第20章 原子核物理和粒子物理简介 第五版

1、*第二十章第二十章 原子核物理和粒子物理简原子核物理和粒子物理简介介20-1 原子核的基本性质1.原子核的电荷和质量原子核带有正电荷，原子核中的电荷由质子数Z决定，质子数Z等于核外电子数，它决定了原子在周期表中的位置与次序，因此Z又称为原子序数。原子核所带电量是电子电量的整数倍： q=Ze(1)原子核的电荷卢瑟福12 1011u = 12 6.022 10kg27323= 1.6606 10原子核的电荷和质量（2）原子核的质量原子核的质量等于原子的质量减去核外电子的质量，由于核外电子的质量极小，原子核的质量与原子的质量相差极小。原子核的质量等于质子的质量加中子的质量。12量的1/12为一个原子

2、质量单位（u）：同位素原子质量(u) 同位素原子质量(u)11 H21 H31 H32 He42 He1.0078252.0141023.0160503.0160304.002603126 C136 C2311 Na6329 Cu23892 U12.0000013.00335422.98977362 .929594238.04861表20-1几种同位素的原子质量原子核的电荷和质量X原子核的电荷和质量由表20-1可见，以“原子质量单位 ”(u)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A表示。原子核通常用质量数(A)和电荷数(Z)来表示.若某化学元素符

3、号用X来表示，则该原子核表示为：放射性同位素之分。放射性同位素： 自发地衰变为其他元素，同时放出一高能粒子。居里居里夫人原子核的电荷和质量核素： Z和 A都相同的原子核称为某种核素。同位素：Z相同而A不同的原子核称为同位素。同位素有稳定同位素和R A R A3( R0 = 1.2 10 m = 1.2fm)2.原子核的大小和形状(1)原子核的大小原子核的半径大约 10-1410-15 m , 是原子半径的 10-4 10-5倍。实验指出，核的体积正比于质量数A。若把原子核看作球体，则43R3 A3113R = R0 A1513fm为飞米，则上式可写为：根据式(20-1)可以算得 C、 O、 A

4、g 和6 C : R8 O : R47 Ag : R92 U : R半径分别为:12 16 1076 8 47U 核2389223810711216 1.2 2383= 7.4fm 1.2 10731= 5.7fm 1.2 1231 1.2 163= 2.7fm= 3.0fm1原子核的大小和形状(2)原子核的形状以上我们假定原子核是球体。原子核是一个电荷系统，若原子核是球体，它所带的电荷是均匀分布的。事实上，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，

5、所以可把这些原子近似地看作球体。但有16 2388 O168原子核的大小和形状U3.2fm6.8fm8.9fmO1681689223892O 和 238U 核的形状原子核的大小和形状O Co0.10.20246781659Sb122Au197核子密度/fm3r fm核物质的分布曲线原子核的大小和形状 = = R (1 .2 10 15 A m ) 3 (1.2 10 m) ( A )(1 .66 10 ) A (1 .2 10 ) A1343AuV 4 33m m343A (1.66 1027 kg )115 3 3=kg / m 34 153 27= 2 .3 10 17 kg / m 3为

6、m、 R和原子核的大小和形状例： 计算原子核物质密度。解 : 设原子核的质量、半径和密度分别由上式可知：( a)各种原子核应有相同的核物质密度。(b)原子核密度数值是极其巨大的，与 “中子星”的密度相当。像一个乒乓球那么大的核物质，其重量约为20亿吨。原子核的大小和形状3.原子核的组成质子和中子统称为核子，原子核个中子构成。由Z个质子和 A Z(1) 原子核的组成之一：质子m p = 1.007277u生一个氧核和一个氢核。这说明氮核中确定存在有氢核。于是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：1919年卢瑟福曾用 粒子轰击氮核，结果产原子核的组成氢

7、原子核有最小的电荷数和质量数，而其他原子核的 电荷恰好是氢核电荷的整数倍。那么，各种原子核是否由氢原子核组成？1930年玻特和贝克用 粒子轰击铍核时，发现有一种不带电的粒子射线放出来。这粒子后来命名为中子。中子是一种构成其他原子核的不带电的另一个基本粒子，用符号n表示，其质量与质子相近。m p = 1.008665u从 AZ可见，一个含Z个质子。X 的原子核并非仅包AZ原子核的组成(2) 原子核的组成之二：中子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，它将衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子（ ），因此自由中子是有放射性的。e后来宇宙中还发

8、现了大量由中子聚合而成的中子星。原子核的组成电，10 10在391/1014 15的线度范围内，斥力是很大的。中子又不带电。不可能是电性力使质子与中子聚集成原子核；是万有引力？更不是！万有引力太小，它仅是电磁力的。研究发现，是一种叫作核力的强相互作用力。4.核力和介子原子核由Z个质子和 A Z 个中子构成。是一种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？不是！质子带正(d) 核力近似地与核子是否带电无关。在质子与质子间、质子与中子间、中子与中子间，核力的大小和特性都大致相同。核力和介子(c) 核力具有 “饱和”作用，即一个核子只能和它紧邻的核子有核力相互作用，而不能

9、与核内较远的核子有核力相互作用。fm(约2fm)之内，核力才显示出来。( a) 核力比电磁力强100多倍，是强相互作用力。(b) 核力是短程力。只有核子间的距离为几个(1) 核力的性质 ) )-0中性(带负电(核力和介子(2) 核力的 介子理论1935年日本物理学家汤川秀树受到库仑力的作用是由电荷交换光子而产生的启发，提出了核力的 介子 ，并于1947年得到证实（质量是电子的270倍）。汤川秀树因此获得1949年的诺贝尔物理学奖。核子间的相互作用是一个核子放出一个 介子，然后被另一个核子吸收而形成的，所以核力是一种交换力。+ 介子:质子放出 介子，介子：中子放出介0 0( a) 质子与质子间交

10、换同时被另一质子吸收，每一核子的电荷不变；00(b) 中子与中子间交换子，同时被另一中子吸收，每一核子的电荷不变；核力和介子核子交换介子有以下几种形式(d)中子与质子间交换介子被质子吸收，同时中子转化为质子，质子转化为中子。 -介子：中子放出一个 -(c)质子与中子间交换 +介子：质子放出一个 +介子被中子吸收，同时质子转化为中子，中子转化为质子；核力和介子质子与质子间和中子与中子间的相互作用示意图nnnn 0ppppp0核力和介子pnnp-中子与质子间的相互作用ppnn +核力和介子 j = 1、3 .( A = 2k + 1）5.核的自旋角动量与磁矩(1)核的自旋角动量质子和中子的自旋量子

11、数都是1/2，因此都服从费米 狄拉克统计规律，其自旋角动量为：12j =L = j ( j + 1)h核的自旋角动量也是：1L =j( j + 1)h 2 2 j = 0、.( A = 2k ) p = = 5.05 10= 2.79 pM p = 2.79eh2m pM n = 1.91= 1.91 peh2m p127J Teh2m p核的自旋角动量与磁矩(2) 核子的磁矩质子的磁矩：中子的磁矩：是核磁矩的单位，称为核磁子。 p其中，核自旋量子数磁矩核自旋量子数磁矩21 D63 Li147 N168 O11100.86 p 0.82 p0.40 p73 Li2311 Na3919 K113

12、49 In3 / 23 / 23 / 29 / 23.25 p2.22 p1.14 p5.49 p表20-2 原子核的自旋量子数和磁矩核的自旋角动量与磁矩6.核磁共振由于每个原子核都有自旋和磁矩，当有恒定外磁场B作用时，原子核在磁场中产生旋进。如果此时在去后，磁矩又把这部分能量以辐射的形式释放出来，产生共振发射。这一共振吸收和共振发射过程就称为核磁共振。B的频率在射频范围。当交变磁场 B的频率与原子的旋进率相等时，产生共振吸收；当射频交变磁场 B撤稳恒磁场 B 的垂直方向再加一交变磁场 B，交变磁场氢核在外磁场中的能级MpMpE2 E = 2 M p BE1核磁共振核磁矩在磁场 B中受到作用，

13、具有能量 E，而该能量是量子化的:E = M p BB于射频辐射电磁波(其频率为)的能量:hv = E2 E1 = M p B (M p B) = 2M p B核磁共振首先用于精确测量核磁矩，1945年布洛克和泊塞尔分别用核磁共振方法测量了核磁矩，他们因此共同获得1952年诺贝尔物理学奖。核磁共振若用射频电磁波照射，核磁矩吸收的能量等吸收功率BPCH3CH2OH乙醇（C2H5OH)核磁共振谱核磁共振核磁共振的应用之一：研究分子的结构。20-2 原子核的结合能原子核的结合能 裂变和聚变裂变和聚变 原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就应等于所有质子和

14、中子的质量之和：应等于所有质子和中子的质量之和： 1.1.原子核的结合能原子核的结合能 根据爱因斯坦质能关系，可得原子核的结合能：根据爱因斯坦质能关系，可得原子核的结合能：mx=Zmp+(A-Z)mn 但实验测定的原子质量但实验测定的原子质量mx总是小于所有核子质量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：之和，这一差值称为原子核的质量亏损： m=Zmp+(A-Z)mn-mX 质子和中子组成核的过程中，有能量质子和中子组成核的过程中，有能量 E E释放出来。反之，要使原子核再分解为释放出来。反之，要使原子核再分解为单个的质子和中子就必须吸收单个的质子和中子就必须吸收 E E的能量

15、。的能量。 氘核吸收氘核吸收 E E能量后分解为质子和中子能量后分解为质子和中子 E氘氘质子质子中子中子 E=(E=( m)cm)c2 2=Zm=Zmp p+(A-Z)m+(A-Z)mn n-m-mX Xcc2 2原子核的结合能原子核的结合能爱因斯坦爱因斯坦原子结合能的计算原子结合能的计算一原子质量单位一原子质量单位kgu2710660552. 11=具有能量具有能量JcuE102104944968. 11=MeV10340605. 92=质子质量质子质量ump007277.1=中子质量中子质量umn008665.1=核子平均结合能核子平均结合能AcmmZAZmEnp/)(2+=原子核的结合能

16、原子核的结合能例：例：Fe5626umAZE922.555626=核子平均结合能核子平均结合能56/)922.55008665. 130007277. 126(2uc+=2009411.0uc=MeV79. 8=原子核的结合能原子核的结合能表表20-3 20-3 原子核的结合能原子核的结合能核子的核子的比结合能比结合能 (MeV(MeV)原子核的结合原子核的结合能能 E(MeV)E(MeV)核核H21H31He32He4223. 211. 147. 883. 23 .2807. 772. 757. 2核子的核子的比结合能比结合能 (MeV(MeV)原子核的结原子核的结能能 E(MeV)E(Me

17、V)核核C126O168Cu6329U238922 .9268. 75 .12797. 755275. 8180358. 7原子核的结合能原子核的结合能核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。Amc2AE= 原子核的结合能非常大，所以一般原子原子核的结合能非常大，所以一般原子核都是非常稳定的系统。然而，不同原子核核都是非常稳定的系统。然而，不同原子核的稳定程度不同。的稳定程度不同。每个核子的平均结合能称为比结合能：每个核子的平均结合能称为比结合能：原子核的结合能原子核的结合能a. .中等质量原子核的核子平均结合能较大中等质量原子核的核子平均结合能较大Fe5626

18、8.79MeVAs75338.47MeVCu63298.75MeVb b. .轻核和重核的核子平均结合能都较小轻核和重核的核子平均结合能都较小H312.83MeVU238927.5MeVPu239947.56MeV原子核的结合能原子核的结合能a. .最轻和最重的核最轻和最重的核的比结合能较小。的比结合能较小。b.b.大多数中等质量大多数中等质量的核，比结合能较的核，比结合能较大且近似相等大且近似相等( (都都在在8MeV8MeV左右左右) )。这。这说明中等质量的核说明中等质量的核最稳定。最稳定。比结合能曲线0123456789020406080100120140160180200220240

19、质量数A比结合能（MeV/核子）U23392Pt19573Kr8223He42Li63H21原子核的结合能原子核的结合能第二种方法是轻核聚变。第二种方法是轻核聚变。 因此，要利用原子核的结合能，必须从自然因此，要利用原子核的结合能，必须从自然界中存在的原子核来考虑。界中存在的原子核来考虑。方法有二：方法有二：第一种方法是重核裂变；第一种方法是重核裂变； 要利用核能，理论上是把自由状态的要利用核能，理论上是把自由状态的Z Z个质子个质子和和(A-Z)(A-Z)中子结合起来组成中等质量的核，这样中子结合起来组成中等质量的核，这样放出的结合能最多。但实际上，用质子和中子直放出的结合能最多。但实际上，

20、用质子和中子直接组成中等核是不现实的，因为自由中子不易得接组成中等核是不现实的，因为自由中子不易得到，即便得到了一些，自由中子的半衰期也较短。到，即便得到了一些，自由中子的半衰期也较短。原子核的结合能原子核的结合能2.2.重核的裂变重核的裂变裂裂 变变原子弹爆炸原子弹爆炸裂裂变变产产物物百百分分数数裂变的产物分布曲线裂变的产物分布曲线重核的裂变重核的裂变质量较大的原子核（重核）在一定条件上质量较大的原子核（重核）在一定条件上分裂为两个或多个中等质量的原子核。分裂为两个或多个中等质量的原子核。 裂变：裂变：MeV200n3KrBanU109236141561023592+MeV200n2SrXe

21、nU109538139541023592+重核的裂变重核的裂变 裂变后形成的中等质量的核具有过多的中子，由裂变后形成的中等质量的核具有过多的中子，由于中子具有放射性，所以这些中等质量的核是不稳定于中子具有放射性，所以这些中等质量的核是不稳定的。它们通过一系列的的。它们通过一系列的 衰变，放射性的中等质量的衰变，放射性的中等质量的核才转化为稳定核。核才转化为稳定核。nn1094381405410235922SrXeU+eCsXe01 -1405514054+:Xe14054 用能量为用能量为1eV1eV以下的慢中子轰击铀核时，铀核会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，

22、同时放出一至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。为重核的裂变。重核的裂变重核的裂变eBaCs01-14056+14055eLaBa01-14057+14056e)Ce(La01-14058+稳定14057:Sr9438eYSr01-9439+9438e)Zr(Y01-9440+稳定9439重核的裂变重核的裂变 受控热核反应：受控热核反应：如果在受控条件下，每次裂变如果在受控条件下，每次裂变平均只有一个中子引起新的裂变，维持稳定的链式平均只有一个中子引起新的裂变，维持稳定的链式反应

23、，这就是核反应堆中的情况。反应，这就是核反应堆中的情况。 原子弹：原子弹： 铀核裂变时放出巨大的能量，同时铀核裂变时放出巨大的能量，同时能放出多于二个中子，若分裂时放出的中子全部被能放出多于二个中子，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，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。这就是原子弹中发生的情况。重核的裂变重核的裂变原子弹：原子弹：利用铀、钚原子核的自持核裂变链式反利用铀、钚原子核的自持核裂变链式反应原理制成的武器应原理制成的武器自持核裂

24、变链式反应自持核裂变链式反应：不需外界干预，自身可持续：不需外界干预，自身可持续进行的核裂变链式反应。进行的核裂变链式反应。重核的裂变重核的裂变重核的裂变重核的裂变原子弹爆炸原子弹爆炸冲击波冲击波光辐射光辐射核电磁脉冲核电磁脉冲重核的裂变重核的裂变早期核辐射早期核辐射放射性沾染放射性沾染3.3.氢核的聚变氢核的聚变氢弹爆炸氢弹爆炸托克马克装置托克马克装置两个质量较小的原子核（轻核）在一定条件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。上聚合为质量较大的原子核。聚变：聚变：MeV4.22He2HLi422163+MeV25.3nHeHH10322121+MeV6.17nHeH

25、H10422131+MeV3.17He2HLi421173+3.3.氢核的聚变氢核的聚变上述反应都需要超高温条件，称为热核反应。上述反应都需要超高温条件，称为热核反应。 从上式可知，电势能随着原子序数的增从上式可知，电势能随着原子序数的增大而增大，对原子序数大的重核，电势能大大而增大，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而不易被克服；仅对于原子序数小的轻核才能发生核聚变。能发生核聚变。)(4)(21021RReZeZEp+=21ZZpE 两个原子核互相接近产生聚变反应时，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，原子核由于原子核间存在很大的

26、库仑斥力，原子核碰撞动能必须克服两原子核间的电势能碰撞动能必须克服两原子核间的电势能 。氢核的聚变氢核的聚变+e42126157157158158147147136136137137126HCpeNOONpNCpeCNNCpN 最重要的聚变过程之一是最重要的聚变过程之一是碳氮循环碳氮循环，其，其循环结果是把四个质子结合成一个氮核：循环结果是把四个质子结合成一个氮核：这个过程中释放的能量约为这个过程中释放的能量约为26.7MeV26.7MeV氢核的聚变氢核的聚变氢弹氢弹：利用氘、氚（氢的利用氘、氚（氢的同位素）等轻原子核的聚同位素）等轻原子核的聚变反应原理制成的核武器变反应原理制成的核武器通常称

27、为氢弹。通常称为氢弹。4.8MeVHeHnLi42311063+17.6MeVnHeHH10423121+氢弹反应式氢弹反应式氢核的聚变氢核的聚变 20-3 原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变 1.1.放射性衰变放射性衰变 如：如： 重原子核的裂变和轻重原子核的裂变和轻原子核的聚变都是在一定原子核的聚变都是在一定条件下完成的。事实上绝条件下完成的。事实上绝大多数原子核的同位素不大多数原子核的同位素不稳定，会自发地衰变为另稳定，会自发地衰变为另一种同位素，同时放射出一种同位素，同时放射出各种射线。各种射线。HeYX422A2ZAZ+HeRnRa422228622688+ （1 1） 衰变：衰变

28、：自发放出氦核。自发放出氦核。 居里居里居里夫人居里夫人RU(r)库仑势库仑势 核势核势粒子受到的势垒粒子受到的势垒原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变 - -衰变：衰变： + +衰变：衰变：电子俘获：电子俘获：放出电子、反中微子放出电子、反中微子放出正电子、中微子放出正电子、中微子一个质子变为中子，放出中微子一个质子变为中子，放出中微子e+eNC01147146e+eTiV0150225023e+TieV5022015023+eA1Z01AZe01A1ZAZe01A1ZAZYeXeYXeYX电子俘获：衰变：衰变：衰变：（2）原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变0MeVCo60272.50Me

29、V1.33MeVNi6028（3 3） 衰变：衰变：处于激发态的原子核不稳定，处于激发态的原子核不稳定，要向低能态跃迁，放出要向低能态跃迁，放出 光子。光子。 当原子核发生当原子核发生 衰变时，往往衰衰变时，往往衰变到另一原子核的激发态。变到另一原子核的激发态。、原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变2.2.放射性衰变定律放射性衰变定律 (2) (2) 半衰期半衰期T T1/21/2：=693. 02lnTeN2NN21T0021(1) (1) 原子核的衰变服从一定的统计规律：原子核的衰变服从一定的统计规律： 设在设在t t+dt 时间内有时间内有dN个原子核发生个原子核发生衰变，衰变，dN与当

30、时存在的原子核数与当时存在的原子核数N成正比，与成正比，与时间时间dt成正比。成正比。- -dN= Ndt ( (负号表示原子核数目在减小负号表示原子核数目在减小) )tN=N0e ( (N0为为t=0时刻时刻原子核的数目）原子核的数目）表表20-4 20-4 几种放射性同位素的半衰期几种放射性同位素的半衰期半衰期半衰期衰变衰变同位素同位素CaKPCH42204219321512631a4 .12a5568d3 .14h4 .12d164半衰期半衰期衰变衰变同位素同位素UUPoCeCo238922359221284142586027a27. 5a10515s1037a1013. 78a1051

31、. 49原子核的放射性衰变规律原子核的放射性衰变规律N/N0t1.00.50.25T 2T放射性原子核的指数衰变规律放射性原子核的指数衰变规律原子核的放射性衰变规律原子核的放射性衰变规律3.3.放射性强度放射性强度(1)(1) 第一种定义：第一种定义： Ra2268810107 . 3 1 1克克 在在1s1s内的放射性核衰变次数为内的放射性核衰变次数为 次，为纪念居里夫妇发现放射性元素镭，次，为纪念居里夫妇发现放射性元素镭， 就定就定义某一物质每秒有义某一物质每秒有 次核衰变时，就定义次核衰变时，就定义该物质的放性强度为该物质的放性强度为1 1居里居里(Ci)。10107 . 3 (2) (

32、2) 第二种定义：第二种定义： 单位时间内衰变一个核的放射性强度为单位时间内衰变一个核的放射性强度为1贝贝克勒尔克勒尔(Bq)。Bq107 . 3Ci110= 20-4 粒子物理简介粒子物理简介例如：质子、中子、电子和它们的反粒子及例如：质子、中子、电子和它们的反粒子及 子、子、 介子、介子、K介子等。到目前为止，介子等。到目前为止， 已经发现了已经发现了400400多种基本粒子多种基本粒子( (包括共振包括共振 态粒子态粒子) )。基本粒子：基本粒子：构成物质世界的基本单元。构成物质世界的基本单元。1. 1. 反粒子和奇异粒子反粒子和奇异粒子（1 1）反粒子）反粒子 正粒子和反粒子有相同的质

33、量、自旋、寿命，正粒子和反粒子有相同的质量、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、该有这些反粒子组成的反原子核、反原子、反物质、反星体等。反星体等。 1932 1932年安德逊在宇宙射线中发现了正电子年安德逊在宇宙射线中发现了正电子, ,从从19551955年起陆续发现了反质子、反中子、反介子、年起陆续发现了反质子、反中子、反介子、反超子。反超子。反粒子和奇异粒子反粒子和奇异粒子质子和反质子的运动轨迹质子和反质子的运动轨迹+2cmo2cmo产生产生湮没湮没0光子光子两个两个空位空位空位空

34、位自由电子的能量区域自由电子的能量区域电子偶的产生和湮没电子偶的产生和湮没反粒子和奇异粒子反粒子和奇异粒子（2 2）奇异粒子）奇异粒子 在二十世纪在二十世纪5050年代又在宇宙射线中发现了与年代又在宇宙射线中发现了与基本粒子不同的具有以下奇怪性质的奇异粒子。基本粒子不同的具有以下奇怪性质的奇异粒子。（如：（如：K介子、介子、 超子、超子、 超子、超子、 超子和超子和 超子）超子）b. b. 奇异粒子总是成对地产生。奇异粒子总是成对地产生。a. 奇异粒子产生过程非常快，而衰变过程却奇异粒子产生过程非常快，而衰变过程却又非常慢。又非常慢。反粒子和奇异粒子反粒子和奇异粒子 我们用质量、电荷、自旋、磁

35、矩我们用质量、电荷、自旋、磁矩等性质表示基本粒子，又加入了等性质表示基本粒子，又加入了“奇奇异数异数”这个量子数，来反映基本粒子这个量子数，来反映基本粒子的奇异现象。对于非奇异粒子，奇异的奇异现象。对于非奇异粒子，奇异数为零；对于奇异粒子，奇异数不为数为零；对于奇异粒子，奇异数不为零。零。反粒子和奇异粒子反粒子和奇异粒子（1 1）重子类）重子类 这类粒子质量较大，包括核子和超子（因质量这类粒子质量较大，包括核子和超子（因质量超过核子，故称为超子）。超过核子，故称为超子）。（2 2）轻子类）轻子类 这类粒子质量较小，包括电子、这类粒子质量较小，包括电子、 介子、介子、 介子介子及其相应的中微子。

36、及其相应的中微子。 （3 3）介子类）介子类 质量介于重子和轻子之间的粒子称为介子。包质量介于重子和轻子之间的粒子称为介子。包括括K K介子、介子、 介子、介子、 介子。介子。（4 4）光子类）光子类 只有光子一种，其静止质量为零。只有光子一种，其静止质量为零。2. 2. 基本粒子的分类基本粒子的分类 按质量分为四类：按质量分为四类： 自旋是自旋是 的半整数倍的基本粒子称为的半整数倍的基本粒子称为费米子。包括重子和轻子。轻子、核子的自费米子。包括重子和轻子。轻子、核子的自旋为旋为1/21/2，超子的自旋为，超子的自旋为1/21/2、3/2 3/2 。h.（1 1）玻色子）玻色子（2 2）费米子

37、）费米子h 自旋是自旋是 的整数倍的基本粒子称为玻的整数倍的基本粒子称为玻色子。包括光子类和介子类。光子的自旋为色子。包括光子类和介子类。光子的自旋为1 1， 介子的自旋为介子的自旋为0 0。按自旋分为两类按自旋分为两类：基本粒子的分类基本粒子的分类 由于介子和重子参加强相互作用又统称由于介子和重子参加强相互作用又统称为强子。为强子。 19741974年丁肇中等发现了年丁肇中等发现了J/ J/ 粒子，粒子，J/ J/ 粒粒子也是一种介子。子也是一种介子。 丁肇中丁肇中基本粒子的分类基本粒子的分类3. 3. 基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用 宇宙间的一切物质的相互作用归结为以下四种。宇宙间的

38、一切物质的相互作用归结为以下四种。（1 1） 强相互作用强相互作用 强相互作用是一种原子核结合在一起的力，强相互作用是一种原子核结合在一起的力，它的作用范围为它的作用范围为 m 以下，故称短程力；作以下，故称短程力；作用时间极短，约为用时间极短，约为 s,s,这种相互作用强度大，这种相互作用强度大，比电磁作用强得多，故称强作用。强相互作用比电磁作用强得多，故称强作用。强相互作用只存在于重子和介子之间。只存在于重子和介子之间。 15102310（2 2）弱相互作用）弱相互作用 弱相互作用范围在弱相互作用范围在1010-17-17m以下，通常也称短以下，通常也称短程力。弱相互作用的强度比强相互作用

39、弱得多，程力。弱相互作用的强度比强相互作用弱得多，作用时间慢得多。参与弱相互作用的粒子：一切作用时间慢得多。参与弱相互作用的粒子：一切强子和轻子。强子和轻子。基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用格拉肖格拉肖温伯格温伯格萨拉姆萨拉姆（3 3）电磁相互作用）电磁相互作用 一切具有电荷或磁矩的全部粒子包括强一切具有电荷或磁矩的全部粒子包括强子和轻子都参与电磁相互作用。电磁相互作子和轻子都参与电磁相互作用。电磁相互作用通过电磁场交换光子来实现。一些基本粒用通过电磁场交换光子来实现。一些基本粒子通过电磁相互作用发生衰变。电磁相互作子通过电磁相互作用发生衰变。电磁相互作用的强度比强相互作用弱，电磁力的大小

40、与用的强度比强相互作用弱，电磁力的大小与物体间距离的平方成反比。物体间距离的平方成反比。基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用229221/kgmN109krQQkF= （4 4）万有引力相互作用）万有引力相互作用 所有粒子都参与万有引力相互作用，其强所有粒子都参与万有引力相互作用，其强度比弱作用还小，与物体间距离的平方成反比。度比弱作用还小，与物体间距离的平方成反比。传递引力的粒子称为引力子。传递引力的粒子称为引力子。2211221/kgmN1067. 6GrmmGF=基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用表表20-5 20-5 四种相互作用的比较四种相互作用的比较天体之间天体之间 衰变衰变原子

41、结合原子结合核力核力举例举例引力子引力子中间玻色子中间玻色子光子光子 介子介子传递子传递子一切物体一切物体强子、轻子强子、轻子强子、轻子强子、轻子 强子强子被作用粒子被作用粒子作用时间作用时间(s)(s) 作用范围作用范围(m)(m)1相对强度相对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名称名称21012103910151023101620101010101710基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用 1964 1964年盖尔曼等人提出强子由夸克组成。年盖尔曼等人提出强子由夸克组成。他认为所有强子都是由三种夸克组成，这三种夸他认为所有强子都是由三种夸克组成，这三种夸克分别称为上夸克、下夸克、奇异夸克，分别用克分别称为上夸克、下夸克、奇异夸克，