原子物理：第7章 原子核与粒子物理

1、7原子核物理 核外电子运动原子物理学原子核内部运动 原子核物理学 原子和原子核是物质结构泾渭分明的两个层次。 1932年人们发现中子，以此作为原子核物理的开端，那么今天我们对核的了解还远远没有达到70年前对原子的了解程度。 7.1 原子核的基本性质1. 核质量原子核的质量 =原子的质量 -核外电子的质量通常采用质量单位 忽略电子的结合能2. 核电荷Z称核电荷数。3. 核的大小核的密度实验表明核体积与核子数成正比4.核的组成-质子和中子质子1932年，查德威克发现了中子 1919年, Rutherford用 粒子轰击14N，发现了质子。 人类首次实现原子核的人工转变（点金术）。原子核的符号表示：

2、AZXN ， A=N+Z 为核子数（i） Z相同N不同的核素称为同位素（ii） N相同Z不同的核素称为中子异核素（iii） A相同Z不同的核素称为同量异位素中子和质子统称为核子,可理解为核子的两个不同状态。中子5.原子核的自旋和磁矩 核自旋 核自旋是所有核子的自旋角动量和轨道角动量的矢量和 ,在空间某一方向的投影： 量子数可以是整数或半整数核自旋磁量子数1A为奇数的核(奇A核) 2Z、N都为偶数的核(偶-偶核)3Z、N都为奇数的核(奇-奇核)原子核也有磁矩, 核磁矩比电子的磁矩小得多，因此产生的超精细结构谱线也比精细结构谱线间距小得多。测量原子核磁矩的重要方法之一是核磁共振6. 原子核的磁矩电

3、子自旋磁矩：7.2 原子核力和结合能 在认识原子核之前人们只知道自然界有两种相互作用力：引力和电磁力。是什么力使核子竟然不顾库仑斥力紧密结合？ 1. 核力的基本性质(ii)短程性(i)强相互作用核力的强度比库仑力大一百倍(iii) 电荷无关性和饱和性 实验表明每个核子只与它相邻 的几个核子有相互作用。2. 原子核的结合能 核由中子和质子组成，但核质量不等于核内中子和质子质量之和。 例如，氘核 由一个中子和一个质子组成 说明中子和质子组成氘核时会释放2.225MeV的能量。逆过程也成立，用同样的能量辐照氘核，将一分为二飞出中子和质子。事实上，自然界中物体总质量比组成它的个别质量之和小是普遍现象。

4、例如，一个电子和一个质子组成氢原子时会释放13.6eV。原子结合能eV，原子核结合能MeV 核的质量亏损原子核的结合能核的结合能核子结合成原子核时释放的能量 平均结合能e-e-e-e-AB 现代物理学认为：电磁相互作用是带电粒子间交换“虚光子”而产生的交换力。3. 核力的介子理论(1)A30的轻核，平均结合能表现出周期性的变化，凡A等于4的倍数的核，平均结合能有最大值。(2)中等核(A=30-120)的平均结合能较大，轻核和重核的平均结合能较小获得核能的途径有两个：重核裂变和轻核聚变 特点：1947年发现介子1. 液滴模型实验依据：7.3原子核结构模型（1）核力具有饱和性，核子只与它周围几个核

5、子作用，如同液体中的分子。（2）核密度不随核子数变化，核具有不可压缩性，如同液体密度是常数一样。2. 壳层模型 在自然界中， Z或N (=2,8,20,28,50,82,126-幻数)的核特别稳定，含量明显比其附近核素的含量多，Z或N显示周期变化。 1949年，Mayer和Jensen在势阱中加入了自旋-轨道耦合项，从而成功地解释了幻数的存在，1965年获诺贝尔奖。 3. 集体模型 1952年Bohr和Mottelson提出描述核集体振动和转动的“几何模型”，1975年获诺贝尔奖。7.4 原子核放射衰变1. 放射性衰变规律 1896年，法国物理学家贝克勒尔发现铀矿物能自发地发射穿透力很强并能使

6、照相底版感光的不可见射线。 1898年，居里夫妇又发现了钋和镭 放射性衰变：核素自发地放射出某种射线而变成另一种核素的过程放射性物质放出的射线主要有三种： 1射线：氦核2射线：正负电子3射线：光子 放射性衰变遵守：电荷守恒、质量数守恒、质量和能量守恒、动量守恒等。 (1). 指数衰变规律 代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几率，称为衰变常数 (2). 半衰期核衰变到原来数目一半时所需时间称半衰期(3)平均寿命 一个原子核在衰变前存在的时间叫寿命，所有原子核寿命的平均值称为平均寿命。例1：某核的衰变常数为，试求它的半衰期和平均寿命。放射性活度放射性活度的单位为Bq(贝克)，1Bq=1次衰变/秒

7、1居里(Ci)= 次衰变/秒= Bq例2: 估算地球年龄2. 衰变衰变能衰变条件 例：判断 是否发生衰变。3. 衰变衰变连续能谱引发的困难 1930年，泡利（Pauli）指出：“只有假定在 衰变过程中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子（中微子）一起被发射出来，才能解释连续 谱。”中微子假说 1956年，从实验上发现了中微子。 当衰变物只有两个时，能量可由动量守恒完全确定，而衰变物有三个时，能量可以任意分配。 是守恒定律的问题还是存在第三者？衰变的三种类型及衰变条件i 衰变： 衰变能衰变条件ii衰变： iii电子俘获（K俘获，L俘获）原子核俘获一个核外轨道上的电子转变为另一个核的过程 衰变的本质

8、：衰变时一个中子转变为质子或反之，而轨道俘获其本质就是俘获轨道电子而转变为中子。4. 衰变 原子核通过发射光子从激发态跃迁到较低能态的过程 7. 原子核反应原子核反应：用具有一定能量的粒子轰击一个原子核，使其放出某种粒子而转变为新原子核的过程。(1) 历史上第一个人工核反应 () 第一个在加速器上实现的核反应 核反应中的守恒定律:电荷数、质量数、动量、能量守恒.此外,还有角动量、宇称、统计性、同位旋等量守恒。 一个铀核:相当2.5吨煤完全燃烧放出的能量 核裂变：1939年，哈恩和史特拉斯曼发现：利用中子轰击U时，产物中存在Ba。随后，梅特纳和弗里什指出：U在中子的轰击下，裂变为两个中等质量核素

9、。1947年，钱三强和何泽惠发现了核裂变的三分裂现象，其发生几率约为二分裂的千分之三。一克铀: U分离技术是制造原子弹的关键技术，一个U原子可以提供2.5中子，可以维持链式反应！临界质量：体积太小中子容易逃逸，无法维持反应。裂变反应堆二、裂变机制液滴模型 核内的质子、中子在不停地运动。核子之间有核力，质子之间有库仑斥力。当哑铃形的两端之间的库仑斥力大于中间收缩部分核子间总的核力时，形变不能恢复，原子核分裂成两块，放出中子，同时释放能量。库仑势垒：144KeV5.6 108K聚变温度：约108K（1亿度），等离子体状态原子核聚变1.聚变能约为裂变能的四倍2.聚变的原料是氘. 裂变的原料是铀氢弹方

10、案：高效炸药+裂变原料+氘化锂氢弹是不可控的热核反应裂变弹的能量分配：爆震与冲击波： 50% 热辐射： 35%剩余辐射： 10% 早期辐射： 5%纯聚变不产生剩余辐射。引力约束聚变关于太阳： 引力约束等离子体。每天燃烧的氢，相当于每秒爆炸900亿颗百万吨级的氢弹。碳循环周期 6x106年，质子循环周期 3x109年。太阳外层温度6000K, 中心温度15,000,000K。太阳内部主要有两种热核反应： 1氢链反应： 2碳氢循环 激光约束聚变受控核聚变 在直径为0.4mm的小球内充以30-100大气压的氘氚混合气体，用强激光（1012-1014W)均匀照射，使氘氚混合气体的密度达到液体密度的一千

11、到一万倍，温度达到108K而引发聚变。 磁约束聚变 超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束。具有闭合磁力线的磁场是一种可能的选择。设计 “磁笼” 成为难点 。70年代，苏联科学家发明的“托克马克”方案逐渐显示出优点，成为聚变能研究的主流途径。 托克马克装置又称环流器， 磁笼由环形封闭磁场组成。 核武器原子弹： 用235U或239Pu等重原子核的链式裂变反应原理制成的核武器。利用炸药实现临界状态。. 氢弹：用氘、氚等轻原子核的热核聚变反应原理制成核武器。氢弹没有填料的限制 核试验：大气核试验、地下核试验、计算机模拟核试验反应堆核能利用 苏美50年代，英法60年代。中国晚四十年起步，1

12、991年12月浙江秦山核电站发电。 据1995年资料显示，我国核能利用占总能比（1.3%）远低于法国（75%），日本（36%），韩国（30%），台湾（31%），甚至低于印度。2005年，我国核电不到（2%）。据估计，2050年我国能源需求将达到相当50亿吨煤标准，而目前我国年耗15亿吨煤，水资源不到2亿吨煤，缺口极大。 在所有的核聚变反应中，氘和氚的核聚变反应相对比较易于实现。 氘在海水中储量极为丰富，一公升海水里提取出的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量，有人估计若把海水中的氘都提出来，可用几百亿年。 聚变能具有资源无限，不污染环境，不产生高放射性核废料等优点，是人类

13、未来能源。人类已经能控制和利用核裂变能，但由于很难将两个带正电的核靠近产生聚变反应，控制和利用核聚变能则需要历经更长的、非常艰苦的研发历程。 国际热核聚变实验堆（ITERInternational Thermonuclear Experimental Reactor ）计划 ITER总投资50亿美元（1998年值），欧盟贡献46%，美、日、俄、中、韩、印各贡献约9%，计划35年，是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划 。1985年，前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦 峰会上倡议由美、苏、欧、日共同启动ITER计划 。 1998年，美国出于政治原因宣布退出ITER计划，

14、欧、日、俄 三方则继续坚持合作 2001年完成ITER工程设计。2002年，欧、日、俄表示欢迎中国与美国参加ITER计划。2003年1月初中国宣布参加， 1月末美国宣布重新返计划。2005年韩国加入，同年6月，六方一致同意把ITER建在法国核技术研究中心Cadarache。 2006年印度加入。 ITER计划集成了当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果。国际上对ITER计划的主流看法是：建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备，成功的把握较大，预期本世纪中叶可实现聚变能商业化。 ITER计划的实施结果将决定人类能否从根本上解决能源问题。 8粒子物理 实验研究：（1）宇宙线 （2

15、）加速器 目前世界上的高能对撞机（1）欧洲核子中心: 质子-质子对撞， 270+270GeV(1982）; T+T （2006）; 正负电子对撞，80+80GeV（1989）。 (2) 中国高能所（1988）：正负电子对撞， 2.8+2.8GeV (3) 美国（1986）：质子对撞1000+1000GeV。8.1 粒子分类和相互作用1.相互作用2Particle classification1.规范粒子 （场量子）Gouge bosons光子 Photon 中间玻色子 Intermediate boson 胶子Gluon 引力子Graviton2. 轻子 Leptons-不参与将相互作用的费米

16、子电子及伴生中微子重电子及伴生中微子超重电子及伴生中微子3. 强子 （Hadrons）-参与将相互作用的粒子 介子Mesons(玻色子) ，由正反两个夸克组成 重子 Baryons (费米子)由三个夸克组成夸克模型:1964年，Gell-Mann and George Zweig提出夸克模型。夸克是自旋为1/2的费米子UpDownStrangeCharmedBottomTopIn 1974, the discovery of J/ led to charmed quark . In 1977 and 1994, bottom(or beauty) quark and top (or truth

17、) quark were found respectively. Red, Blue, Green QCD ( Quantum chromodynamics ) 量子色动力学夸克层次的粒子分类.规范玻色子-13种2.费米子-48种Higgs 粒子和引力子迄今为止还没有发现 发现黑哥 2011年全球科学界发生两件大事 第一件，中微子被发现有超光速的迹象。动摇爱因斯坦相对论的基础，百年来的物理学可能要重写。 第二件，黑格斯（higgs）粒子被发现有存在的迹象。 黑格斯粒子也被叫“上帝粒子”，叫法源于一位诺奖（1988）得主莱德曼写的高能物理科普读物上帝粒子。名字有终极的意思，即粒子物理能发现的最后

18、一个粒子。 所谓 higgs 机制是指规范对称性自发破缺时，整体对称性自发破缺产生的零质量标量粒子被矢量场吃掉，使原本是零质量的矢量场在破缺后得到质量，这些是在相对论量子场论框架下做的。 希格斯粒子是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，是至今尚未在实验中观察到的最后一种未被发现的粒子。 标准模型是当今粒子物理学的主流理论，它是描述强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论，它没有描述重力。 当1995年美国费米实验室宣布发现了顶夸克时，标准模型所预言的61个基本粒子中的60个都已经得到了实验数据的支持与验证，看上去对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声 希格

19、斯玻色子的一个LHC图像：希格斯玻色子衰减为两个强子和电子喷出物 大型强子对撞机(Large Hadron Collider，简称LHC) 为寻找Higgs而设计的，位于法国与瑞士边界处。环形加速器周长27公里，投资数十亿欧元，拥有来自世界各地的6000余位专家。最接近诺贝尔奖的中国发现 2012年3月8日，大亚湾中微子实验组宣布，发现了中微子的“第三种振荡”，有望破解“反物质消失之谜”。中微子振荡实际上是不同中微子之间的转换，称为“味振荡”（flavor oscillation）。科学家观测太阳中微子和大气中微子在传输过程中的值是理论值的三分之一到一半左右。 已经发现了“太阳中微子振荡”和“

20、大气中微子振荡”两种模式。发现中微子第三种振荡模式，结果是诺贝尔级的，如果观测实验早出现十来年，一定可以获得诺奖。 1988年，因发现中微子获诺奖。 1995年，因为1956年在实验中首次观测到中微子，而与子的发现者分享诺奖。 2002年，戴维斯和小柴昌俊获诺奖。美国戴维斯从六十年代起对太阳中微子进行了三十多年的观测，提出了“太阳中微子震荡”。八十年代是日本的鼎盛时期，日本人砸钱修了一个“超级神冈探测器”。1996年开始观测，1998年发现了“大气中微子震荡”并证实了“太阳中微子震荡”。 据说国际普遍不看好第三种震荡，大亚湾的科学家打算花三年时间观测到结果，没想到只花了55天就得到了5.2倍标

21、准偏差结果。大亚湾实验项目三号实验大厅，于2011年12月24日开始运行 项目于2007年10月动土，250名研究人员来自中国、美国、俄罗斯、捷克、香港和台湾等六个国家和地区的34家科研单位。建了总长3公里的隧道和3个地下实验大厅。其中，中国投资1.5亿元人民币，负责基础设施建设和建造一半探测器，美国能源部负责建造另一半探测器。 之前决定振荡过程六个参数中的四个已经得到，大亚湾项目是针对第五个重要参数13混合角。 如果一个针对性测值是零的话，意味着物质与反物质衰变速度一样，即现在物质和反物质应该是一样多，反物质必然隐藏在我们尚未找到的某个地方。如果不是零，那么就表明两者的衰变速度不同，在宇宙诞

22、生近150亿年后的现在，反物质很可能已经衰变掉，所以我们再也没有可能找到反物质世界。实验参与者Robert McKeown接受美国科学杂志采访时说，这很可能是中国至今最重要的物理学成果。大统一理论grand unified theory 以场论为基础统一描述弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用的理论。20世纪60年代，格拉肖、温伯格和萨拉姆提出了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论简称电弱统一理论。70年代初，强相互作用的理论研究取得了重大进展，出现了量子色动力学，为大统一理论的研究提供了较坚实的基础。 电弱统一理论是 SU(2)U(1)的规范理论，该模型引入四个规范矢量粒子，通过黑格斯机制造成

23、对称性自发破缺，使其中一个保持为无质量的规范粒子，对应传递电磁作用的光子，其余三个W和Z0获得了质量，成为传递弱作用的中间玻色子。1983年实验上发现了W和Z0，其质量与标准模型预言的一致，给了这一模型强有力的支持。 标准模型虽取得了很大的成功，但不少科学家认为它很可能不是粒子物理学最基本的理论，多年来科学家们一直在努力建立一种超越标准模型的新理论。 1973年，美国科学家帕提和萨拉姆提出了统一描述夸克和轻子的帕提-萨拉姆模型，预言了质子的衰变。 1974年，美国科学家乔治和格拉肖提出了把强、弱、电三种相互作用统一的SU（5）大统一理论。该理论预言了质子的衰变。 测定质子的寿命成为大统一理论能否成立的关键。由于质子寿命很长，估计为1031年左右，即一年期间在1031 个质子中会有一个质子蜕变。为了消除宇宙射线的干扰，整个实验要在地底深处进行。 1983年前后，美国、印度、日本等国的科学家做了一些探测质子衰变的实验。 美国一个协作组在俄亥俄州克里弗兰市以东600多米的一个盐矿中进行实