程守洙《普通物理学》 第15章 原子核物理和粒子物理简介学习资料

国内外经典教材名师讲堂程守洙《普通物理学》第十五章原子核物理和粒子物理简介主讲老师：宋钢一、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

Z是原子核的电荷数（即质子数），等于核外电子数，也是化学元素的原子序数。原子核的质量等于原子的质量减去核外电子的质量，与原子的质量相差极小。

原子质量单位(u)：选碳的同位素基态原子静止质量的1/12为一个原子质量单位（u）：

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。

质量数A和电荷数Z是原子核的特征物理量。若用X表示化学元素符号，则原子核表示为。

Z和A都相同的原子核称为某种核素。

Z相同而A不同的原子核称为同位素。

如氢有三种同位素：

氢核、氘核（或重氢）、氚核

2、原子核的大小和形状

原子核的半径<10-15m

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。

或

如

若原子核是球体，它所带的电荷是均匀分布的。

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，可把这些原子近似地看作球体。有些原子核本身就是球体，如。

各种原子核应有基本相同的核子密度和核物质密度。

3、原子核的组成

氢原子核有最小的电荷数和质量数。

1919年，卢瑟福用

粒子轰击氮核，结果产生一个氧核和一个氢核。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。

1930年，玻特和贝克用

粒子轰击铍核，发现有一种不带电的粒子射线放出来，后来命名为中子，用符号n表示。中子是一种构成其他原子核的不带电的另一个基本粒子，其质量与质子相近，为。宇宙中还发现了由大量中子聚合而成的中子星。

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，它具有放射性，衰变成一个质子、一个电子和一个反中微子。因此自由中子是有放射性的。

质子和中子统称为核子，原子核由Z个质子和（A﹣Z）个中子构成。

4、核力和介子

研究发现，是一种叫做核力的强相互作用力使得质子与中子聚集在一起。

具有下列性质：

1.核力比电磁力强100多倍，是强相互作用力。

2.核力是短程力。有效距离为几个fm(约2fm)之内。

3.核力具有“饱和”性质，即一个核子只能和它紧邻的核子有核力相互作用。

4.核力与核子的带电状况无关。

电磁相互作用是带电粒子交换光子而产生的。1935年，日本物理学家汤川秀树提出了核力的介子理论，并于1947年得到证实。

核力的本质：核力是一种交换力，核子间的相互作用是一个核子放出一个

介子（质量是电子的270倍），然后被另一个核子吸收而形成的。

介子有三种荷电状态：

+

、0

、-

中子与中子间和质子与质子间交换

0

介子；

质子与中子间交换

+或-介子；质子放出

0介子，同时被另一质子吸收，每一核子的电荷不变

中子放出

0介子，同时被另一中子吸收，每一核子的电荷不变。

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。

中子放出一个

-介子被质子吸收，同时中子转化为质子，质子转化为中子。5、核子和核的自旋与磁矩

与原子中的电子相似，核子也具有“轨道”角动量和自旋角动量。质子和中子的自旋量子数都是1/2。

原子核的总角动量等于所有核子的“轨道”角动量和自旋角动量的矢量和，习惯上称为核的自旋角动量，简称核自旋。

实验指出，偶偶核（质子数Z和中子数N都

是偶数）的自旋量子数都是零，如等。

奇奇核（Z和N都是奇数）的自旋量子数都是整数，如的是0，的是3，的是5等。

奇偶核（Z和N一个奇数一个偶数）的自旋量子数都是半整数，如的是1/2，的是3/2，的是5/2等。

质子的磁矩：

中子的磁矩：

核磁子

6、核磁共振

拉比首创用核磁共振法测定原子核的磁矩：

以纯水为样品，水分子中电子的磁矩相互抵消，氧原子和的磁矩为0，故水分子的磁矩就等

于氢核（质子）的磁矩。将水置于外磁场B（约1T）中，由于角动量

的量子化，质子的磁矩有平行和反平行与磁场两种取向，对应低和高两种能态。

氢核在外磁场中的能级

在热平衡时，处于低能态上的质子数稍多于高能态上的质子数。

如果再加上一高频电磁波(100MHz的量级),其频率满足时，质子将吸收电磁

波的能量，在两能态间发生共振跃迁，称为核

磁共振。

实验时，保持外磁场B不变而连续改变入射电磁波的频率；或给定电磁波的频率而调节磁场的强弱。

应用：研究分子的结构

利用氢核的核磁共振进行医疗诊断，核磁共振成像技术。

二、原子核的结合能裂变和聚变

实验测定，原子核的质量mX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。

m=Zmp+(A-Z)mn-mX

由质能关系，可得原子核的结合能

E=(m)c2=[Zmp+(A-Z)mn-mX]c2=EB

质子和中子组成核的过程中必有能量E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E的能量。

如：氘核EB=2.23eV，氘核吸收2.23eV的能量分解为质子和中子。

E

和EB常用原子的质量表示：

m=ZmH原子+(A-Z)mn-mX原子

EB

=(m)c2=[ZmH原子+(A-Z)mn-mX原子]c2

每个核子的平均结合能，称为比结合能：

比结合能越大，原子核越稳定。

最轻核和最重核的比结合能较小。

大多数中等质量核的比结合能较大，且近似相等(都在8MeV左右)。这说明中等质量的核最稳定。

利用核能，理论上要把自由状态的质子和中子结合成中等质量的核，这样放出的结合能最多。但自由中子不易得到，且自由中子是放射性的，半衰期较短。因此，要利用原子核的结合能，实际可取的方法是使重核裂变或轻核聚变。

2、重核的裂变

用能量为1eV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，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为重核的裂变。如：

裂变后形成的中等质量核具有过多的中子，通过一系列的衰变，这些中等质量的核才转化为稳定核。

在铀核裂变赤程中能放出多于2个中子，如果分裂时发出的中子全部被别的铀核吸收，又引起新的裂变，这样，裂变的数目将按指数规律增大，结果形成发散的链式反应。3、轻核的聚变

聚变：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的过程。

如：

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，原子核碰撞动能必须克服两原子核间的电势能Ep

聚变反应都需要超高温条件,称为热核反应。

实现可控热核反应的条件：

(1)高温，使氘核离化成等离子体，能克服库仑势垒。(2)高等离子体密度，以保证足够高的碰撞频率。(3)足够长的约束时间，以保证核聚变反应有效进行。

三、原子核的放射性衰变

绝大多数原子核的同位素不稳定，会自发地衰变为另一种同位素，同时放射出各种射线，这种现象称为放射性衰变（radioactivedecay）。

1、放射性衰变定律

1)、原子核的衰变服从一定的统计规律：

设在t

t+dt时间内有dN个原子核发生

衰变，dN与当时存在的原子核数N成正比，与时间dt成正比。

负号表示原子核数目在减小，积分后得

N0为t=0时刻原子核的数目。

衰变常量：

表示一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。

半衰期T1/2：放射性同位素衰变其原子核数的一半所需的时间。

平均寿命

：

2、放射性强度

放射性物质在单位时间内衰变的原子核数定义为该物质的放射性强度或放射性活度：

放射性强度的单位是Ci（居里）和Bq（贝可勒尔）。

单位时间内衰变一个核的放射性强度就是1Bq。3、放射性衰变

1）

衰变：原子核自发放出粒子即氦核。

如：

一般表示为

粒子受到的势垒远高于衰变时产生的

粒子的动能，必须按量子力学的势垒贯穿理论才能解释衰变，这是量子力学用于核内的首次成功的尝试。

2）

衰变：核电荷改变而核子数不变的衰

变，包括

-衰变、+衰变和电子俘获。

-衰变：放出电子、反中微子（1930年，泡利）

费米的

-

衰变理论（1934年）：

衰变：放出正电子、中微子

电子俘获：原子核俘获一个最内层电子，使核内的一个质子变为中子，并放出中微子。

3）

衰变：当原子核发生、衰变时，往往衰变到另一原子核的激发态。处于激发态的原子核不稳定，要向低能态跃迁，放出

光子，称为

衰变。4、放射性同位素的应用

示踪原子的应用，射线的应用，放射衰变规律的应用。

四、粒子物理简介

1、粒子的发现概况

1897年汤姆孙发现电子

1905年爱因斯坦提出了光子

1919年卢瑟福发现质子

1932年查德威克发现中子

1930-2年狄拉克预言正电子、安德逊发

现正电子

到目前为止，已经发现了质子、中子、电子和它们的反粒子，

子、

介子、K介子及中微子、共振态粒子等共400多种粒子。

2、粒子的分类

1）轻子：不参与强相互作用的粒子。

自旋量子数1/2，为费米子。包括电子、

子、

子及其相应的中微子，分三代：

2）强子：参与强相互作用的粒子。

根据自旋分为介子(meson)和重子(baryon)。

介子的自旋为0，是玻色子；重子的质量大于质子质量，自旋为3/2(除超子外)，是费米子。

3）.媒介子或场量子或规范玻色子：传递相互作用的粒子。包括光子，中间玻色子W+、W-、Z0，胶子，引力子。

3、粒子的相互作用和守恒定律

宇宙间的一切物质的相互作用归结为以下四种。

粒子间的相互作用主要是电磁的、强的

（包括核力）和弱的相互作用。

1967年，温伯格–萨拉姆–格拉肖提出了电弱统一理论，认为弱相互作用是通过交换中间玻色子W+、W-

、Z0来实现的，这些玻色子于1983年在CERN的质子–反质子对撞机上相继被发现。

粒子的相互作用过程遵循一些普遍的守恒定律，如能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律和电荷泡利关于中微子的预言就是运用这些守恒定律的结果。守恒定律等。

此外还有其他的守恒定律，例如宇称守恒定律、同位旋守恒定律、轻子数和重子数守恒等。

4、强子的夸克模型

实验证明，除轻子还未发现有任何结构外，核子、超子、介子即所有的强子都还有内部结

构。

1932年，施特恩测得质子的磁2.79

p

，后来又测得中子的磁矩为-1.91

p

（而不是零），中子不带电，可磁矩却不为零，说明中子还有内部结构。

1956年，R.Hofstadter用高速电子轰击质子的实验，发现质子存在一定的电荷分布。后来又发现中子也存在一定的电荷分布。1964年，盖尔曼（M.Gell-Mann）等人提出强子由夸克（quark）组成，认为所有强子都是由夸克组成，存在三种夸克，分别称为上夸克、下夸克、奇异夸克，用u（up）、d（down）、s（strange）表示。三种夸克都有相应的反夸克，表示为。

夸克所带的电荷是分数电荷：

u夸克的电荷为，d夸克和s夸克的电荷为。

夸克的自旋都是。

夸克模型认为：所有重子都是由三个夸克组成，所有介子都是由一个夸克和一个反夸克组成。

1974年，丁肇中和里希特（B.Richter）独立地发现了新粒子，分别称为J粒子和粒子，现称为J/

粒子，质量为3100MeV/c2

，自旋为1。由此引入了第四种夸克——粲夸克c（charm）。

以后又引入了第五种夸克底夸克b（bottom）和第六种夸克顶夸克t（top）。到1995年为止，理论上预言的6种“味道”（flavor）夸克都被实验发现了。

夸克模型和三代轻子

每种夸克又有3种“颜色”，记为R、G、B，用来代表夸克的一种内禀性质。夸克通过强相互作用交换胶子（gluon）结合成强子。

实验上没有观测到单个自由的夸克。理论认为夸克受到被称为色荷的强力的束缚，不可能从核子中单个地分离出来，这种奇特性质被称为夸克禁闭

五、宇宙学简介

1、哈勃定律宇宙膨胀说

1914年，施里弗发现“星云”的谱线都存在多普勒红移，称为宇宙红移。表明这些“星云”在朝远离我们的方向运动。多普勒频移：

1929年