相同的意义，所不同的是，同的意义，所不同的是，前者强调的前者强调的是是物质现象的总和，而后者则强调整物质现象的总和，而后者则强调整体宇宙的结构或构造。体宇宙的结构或构造。 而而在汉语中，宇代表了所在汉语中，宇代表了所有的空间，宙代表了所有有的空间，宙代表了所有的时间，所以的时间，所以“宇宙宇宙”这这个词有个词有“所有的时间和空所有的时间和空间间”的意思。的意思。 宇宙的起源宇宙的起源 宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。质的总称。 宇宙是物质世界，它处于不断的运动和发展中。宇宙是物质世界，它处于不断的运动和发展中。 淮南

4、子淮南子原道训原道训注：注：“四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地。”即宇宙是天地万物的总称。千百年来，科学家们一直即宇宙是天地万物的总称。千百年来，科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。直到今天，科在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。直到今天，科学家们才确信，学家们才确信，宇宙是由大约宇宙是由大约150亿年前发生的一次亿年前发生的一次大爆炸形成的。大爆炸形成的。 在爆炸发生之前，宇宙内的所存物质和能量都聚集在爆炸发生之前，宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大，之后发

5、生了大爆炸。大，之后发生了大爆炸。 大爆炸使物质四散出击，宇宙空间不断膨胀，温度大爆炸使物质四散出击，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在这种不断膨胀冷却的过程星、行星乃至生命，都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。然而，大爆炸而产生宇宙的理论尚不中逐渐形成的。然而，大爆炸而产生宇宙的理论尚不能确切地解释，能确切地解释，“在所存物质和能量聚集在一点上在所存物质和能量聚集在一点上”之前到底存在着什么东西？之前到底存在着什么东西？ “大爆炸理论大爆炸理论“是伽莫夫于是伽莫夫于1946年年创建的

6、。创建的。乔治乔治伽莫夫（伽莫夫（G.Gamov,1904-1968）是俄国著名的物理是俄国著名的物理学家和天文学家。学家和天文学家。1928年在原苏联列宁格勒大学获物理年在原苏联列宁格勒大学获物理学博士学位。学博士学位。1928-1932年先后在丹麦的哥本哈根大学和年先后在丹麦的哥本哈根大学和英国剑桥大学师从著名物理学家玻尔和卢瑟福从事研究英国剑桥大学师从著名物理学家玻尔和卢瑟福从事研究工作。工作。1931年回到列宁格勒大学任教授。年回到列宁格勒大学任教授。1933年在巴黎年在巴黎居里研究所从事研究。居里研究所从事研究。1934年移居美国，任密执安大学年移居美国，任密执安大学讲师，同年秋被聘

7、为华盛顿大学教授，讲师，同年秋被聘为华盛顿大学教授，1954年任加利福年任加利福尼亚大学伯克利分校教授，尼亚大学伯克利分校教授，1956年改任科罗多大学教授。年改任科罗多大学教授。 伽莫夫伽莫夫19041904年生于乌克兰，父亲是教师。年生于乌克兰，父亲是教师。19221922年进入新俄罗斯大学年进入新俄罗斯大学就读，不久转到列宁格勒大学攻读光学，曾师从著名宇宙学家亚力山就读，不久转到列宁格勒大学攻读光学，曾师从著名宇宙学家亚力山大大弗里德曼学习弗里德曼宇宙模型。弗里德曼学习弗里德曼宇宙模型。19281928年获得博士学位。年获得博士学位。19281928年年到到19321932年间曾先后在德

8、国哥廷根大学、丹麦哥本哈根大学理论物理研年间曾先后在德国哥廷根大学、丹麦哥本哈根大学理论物理研究所和英国剑桥大学究所和英国剑桥大学卡文迪卡文迪许实验室师从著名物理学家许实验室师从著名物理学家玻尔和卢瑟福玻尔和卢瑟福从事研究工作。在哥廷根大学期间，伽莫夫成功地将从事研究工作。在哥廷根大学期间，伽莫夫成功地将量子理论应用到量子理论应用到原子核的研究，解释了原子核的研究，解释了衰变。衰变。1931年，伽莫夫回苏联，任命为列宁格勒科学院首席研究员，并在列宁格勒大学担任物年，伽莫夫回苏联，任命为列宁格勒科学院首席研究员，并在列宁格勒大学担任物理教授。当时斯大林制度下，伽莫夫感到自己富于想象力的天性受到压

9、制，很不开心。理教授。当时斯大林制度下，伽莫夫感到自己富于想象力的天性受到压制，很不开心。1933年出席在比利时布鲁塞尔召开的一次会议时，伽莫夫抓住机会离开了苏联。离开苏年出席在比利时布鲁塞尔召开的一次会议时，伽莫夫抓住机会离开了苏联。离开苏联后，伽莫夫在法国巴黎的居里研究所从事研究联后，伽莫夫在法国巴黎的居里研究所从事研究. 1934年移居美国，在密执安大学担任讲师，同年秋天被聘为哥伦比亚特区的华盛顿大年移居美国，在密执安大学担任讲师，同年秋天被聘为哥伦比亚特区的华盛顿大学教授。在华盛顿大学伽莫夫主要从事宇宙学和天体物理学研究学教授。在华盛顿大学伽莫夫主要从事宇宙学和天体物理学研究，发展了大

10、爆炸宇宙模发展了大爆炸宇宙模型型，并且研究了宇宙初始阶段化学元素起源的问题，并且研究了宇宙初始阶段化学元素起源的问题，1954年起，伽莫夫担任伯克利加州年起，伽莫夫担任伯克利加州大学教授，大学教授，1956年起任科罗拉多大学教授，并将研究中心年起任科罗拉多大学教授，并将研究中心转向分子生物学转向分子生物学。这期间，伽。这期间，伽莫夫提出了莫夫提出了DNA分子的分子的“遗传密码遗传密码”。 现代宇宙大爆炸理论是在现代宇宙大爆炸理论是在1932年由比利时牧师勒梅特年由比利时牧师勒梅特首次提出首次提出的。的。1940年代，伽莫夫年代，伽莫夫与他的两个学生与他的两个学生拉尔夫拉尔夫阿尔菲和罗伯特阿尔菲

11、和罗伯特赫尔曼一道，将相对论引入宇宙学，提出赫尔曼一道，将相对论引入宇宙学，提出了热大爆炸宇宙学模型了热大爆炸宇宙学模型。 热大爆炸宇宙学模型认为，宇宙最初开始于高温高密的原始物质，温度超过几十亿热大爆炸宇宙学模型认为，宇宙最初开始于高温高密的原始物质，温度超过几十亿度。随着宇宙膨胀，温度逐渐下降，形成了现在的星系等天体。他们还预言了宇宙微波度。随着宇宙膨胀，温度逐渐下降，形成了现在的星系等天体。他们还预言了宇宙微波背景辐射的存在。背景辐射的存在。1964年美国无线电工程师阿诺年美国无线电工程师阿诺彭齐亚斯和罗伯特彭齐亚斯和罗伯特威尔逊偶然中发现威尔逊偶然中发现了宇宙微波背景辐射，证实了他们的

12、预言。了宇宙微波背景辐射，证实了他们的预言。 1940年代，伽莫夫指派阿尔菲研究了大爆炸中元素合成的理论。在阿尔菲年代，伽莫夫指派阿尔菲研究了大爆炸中元素合成的理论。在阿尔菲1948年提交年提交的博士论文中，伽莫夫说服了汉斯的博士论文中，伽莫夫说服了汉斯贝特把他的名字署在了论文上，又把自己的名字署在贝特把他的名字署在了论文上，又把自己的名字署在最后，这样，三个人名字的谐音恰好组成前三个希腊字母最后，这样，三个人名字的谐音恰好组成前三个希腊字母、。于是这份标志宇宙大。于是这份标志宇宙大爆炸模型的论文以阿尔弗、贝特、伽莫夫三人的名义，在爆炸模型的论文以阿尔弗、贝特、伽莫夫三人的名义，在1948年年

13、4月月1日愚人节那天发表，日愚人节那天发表，称为称为理论。理论。伽莫夫还是一位优秀的科普作家，在他一生正式出版的伽莫夫还是一位优秀的科普作家，在他一生正式出版的25部著作中，有部著作中，有18部是科普作品，部是科普作品，其中最具代表性的是物理世界奇遇记。其中最具代表性的是物理世界奇遇记。1956年，伽莫夫获得联合国教科文组织颁发年，伽莫夫获得联合国教科文组织颁发的卡林伽科普奖。的卡林伽科普奖。太阳系太阳系 太阳系是由受太阳引力约束的天体组成的太阳系是由受太阳引力约束的天体组成的系统，它的最大范围约可延伸到系统，它的最大范围约可延伸到1光年以外。光年以外。太阳系的主要成员有：太阳系的主要成员有：

14、太阳（恒星）、太阳（恒星）、九大九大行星（包括地球）、无数小行星、众多卫星行星（包括地球）、无数小行星、众多卫星（包括月亮），还有彗星、流星体以及大量（包括月亮），还有彗星、流星体以及大量尘埃物质和稀薄的气态物质尘埃物质和稀薄的气态物质.在太阳系中，太在太阳系中，太阳的质量占太阳系总质量的阳的质量占太阳系总质量的99.8%，其它天，其它天体的总和不到有太阳的体的总和不到有太阳的0.2%。太阳是中心天太阳是中心天体，它的引力控制着整个太阳系，使其它天体，它的引力控制着整个太阳系，使其它天体绕太阳公转，太阳系中的体绕太阳公转，太阳系中的九大行星九大行星（水星、（水星、金星、地球、火星、木星、土星、

15、天王星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、海王星、冥王星冥王星）都在）都在接近同一平面的近圆接近同一平面的近圆轨道上轨道上，朝同一方向绕太阳公转。，朝同一方向绕太阳公转。 太阳系太阳系是是银河系的极微小部分，它只是银银河系的极微小部分，它只是银河系中上千亿个恒星中的一个河系中上千亿个恒星中的一个，它离银河系中，它离银河系中心约心约8.5千秒差距千秒差距,即不到即不到3万光年。太阳带着整万光年。太阳带着整个太阳系绕银河系中心转动。可见，个太阳系绕银河系中心转动。可见，太阳系不太阳系不在宇宙中心，也不在银河系中心。在宇宙中心，也不在银河系中心。 太阳是太阳是50亿年前由星际云瓦解后的一

16、团小云塌缩而成的，亿年前由星际云瓦解后的一团小云塌缩而成的，它的寿命约为它的寿命约为100亿年。亿年。 索尔索尔佩尔穆特（佩尔穆特（Saul Perlmutter）领导着其中一个团）领导着其中一个团队，即队，即1988年启动的年启动的“超新星宇宙学项目超新星宇宙学项目”（Supernova Cosmology Project）。布莱恩）。布莱恩施密特施密特（Brian Schmidt）领导着另一个团队，即）领导着另一个团队，即1994年启动年启动的的“高红移超新星研究组高红移超新星研究组”（High-z Supernova Search Team）展开竞争，亚当）展开竞争，亚当里斯（里斯（Ad

17、am Riess）在其中起到了至关重要的作用。在其中起到了至关重要的作用。 将美国科学家帕尔马特、美国将美国科学家帕尔马特、美国/澳大利亚科学家施密特（双重国籍）澳大利亚科学家施密特（双重国籍）和美国科学家黎斯。据悉，帕尔马和美国科学家黎斯。据悉，帕尔马特将独享一半奖金，施密特和黎斯特将独享一半奖金，施密特和黎斯分享另一半。分享另一半。 诺贝尔评审团在当天的声明中指诺贝尔评审团在当天的声明中指出：出：“他们研究了几十个称为他们研究了几十个称为超超新星新星的爆炸星球，并发现宇宙一的爆炸星球，并发现宇宙一直在加速扩张。直在加速扩张。”两个研究团队通过寻找遥远空间中爆发的超新星，两个研究团队通过寻找

18、遥远空间中爆发的超新星，展开了绘制展开了绘制宇宙宇宙“地图地图”的竞赛。的竞赛。通过确定这些超新星的距离和它们离我通过确定这些超新星的距离和它们离我们而去的速度，科学家希望能够揭开我们宇宙的最终命运。他们而去的速度，科学家希望能够揭开我们宇宙的最终命运。他们本来以为，自己会发现宇宙膨胀正在减速的迹象，这种减速们本来以为，自己会发现宇宙膨胀正在减速的迹象，这种减速将决定宇宙会终结于烈火还是寒冰。结果，他们发现了完全相将决定宇宙会终结于烈火还是寒冰。结果，他们发现了完全相反的事实反的事实宇宙膨胀正在加速。宇宙膨胀正在加速。宇宙如何膨胀宇宙如何膨胀? 2011年诺贝尔物理学奖颁发给美国加州大学伯克利

19、分校年诺贝尔物理学奖颁发给美国加州大学伯克利分校天体物理学家萨尔天体物理学家萨尔波尔马特、美国波尔马特、美国/澳大利亚布莱恩澳大利亚布莱恩施密特施密特以及美国科学家亚当以及美国科学家亚当里斯以表彰他们发现里斯以表彰他们发现“通过超新星发通过超新星发现宇宙加速膨胀现宇宙加速膨胀”，这有助于人类更多地了解宇宙扩张的秘，这有助于人类更多地了解宇宙扩张的秘密；密； 1915年，爱因斯坦发表了他的广义相对论，此后这一直是年，爱因斯坦发表了他的广义相对论，此后这一直是人们理解宇宙的基础。人们理解宇宙的基础。按照广义相对论，宇宙只能收缩或者按照广义相对论，宇宙只能收缩或者膨胀，不可能稳定不变。膨胀，不可能稳

20、定不变。但事实刚好相反：宇宙正在膨胀。但事实刚好相反：宇宙正在膨胀。 1、宇宙膨胀来自、宇宙膨胀来自“超新星超新星”大爆炸大爆炸 超新星（即大质量恒星）爆炸的概念是超新星（即大质量恒星）爆炸的概念是1934年由茨维基年由茨维基和巴德提出的。他们猜测当一些恒星寿命结束时将会塌缩，和巴德提出的。他们猜测当一些恒星寿命结束时将会塌缩，然后发生爆炸，然后发生爆炸，其亮度可达到十亿甚至百亿个太阳的亮度其亮度可达到十亿甚至百亿个太阳的亮度，巴德和茨维基也观测到了一些超新星。巴德和茨维基也观测到了一些超新星。 宇宙中其实有两种不同的超新星：一种是茨维基最早提宇宙中其实有两种不同的超新星：一种是茨维基最早提出

21、的核塌缩超新星，另一种其爆炸机理不同，现在一般认为出的核塌缩超新星，另一种其爆炸机理不同，现在一般认为是是白矮星（质量比较低的恒星比如太阳在燃尽核燃料后就会白矮星（质量比较低的恒星比如太阳在燃尽核燃料后就会变成白矮星）从其伴星中吸积（吸积是围绕年轻恒星的星盘变成白矮星）从其伴星中吸积（吸积是围绕年轻恒星的星盘入面的碎片渐渐变大入面的碎片渐渐变大,最后形成行星的过程最后形成行星的过程;即是天体通过引力即是天体通过引力“吸引吸引”和和“积累积累”周围物质的过程。）物质，到一定程度周围物质的过程。）物质，到一定程度后再发生核爆炸。后再发生核爆炸。但有趣的是，茨维基和巴德最早观测到的但有趣的是，茨维基

22、和巴德最早观测到的超新星都是后面这种他们所未曾想到过的类型，他们把这种超新星都是后面这种他们所未曾想到过的类型，他们把这种发生爆炸的白矮星称为发生爆炸的白矮星称为“Ia型超新星型超新星”。超新星超新星宇宙新标尺宇宙新标尺 尽管超新星非常亮，但放在尽管超新星非常亮，但放在浩瀚的宇宙之中，也只是微浩瀚的宇宙之中，也只是微弱的一点弱的一点。如何寻找超新星？这意味着研究团队必须彻查。如何寻找超新星？这意味着研究团队必须彻查整个天空，来寻找遥远的超新星。诀窍就在于，比较同样整个天空，来寻找遥远的超新星。诀窍就在于，比较同样的一小块天空拍摄于不同时间的两张照片。这一小块天空的一小块天空拍摄于不同时间的两张

23、照片。这一小块天空的大小，就相当于你伸直手臂时看到的指甲盖大小。第一的大小，就相当于你伸直手臂时看到的指甲盖大小。第一张照片必须在新月之后拍摄，第二张照片则要在张照片必须在新月之后拍摄，第二张照片则要在3个星期个星期之后，抢在月光把星光淹没之前拍摄。之后，抢在月光把星光淹没之前拍摄。 接下来，两张照片就可以拿来比对，希望能够从中发现接下来，两张照片就可以拿来比对，希望能够从中发现一个小小光点，即一个小小光点，即CCD图像中的一个像素图像中的一个像素这有可能就这有可能就是遥远星系中爆发了一颗超新星的标志。是遥远星系中爆发了一颗超新星的标志。只有距离超过可只有距离超过可观测宇宙半径观测宇宙半径1/

24、3的超新星才是可用的，这样做是为了消除的超新星才是可用的，这样做是为了消除近距离星系自身运动而带来的干扰。两个研究小组总共观近距离星系自身运动而带来的干扰。两个研究小组总共观测了约测了约50颗遥远的颗遥远的“Ia型超新星型超新星”，并于，并于1998年得到了一年得到了一致的结论：宇宙的膨胀速度不是恒定的，也不是越来越慢，致的结论：宇宙的膨胀速度不是恒定的，也不是越来越慢，而是不断加快。而是不断加快。3、宇宙膨胀：加速度来自一种未知的暗能量、宇宙膨胀：加速度来自一种未知的暗能量 是什么在加速宇宙膨胀？这种神秘力量被称为暗能量，是什么在加速宇宙膨胀？这种神秘力量被称为暗能量，它向物理学提出了一大挑

25、战，至今无人能够破解这一谜题。它向物理学提出了一大挑战，至今无人能够破解这一谜题。科学家已经提出了若干想法。宇宙膨胀的这种加速度暗示，科学家已经提出了若干想法。宇宙膨胀的这种加速度暗示，在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下，宇宙正在分在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下，宇宙正在分崩离析。这种所谓的崩离析。这种所谓的“暗能量暗能量”（dark energy）占据了宇宙）占据了宇宙成分的绝大部分，含量超过成分的绝大部分，含量超过70%。它的本质仍然是谜，或许是。它的本质仍然是谜，或许是今天的物理学面临的最大谜今天的物理学面临的最大谜题。题。 对于这两样东西，我们只知道它们发挥的作用对于这

26、两样东西，我们只知道它们发挥的作用 一个一个是推，另一个是拉。名字前面那个是推，另一个是拉。名字前面那个“暗暗”字，是它们唯一的字，是它们唯一的共同点。共同点。4、超新星爆炸时的、超新星爆炸时的“红移红移”现象说明，星系正离我们远去现象说明，星系正离我们远去 红移现象红移现象指的是白矮星爆炸的光在远离我们的时候，其指的是白矮星爆炸的光在远离我们的时候，其光波长会被拉长，而波长越长，它的颜色就越红。目前对红光波长会被拉长，而波长越长，它的颜色就越红。目前对红移现象的公认解释为：速度造成红移。例如：移现象的公认解释为：速度造成红移。例如：当一列火车向当一列火车向我们奔驰而来时，它的汽笛声尖锐刺耳，

27、因为火车的高速运我们奔驰而来时，它的汽笛声尖锐刺耳，因为火车的高速运动使声波波长被压缩，能量密度增加。相反，当火车离开我动使声波波长被压缩，能量密度增加。相反，当火车离开我们飞驰而去时，它的汽笛声则低沉幽缓，们飞驰而去时，它的汽笛声则低沉幽缓，简称多普勒效应。简称多普勒效应。 5、用、用“标准烛光标准烛光”计算恒星运动距离计算恒星运动距离 今年的诺贝尔物理学奖获得者当年认为，他们会测量到今年的诺贝尔物理学奖获得者当年认为，他们会测量到宇宙减速膨胀，测量出宇宙膨胀的速度是如何减慢的。他宇宙减速膨胀，测量出宇宙膨胀的速度是如何减慢的。他们采用的方法，从原理上讲，们采用的方法，从原理上讲，跟跟60多

28、年前天文学家所用的多年前天文学家所用的方法是一样的方法是一样的那就是给遥远的恒星定位，并测量它们那就是给遥远的恒星定位，并测量它们如何运动；而实际上宇宙膨胀速度是加速的。如何运动；而实际上宇宙膨胀速度是加速的。 一种被称为一种被称为“造父变星造父变星”的恒星，成为早期宇宙的的恒星，成为早期宇宙的“标标准烛光准烛光”。所谓。所谓标准烛光，指的是人们可以用造父变星来标准烛光，指的是人们可以用造父变星来测量视差法无法测量的特大距离。测量视差法无法测量的特大距离。 具有稳定亮度的标准烛光，是测量遥远恒星的距离所必需的。具有稳定亮度的标准烛光，是测量遥远恒星的距离所必需的。主流学界宇宙形成级膨胀理论示意

29、图。左为宇宙形成期，右端为发展期。主流学界宇宙形成级膨胀理论示意图。左为宇宙形成期，右端为发展期。标准宇宙模型预言标准宇宙模型预言宇宙宇宙22%由暗物质组成，由暗物质组成，74%是暗能量，是暗能量，剩下的剩下的4%是是在我们身边可以看到的普通物质。在这个模型在我们身边可以看到的普通物质。在这个模型中，中，96%的宇宙是不可见的。的宇宙是不可见的。超新星（即大质量恒星）爆炸的概念是超新星（即大质量恒星）爆炸的概念是1934年由茨维基和巴年由茨维基和巴德提出的。他们猜测当一些恒星寿命结束时将会塌缩，然后德提出的。他们猜测当一些恒星寿命结束时将会塌缩，然后发生爆炸，其亮度可达到十亿甚至百亿个太阳的亮

30、度。发生爆炸，其亮度可达到十亿甚至百亿个太阳的亮度。在茫茫宇宙寻找超新星诀窍就在于：比较同样的一小块在茫茫宇宙寻找超新星诀窍就在于：比较同样的一小块天空拍摄于不同时间的两张照片。天空拍摄于不同时间的两张照片。红移现象指的是白矮星爆炸的光在远离我们的时候，其光红移现象指的是白矮星爆炸的光在远离我们的时候，其光波长会被拉长，而波长越长，它的颜色就越红。波长会被拉长，而波长越长，它的颜色就越红。星系在早期曾被归到星云中，直到星系在早期曾被归到星云中，直到1924年，美国著名天文年，美国著名天文学家哈勃通过照相观测发现仙女座大星云（现应严格称为学家哈勃通过照相观测发现仙女座大星云（现应严格称为仙女座河

31、外星系仙女座河外星系）中的造父变星，从而推算出仙女座）中的造父变星，从而推算出仙女座大星云与我们的距离。大星云与我们的距离。这距离表明它是在银河系之外，是这距离表明它是在银河系之外，是类似银河系一样的恒星天体系统。类似银河系一样的恒星天体系统。图说：世界正在膨胀。宇宙的膨胀始于图说：世界正在膨胀。宇宙的膨胀始于140亿年前的大爆炸，亿年前的大爆炸，但在最初几十亿年里，宇宙膨胀的速度是越来越慢的。但最但在最初几十亿年里，宇宙膨胀的速度是越来越慢的。但最终，它开始加速膨胀。这种加速被认为是由暗能量终，它开始加速膨胀。这种加速被认为是由暗能量驱动的，驱动的，这种暗能量起初只占宇宙的一小部分。但随着物

32、质在宇宙膨这种暗能量起初只占宇宙的一小部分。但随着物质在宇宙膨胀过程中逐渐稀释，暗能量变得越来越显著。胀过程中逐渐稀释，暗能量变得越来越显著。发现宇宙膨胀，让我们迈出了奠定基础的第一步，最终得出了今天的标准发现宇宙膨胀，让我们迈出了奠定基础的第一步，最终得出了今天的标准宇宙学观点，宇宙学观点，即宇宙诞生于大约即宇宙诞生于大约140亿年前的一场大爆炸。时间和空间都亿年前的一场大爆炸。时间和空间都起始于那一时刻。从那时起，宇宙就一直在膨胀起始于那一时刻。从那时起，宇宙就一直在膨胀；星系则像是；星系则像是烤箱中正在烤箱中正在膨胀的蛋糕里夹杂的葡萄干，膨胀的蛋糕里夹杂的葡萄干，由于宇宙学膨胀而彼此远离

33、。但未来的命运由于宇宙学膨胀而彼此远离。但未来的命运又将如何？又将如何？ “有人说世界将终结于烈火，有人说将终结于寒冰有人说世界将终结于烈火，有人说将终结于寒冰” 宇宙最终的命运是什么？或许它将终结于寒冰，如果我宇宙最终的命运是什么？或许它将终结于寒冰，如果我们打算相信今年的诺贝尔物理学奖的话。他们已经仔细研究们打算相信今年的诺贝尔物理学奖的话。他们已经仔细研究了几十颗遥远星系之中被称为了几十颗遥远星系之中被称为“超新星超新星”（supernova）的）的爆炸恒星，得出了宇宙正在加速膨胀的结论。爆炸恒星，得出了宇宙正在加速膨胀的结论。 即便是对这些获奖者而言，这项发现也完全出乎他们的即便是对这

34、些获奖者而言，这项发现也完全出乎他们的意料。他们看到的现象，意料。他们看到的现象，就好比是把一个小球抛向了空中，就好比是把一个小球抛向了空中，却没有看到它落回来，反倒看着它越来越快地上升，最终消却没有看到它落回来，反倒看着它越来越快地上升，最终消失在了空中，仿佛引力无法逆转小球上升的轨迹一般。失在了空中，仿佛引力无法逆转小球上升的轨迹一般。类似类似的事情似乎发生在整个宇宙当中。的事情似乎发生在整个宇宙当中。碳原子质量的碳原子质量的（.99310-23g）碳原子是指原子核内含有个质子和六个中子的碳原子1.008 1.007 1/1836 相对质量1.67510-271.67310-27 9.10

35、910-31 质量/kg不显电性 1个质子带一个单位正电荷1个电子带一个单位负电荷电性和电量中子质子原子核电子构成原子的粒子 已知已知12C原子的质量为原子的质量为.99310-23 g基本粒子的特性基本粒子的特性1 原子质量单位 = 1.667 x 10-27 克1 基本电荷单位 = 1.619 x 10-19 库仑一. Atoms and atomic nucleus(一) Atoms1.There are one hundred and nine elements in nature.2.Atoms is a basic unit of elements. 3.atom 2R=10-8

36、cm d=1014 g/cm3 one H weight 1.673310-24 g one U weight 3.9510-22 g 原原 子子 原子核原子核质子：质子： 带带1个单位正电荷个单位正电荷中子：中子：不带电不带电 电电 子子带一个单位负电荷带一个单位负电荷 原子核原子核A代表质量数；Z代表质子数；a代表化合价；b代表离子的价态；c代表原子个数A Z a b c 各代表什么？AZaXb+- -+c(二)Atomic nucleus proton 1.atomic nucleus nucleon（核子） neutron2.free “n” is instable. n p + e

37、+ + Q 2011.日日 欧洲研究人员近日宣称发现了欧洲研究人员近日宣称发现了“超光速中微子超光速中微子”现象，这现象，这一现象与相对论的基础前提不符，引发全球科学界高度关注。一现象与相对论的基础前提不符，引发全球科学界高度关注。这个可能这个可能“跑得比光还快跑得比光还快”的中微子究竟为何物？对它的研的中微子究竟为何物？对它的研究有何意义？究有何意义？ 世纪年代，科学家发现原子核在衰变前后的能世纪年代，科学家发现原子核在衰变前后的能量不一致。物理学家泡利对此提出假设，有种粒子量不一致。物理学家泡利对此提出假设，有种粒子“窃走了窃走了”能量。这一假说在年后终被证实，这个窃走能量的能量。这一假说

38、在年后终被证实，这个窃走能量的“小小偷偷”就是中微子。就是中微子。 中微子是一种非常小的基本粒子，广泛存在于宇宙中。它中微子是一种非常小的基本粒子，广泛存在于宇宙中。它可以自由穿过地球，很难与任何物质发生作用，难以捕捉和可以自由穿过地球，很难与任何物质发生作用，难以捕捉和探测，被称为宇宙间的探测，被称为宇宙间的“隐身人隐身人”。曾有科学家打比方说：。曾有科学家打比方说：“即便用我们整个太阳系那么大的一块铅，也不可能把一个即便用我们整个太阳系那么大的一块铅，也不可能把一个宇宙中微子拦下。宇宙中微子拦下。” 在自然界里，在自然界里，中微子产生于太阳内的放射性衰中微子产生于太阳内的放射性衰变过程或者

39、宇宙射线中变过程或者宇宙射线中，它可以揭示宇宙质量及，它可以揭示宇宙质量及浩瀚太空中各种星体的许多奥秘。浩瀚太空中各种星体的许多奥秘。这种粒子与宇这种粒子与宇宙发展和宙发展和“暗物质暗物质”的存在有直接关系，的存在有直接关系，有可能有可能成为人类打开新物理学之门的钥匙。除理论研究成为人类打开新物理学之门的钥匙。除理论研究外，中微子的特性还有可能被外，中微子的特性还有可能被应用于通讯、地球应用于通讯、地球断层扫描等领域。断层扫描等领域。 中微子是近年来物理研究中的一个热点。中微子是近年来物理研究中的一个热点。年，美国和日本物理学家因年，美国和日本物理学家因“宇宙中微子探宇宙中微子探测测”方面的成

40、就摘得当年的诺贝尔物理学奖。方面的成就摘得当年的诺贝尔物理学奖。 中微子中微子Neutrino ：宇宙隐身人：宇宙隐身人中微子是轻子的一种，一种不带电的基本粒子。是组成自然中微子是轻子的一种，一种不带电的基本粒子。是组成自然界的最基本的粒子之一，中微子质量非常轻，界的最基本的粒子之一，中微子质量非常轻，小于电子的百万小于电子的百万分之一。分之一。它具有最强的穿透力，可以像它具有最强的穿透力，可以像“幽灵幽灵”一样穿透任何一样穿透任何物质。由于中微子难以捕捉和探测，因而也被称为宇宙的物质。由于中微子难以捕捉和探测，因而也被称为宇宙的“隐隐身人身人”。它是目前科学界了解最晚、最少的基本粒子。它是目

41、前科学界了解最晚、最少的基本粒子。 中微子具有最强的穿透力。穿越地球直径那么厚的物质，中微子具有最强的穿透力。穿越地球直径那么厚的物质，在在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此，中微亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此，中微子也被称为宇宙间的子也被称为宇宙间的“隐身人隐身人”。中微子在发射后不断衰变，。中微子在发射后不断衰变，质量变得非常小，它是唯一在理论上可以以光速运行的粒子。质量变得非常小，它是唯一在理论上可以以光速运行的粒子。 在在电影电影2012中，中，中微子正是主角之一。在中微子正是主角之一。在电影中，太阳活动突然加剧，释放出大量中微子。电影中，太阳活动突然加剧，释

42、放出大量中微子。中微子穿过地表，和地核发生反应，并将后者加热中微子穿过地表，和地核发生反应，并将后者加热并熔化。带来剧烈地震和火山爆发，最终引发超级并熔化。带来剧烈地震和火山爆发，最终引发超级大海啸。大海啸。 英国英国自然自然杂志日报道说，意大利格兰萨杂志日报道说，意大利格兰萨索国家实验室下属的一个名为索国家实验室下属的一个名为“”的实的实验装置接收了来自著名的欧洲核子研究中心的中微验装置接收了来自著名的欧洲核子研究中心的中微子，两地相距子，两地相距公里公里，中微子跑过这段距离的，中微子跑过这段距离的时间比光速还快了时间比光速还快了纳秒纳秒（纳秒等于亿分（纳秒等于亿分之一秒）。之一秒）。Neu

43、trino experiment sees them apparently moving faster than lightB y John Timmer Published September 22, 2011 3:38 PMThe OPERA neutrino detector hardware.Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beamAbstract: The OPERA neutrino experiment at the underground Gran Sasso La

44、boratory has measured the velocity of neutrinos from the CERN CNGS beam over a baseline of about 730 km with much higher accuracy than previous studies conducted with accelerator neutrinos. The measurement is based on high-statistics data taken by OPERA in the years 2009, 2010 and 2011. Dedicated up

45、grades of the CNGS timing system and of the OPERA detector, as well as a high precision geodesy campaign for the measurement of the neutrino baseline, allowed reaching comparable systematic and statistical accuracies. An early arrival time of CNGS muon neutrinos with respect to the one computed assu

46、ming the speed of light in vacuum of (60.7 pm 6.9 (stat.) pm 7.4 (sys.) ns was measured. This anomaly corresponds to a relative difference of the muon neutrino velocity with respect to the speed of light (v-c)/c = (2.48 pm 0.28 (stat.) pm 0.30 (sys.) times 10-5. 科学家发现超光速粒子科学家发现超光速粒子 或颠覆爱因斯坦狭义相对论或颠覆爱

47、因斯坦狭义相对论 当天，欧洲核子研究中心公布了一份研究结果，科研人员在让中微子进行近光当天，欧洲核子研究中心公布了一份研究结果，科研人员在让中微子进行近光速运动时，其到达时间比预计的早了速运动时，其到达时间比预计的早了60纳秒（纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒纳秒等于十亿分之一秒），对此，），对此，研究者认为，这可能意味着这些中微子是以比研究者认为，这可能意味着这些中微子是以比光速快光速快60纳秒的速度运行纳秒的速度运行。根据爱因斯坦狭义相对论，光速是宇宙速度的极限，根据爱因斯坦狭义相对论，光速是宇宙速度的极限，没有任何物质可以超越光速。没有任何物质可以超越光速。如果此次研究结果被验证为真，意味着

48、奠定了现代物理学的基础将遭到严重挑战。如果此次研究结果被验证为真，意味着奠定了现代物理学的基础将遭到严重挑战。 此次研究的中微子束源自位于日内瓦的欧洲核子研究中心，此次研究的中微子束源自位于日内瓦的欧洲核子研究中心，接收方则是意大接收方则是意大利罗马附近的意大利国立核物理研究所。利罗马附近的意大利国立核物理研究所。粒子束的发射方和接收方之间有着粒子束的发射方和接收方之间有着730公里的距离，研究者让粒子束以近光速运行公里的距离，研究者让粒子束以近光速运行，并通过其最后运行的时间和距离来，并通过其最后运行的时间和距离来判断中微子的速度。中微子束在两地之间的地下管道中穿梭。判断中微子的速度。中微子

49、束在两地之间的地下管道中穿梭。“这个结果十分令人震惊，这个结果十分令人震惊，”该研究项目发言人艾瑞迪塔托说，该研究项目发言人艾瑞迪塔托说，“我们在好几个我们在好几个月中反复研究核对，并仔细考虑了实验中其他各种因素的影响。月中反复研究核对，并仔细考虑了实验中其他各种因素的影响。”艾瑞迪塔托说，艾瑞迪塔托说，科研人员反复观测到这个现象达科研人员反复观测到这个现象达1.6万次。万次。 欧洲核子研究中心欧洲核子研究中心新发现或改变人类宇宙观新发现或改变人类宇宙观: 欧洲核子研究中心研究主任贝托鲁奇说，如果这个研究被验证，将改变欧洲核子研究中心研究主任贝托鲁奇说，如果这个研究被验证，将改变人类的物理观。

50、人类的物理观。物理学家们认为，一旦这些粒子确实被证实跑过了光速，将彻底改变人类物理学家们认为，一旦这些粒子确实被证实跑过了光速，将彻底改变人类对整个宇宙存在的看法，甚至改变人类存在的模式。有分析人士认为，可能对整个宇宙存在的看法，甚至改变人类存在的模式。有分析人士认为，可能宇宙中的确还存在其他未知维度，中微子抄了其他维度的宇宙中的确还存在其他未知维度，中微子抄了其他维度的“近路近路”，才，才“跑跑”得比光快。得比光快。 中科院高能物理研究所所长陈和生说，希望研究方能够提供更多实验细中科院高能物理研究所所长陈和生说，希望研究方能够提供更多实验细节，也希望能看到其他的重复实验，节，也希望能看到其他

51、的重复实验，“现在说爱因斯坦相对论受到挑战还太现在说爱因斯坦相对论受到挑战还太早。早。”强子对撞机强子对撞机 A view of the OPERA detector in Gran Sasso, Italy. Neutrino beams from CERN in Switzerland are sent over 700km through the Earths crust to the laboratory in Italy.The OPERA experiment, which observes a neutrino beam from CERN 730 km away at Ital

52、ys INFN Gran Sasso Laboratory, will present new results in a seminar at CERN today.The OPERA result is based on the observation of over 15000 neutrino events measured at Gran Sasso, and appears to indicate that the neutrinos travel at a velocity 20 parts per million above the speed of light, natures

53、 cosmic speed limit. Given the potential far-reaching consequences of such a result, independent measurements are needed before the effect can either be refuted or firmly established. This is why the OPERA collaboration has decided to open the result to broader scrutiny. (三)Atomic nucleus stability

54、1.Atomic nucleus binding energy and mass defect 2H M=Mp+MnM2H =1.007276+1.008665-2.013553 =0.002338 u (theorytrue) E=mc2 E=mC22.specific binding energy =E/A3.ratio of neutron and proton and its odevity when Z36 n/p1 others n/p1.5 neutronprotonstabilitytotalevenevenvery st.163oddevenSec.57evenoddThir

55、.50oddoddvery inst.4When Z83 , because of neutron is over, all of atomic nucleus is instable, i.e radioactivity. Nuclei disintegration(核衰变核衰变)：当核内的中子数增加或减当核内的中子数增加或减少时，就会改变核的稳定状态，而自发地（不受外界理化因素影响）少时，就会改变核的稳定状态，而自发地（不受外界理化因素影响）放出带电粒子（放出带电粒子（、）和不带电粒子（）和不带电粒子（ ），使其转变成另一种稳），使其转变成另一种稳定的原子核，这种现象称为定的原子核，这种现

56、象称为ND。 P S +Q132153216 中子星和脉冲星在天文研究中是经常谈及的。宇中子星和脉冲星在天文研究中是经常谈及的。宇宙中存在中子星，其理论是马德和兹威基首先提出来宙中存在中子星，其理论是马德和兹威基首先提出来的，并指出中子星是由超新星爆炸而产生出来的。的，并指出中子星是由超新星爆炸而产生出来的。1968年天文观测到脉冲星的存在，从而也证实了中子年天文观测到脉冲星的存在，从而也证实了中子星的存在。一般而言，星的存在。一般而言，脉冲星一定是中子星（又称核脉冲星一定是中子星（又称核子星）子星）。据天文研究发现，中子星都是强磁星，具有。据天文研究发现，中子星都是强磁星，具有极强的磁场存在

57、。极强的磁场存在。年轻的中子星自旋速度较快，年轻的中子星自旋速度较快，其磁其磁场磁力线变化在某个方向就形成了很强的电磁脉冲波场磁力线变化在某个方向就形成了很强的电磁脉冲波辐射出去，于是就被我们测量到了，称之脉冲星。当辐射出去，于是就被我们测量到了，称之脉冲星。当然，如果某中子星离我们过于遥远或它自转轴的角度然，如果某中子星离我们过于遥远或它自转轴的角度关系，形成的脉冲辐射波波束没有扫过地球，那么我关系，形成的脉冲辐射波波束没有扫过地球，那么我们也接收不到，故也就测不到该脉冲星的存在。有些们也接收不到，故也就测不到该脉冲星的存在。有些中子星由于年龄太大，自转速度减慢下来，于是脉冲中子星由于年龄太

58、大，自转速度减慢下来，于是脉冲辐射特性也就减弱了，于是变成了无脉冲的宁静的中辐射特性也就减弱了，于是变成了无脉冲的宁静的中子星。对于老的中子星可以通过热源法测试。据天文子星。对于老的中子星可以通过热源法测试。据天文界估计，界估计，银河系自诞生以来约有银河系自诞生以来约有l亿至亿至10亿颗中子星亿颗中子星产生产生。可测到的老年中子星约有。可测到的老年中子星约有 2000颗。通过颗。通过 X射射线测试，发现有的老中子星视表面温度为线测试，发现有的老中子星视表面温度为 660000 K（K开耳文，是热力学温度单位）。开耳文，是热力学温度单位）。中子星和脉冲星是个神奇的世界，其奇异的特性人中子星和脉冲

59、星是个神奇的世界，其奇异的特性人们还在探索中。们还在探索中。 上面两图是哈勃太空望远镜拍到的。箭头所上面两图是哈勃太空望远镜拍到的。箭头所指为科学家所认为的中子星。左图中子星直径指为科学家所认为的中子星。左图中子星直径估计不大于估计不大于28公里。目前人们还没有发现其他公里。目前人们还没有发现其他天体会像中子星那样小且热而暗淡。天体会像中子星那样小且热而暗淡。为了与发现脉冲星有关的故事与发现脉冲星有关的故事 脉冲星被认为是脉冲星被认为是“死亡之星死亡之星”，是恒星在超新星阶段爆发后的产物。超新星爆发之后，就只剩下了一个，是恒星在超新星阶段爆发后的产物。超新星爆发之后，就只剩下了一个“核核”，仅

60、有，仅有几十几十公里大小公里大小，它的旋转速度很快，有的甚至可以达到每秒，它的旋转速度很快，有的甚至可以达到每秒600圈。在旋转过程中，它的磁场会使它形成强烈的电波向外界辐射，脉圈。在旋转过程中，它的磁场会使它形成强烈的电波向外界辐射，脉冲星就像是宇宙中的灯塔，源源不断地向外界发射电磁波，这种电磁波是间歇性的，而且有着很强的规律性。正是由于其强烈冲星就像是宇宙中的灯塔，源源不断地向外界发射电磁波，这种电磁波是间歇性的，而且有着很强的规律性。正是由于其强烈的规律性，脉冲星被认为是宇宙中最精确的时钟。的规律性，脉冲星被认为是宇宙中最精确的时钟。 脉冲星的存在是过去人们没有预料到的，它的性质如此奇特