原子核物理和粒子物理簡(jiǎn)介(1)ppt課件

1、物質(zhì)的根本單元物質(zhì)的根本單元原子原子質(zhì)子、中子、電子質(zhì)子、中子、電子夸克夸克17-1 原子核的根本性質(zhì)原子核的根本性質(zhì)一、原子核的質(zhì)子一、原子核的質(zhì)子中子模型中子模型原子核由質(zhì)子和中子組成。原子核由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子質(zhì)子P：中子中子n：原子核符號(hào)原子核符號(hào)u.mep0072761 u.mn0086651 電電中中性性kg.u2710660565511 核子核子X(jué)AZ相相應(yīng)應(yīng)的的元元素素符符號(hào)號(hào)與與電電荷荷數(shù)數(shù)質(zhì)質(zhì)量量數(shù)數(shù)ZXZNZA ON168147具有一樣的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子核稱為同位素。具有一樣的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子核稱為同位素。質(zhì)子、電子和中子符號(hào)質(zhì)子、電子和中子符號(hào)原子核的

2、體積總是正比于它的質(zhì)量數(shù)原子核的體積總是正比于它的質(zhì)量數(shù)OOO188178168ne)P(H10011111 310ARR m.R15010201 31710292 mkg. HHH312111在一切原子核中，核物質(zhì)的密度是一個(gè)常數(shù)。在一切原子核中，核物質(zhì)的密度是一個(gè)常數(shù)。二、核自旋和磁矩二、核自旋和磁矩原子核有自旋，自旋角動(dòng)量為原子核有自旋，自旋角動(dòng)量為核自旋可以是整數(shù)，也可以是半整數(shù)。核自旋可以是整數(shù)，也可以是半整數(shù)。1.質(zhì)子和中子的自旋質(zhì)子和中子的自旋2.原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是偶數(shù)時(shí)，自旋為零。原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是偶數(shù)時(shí)，自旋為零。 21h)I(IPI 核核自自旋旋）核核自自旋

3、旋角角動(dòng)動(dòng)量量量量子子數(shù)數(shù)（ I21 I3.原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是奇數(shù)時(shí)，原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是奇數(shù)時(shí)， 自旋為非零整數(shù)。自旋為非零整數(shù)。4.原子核的核子數(shù)是奇數(shù)時(shí)，自旋為原子核的核子數(shù)是奇數(shù)時(shí)，自旋為1/2的奇數(shù)倍。的奇數(shù)倍。核自旋確實(shí)定：核自旋確實(shí)定：原子核有磁矩，以核磁子為單位。原子核有磁矩，以核磁子為單位。質(zhì)子的磁矩質(zhì)子的磁矩闡明：闡明：中子的自旋角動(dòng)量與磁矩方向相反。中子的自旋角動(dòng)量與磁矩方向相反。中子內(nèi)部有一定的正負(fù)電荷分布，但正負(fù)電量相等，中子內(nèi)部有一定的正負(fù)電荷分布，但正負(fù)電量相等， 因此不顯電性。因此不顯電性。pNmeh 4 227100505518361mA.BN

4、Np. 7927822 中子的磁矩中子的磁矩Nn. 9131651 原子核磁矩與核自旋角動(dòng)量的關(guān)系原子核磁矩與核自旋角動(dòng)量的關(guān)系原子核磁矩在某一特殊方向的投影原子核磁矩在某一特殊方向的投影投影最大值投影最大值 2122h)I(ImegPmegpIIpII 因因子子原原子子核核的的 ggI NIIIMgz 核核磁磁量量子子數(shù)數(shù) IMNI)I(Ig 1 I),I(,I ,IMI 11 NIIIg “核磁共振測(cè)定核磁矩核磁共振測(cè)定核磁矩原子核在磁場(chǎng)中有原子核在磁場(chǎng)中有2I+1個(gè)能夠的能量個(gè)能夠的能量當(dāng)當(dāng) cosBEI Eh 10 ,MI 核核磁磁量量子子數(shù)數(shù)的的選選擇擇定定則則BMgBNIIIz B

5、g)E(NI 核核能能量量改改變變BghNI BN電電磁磁鐵鐵S樣品樣品接接高高頻頻電電源源交交變變磁磁場(chǎng)場(chǎng)調(diào)理磁鐵的勵(lì)磁電流，使調(diào)理磁鐵的勵(lì)磁電流，使樣品的原子核從磁場(chǎng)吸收能量，發(fā)生能級(jí)躍遷。樣品的原子核從磁場(chǎng)吸收能量，發(fā)生能級(jí)躍遷。原子核從磁場(chǎng)中劇烈吸收能量，原子核從磁場(chǎng)中劇烈吸收能量，稱為核磁共振。稱為核磁共振。原子核在磁場(chǎng)中有原子核在磁場(chǎng)中有2I+1個(gè)核磁能級(jí)，個(gè)核磁能級(jí)，在核磁共振中會(huì)出現(xiàn)在核磁共振中會(huì)出現(xiàn)2I+1個(gè)共振峰。個(gè)共振峰。BIBIIgBghININI BhII 或或B吸吸收收離離子子的的順順磁磁共共振振峰峰水水中中 Mn612 I25 I三、核力三、核力核子之間的相互作用

6、力，核子之間的相互作用力，抵消核子之間的較強(qiáng)的庫(kù)侖排斥力。抵消核子之間的較強(qiáng)的庫(kù)侖排斥力。1.核力是比電磁力強(qiáng)得多的強(qiáng)相互作用力，核力是比電磁力強(qiáng)得多的強(qiáng)相互作用力， 主要是吸引力。主要是吸引力。2.核力是短程力，核子間間隔小于核力是短程力，核子間間隔小于10-15m時(shí)才明顯。時(shí)才明顯。3.核力與核子帶電情況無(wú)關(guān)。核力與核子帶電情況無(wú)關(guān)。4.核力具有飽和性。核力具有飽和性。核力的特征：核力的特征：1935年，日本物理學(xué)家湯川秀樹(shù)提出核力的介子實(shí)際，年，日本物理學(xué)家湯川秀樹(shù)提出核力的介子實(shí)際，以為核子之間經(jīng)過(guò)交換以為核子之間經(jīng)過(guò)交換介子而發(fā)生核力作用。介子而發(fā)生核力作用。 四、原子核的結(jié)合能四、

7、原子核的結(jié)合能原子核的質(zhì)量總是小于組成該原子核的核子的質(zhì)量原子核的質(zhì)量總是小于組成該原子核的核子的質(zhì)量之和，它們之間的差額稱為原子核的質(zhì)量虧損。之和，它們之間的差額稱為原子核的質(zhì)量虧損。xnpMm)ZA(Zmm 原原子子核核的的質(zhì)質(zhì)量量xMeHpmmmexZmMM)Zm(Mm)ZA()mm(ZmeneH- Mm)ZA(ZmnH-核子在結(jié)合成原子核時(shí)，它們之間的核力作用使體核子在結(jié)合成原子核時(shí)，它們之間的核力作用使體系能量降低，從而釋放出能量，相應(yīng)質(zhì)量減少了。系能量降低，從而釋放出能量，相應(yīng)質(zhì)量減少了。 質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損1u，相應(yīng)能量改動(dòng)為，相應(yīng)能量改動(dòng)為Z個(gè)質(zhì)子和個(gè)質(zhì)子和(A-Z)個(gè)中子結(jié)合成

8、原子核時(shí)，釋放能量個(gè)中子結(jié)合成原子核時(shí)，釋放能量eV.J.ucE5931104924411102 AEE 0eVMm)ZA(ZmmcEnH931.5-2 平均結(jié)合能：平均結(jié)合能：原子核的結(jié)合能與原子核內(nèi)所包含的總核子數(shù)的比值。原子核的結(jié)合能與原子核內(nèi)所包含的總核子數(shù)的比值。原子核結(jié)合能：原子核結(jié)合能：由質(zhì)子和中子構(gòu)成原子核時(shí)所放出的能量。由質(zhì)子和中子構(gòu)成原子核時(shí)所放出的能量。平均結(jié)合能越大，平均結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定。原子核越穩(wěn)定。17-2 原子核的放射性衰變?cè)雍说姆派湫运プ円?、原子核的穩(wěn)定性一、原子核的穩(wěn)定性原子核不會(huì)自發(fā)地改動(dòng)其質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)和原子核不會(huì)自發(fā)地改動(dòng)其質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)和它的

9、根本性質(zhì)。它的根本性質(zhì)。穩(wěn)定原子核和不穩(wěn)定或放射性原子核穩(wěn)定原子核和不穩(wěn)定或放射性原子核1、原子核中的質(zhì)子數(shù)等于和大于、原子核中的質(zhì)子數(shù)等于和大于84的原子的原子核是不穩(wěn)定的。核是不穩(wěn)定的。2、具有少于、具有少于84個(gè)質(zhì)子的原子核，質(zhì)子數(shù)和中個(gè)質(zhì)子的原子核，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)時(shí)，其核穩(wěn)定。子數(shù)均為偶數(shù)時(shí)，其核穩(wěn)定。穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)：穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)： 4、中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之比、中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之比n/p=1時(shí)原子核穩(wěn)定，時(shí)原子核穩(wěn)定， 比值越大，穩(wěn)定性越差。比值越大，穩(wěn)定性越差。二、原子核衰變二、原子核衰變PbOHe2088216842三種射線：三種射線： 射線、射線、 射線、射線、 射射線線不穩(wěn)定的

10、原子核會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種核而同時(shí)不穩(wěn)定的原子核會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種核而同時(shí)放出射線，這種變化叫放射性衰變。放出射線，這種變化叫放射性衰變。3、質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)等于、質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)等于2，8，20，28，50，82，126的原子核特別穩(wěn)定。的原子核特別穩(wěn)定。幻數(shù)幻數(shù) 射線是射線是粒子流，是帶正電的氦核粒子流，是帶正電的氦核 射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，分射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，分 +和和 -兩種兩種HeRnRa422228622688eeNiCo 0160286027 -衰變是原子核內(nèi)中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，同時(shí)放出一個(gè)電子衰變是原子核內(nèi)中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，同時(shí)放出一個(gè)電子和與電子相聯(lián)絡(luò)的反中微子和與電子相聯(lián)絡(luò)

11、的反中微子eePn 011110 +衰變是原子核內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，同時(shí)放出一個(gè)衰變是原子核內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，同時(shí)放出一個(gè)正電子和一個(gè)中微子正電子和一個(gè)中微子eenP 011011 射線是光子流，射線是光子流， 是在是在衰變或衰變或衰變后構(gòu)成新核時(shí)輻射出來(lái)的。衰變后構(gòu)成新核時(shí)輻射出來(lái)的。放射性衰變過(guò)程遵守電荷守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、能量守恒、放射性衰變過(guò)程遵守電荷守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒、角動(dòng)量守恒。動(dòng)量守恒、角動(dòng)量守恒。HeYXAZAZ4242eAZAZeYX 011eAZAZeYX 011三、放射性衰變定律三、放射性衰變定律t時(shí)辰樣品中有時(shí)辰樣品中有N個(gè)核，在個(gè)核，在dt時(shí)間內(nèi)有時(shí)間內(nèi)

12、有dN個(gè)發(fā)生衰變個(gè)發(fā)生衰變NdtdN dtNdN 或或衰衰變變常常數(shù)數(shù)）表表征征衰衰變變快快慢慢的的常常數(shù)數(shù)（ t=0，N=N0teNN 0放射性衰變定律放射性衰變定律NdtdN t時(shí)辰，每單位時(shí)間衰變的原子核數(shù)與該時(shí)辰，每單位時(shí)間衰變的原子核數(shù)與該時(shí)辰原子核總數(shù)的比。越大，衰變?cè)娇?。時(shí)辰原子核總數(shù)的比。越大，衰變?cè)娇?。半衰期半衰期原子核衰變到原子核衰變到N=N0/2所需的時(shí)間。所需的時(shí)間。210021TeNN 6930221.lnT平均壽命平均壽命每個(gè)原子核衰變前存在的時(shí)間的平均值。每個(gè)原子核衰變前存在的時(shí)間的平均值。0Ndtt)dN( tL 10NL 000NdteNtt原子核的壽命：原子

13、核的壽命：平均壽命：平均壽命：221lnT 平均壽命與半衰期的關(guān)系：平均壽命與半衰期的關(guān)系：放射性活度放射性強(qiáng)度放射性活度放射性強(qiáng)度一個(gè)放射源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的核衰變次數(shù)。一個(gè)放射源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的核衰變次數(shù)。teNNdtdNI 0Bq.Ci1010731國(guó)際單位：貝克勒爾國(guó)際單位：貝克勒爾(Bq)t=0，N=N0，I= N0teII 01Bq表示每秒發(fā)生一次核衰變的放射源的活度。表示每秒發(fā)生一次核衰變的放射源的活度。常用單位：居里常用單位：居里( Ci)17-3 原子核能的利用原子核能的利用一、原子核能的幾種釋放方式一、原子核能的幾種釋放方式1、原子核的衰變、原子核的衰變半衰期為半衰期為8

14、7.84年年MeV.He)(U)(Pu65422349223894鈾鈾钚钚2、原子核的裂變、原子核的裂變自發(fā)裂變：由重核自發(fā)地裂變成兩個(gè)碎塊，自發(fā)裂變：由重核自發(fā)地裂變成兩個(gè)碎塊， 同時(shí)放出約為同時(shí)放出約為200MeV的能量。的能量。MeV)(U20023592 兩兩個(gè)個(gè)成成份份不不同同的的碎碎塊塊鈾鈾半衰期為半衰期為1.81018年年核裂變：在中子作用下，核裂變成兩個(gè)碎塊，核裂變：在中子作用下，核裂變成兩個(gè)碎塊， 同時(shí)放出同時(shí)放出2個(gè)或個(gè)或3個(gè)中子。個(gè)中子。MeVnU200321023592個(gè)個(gè)中中子子個(gè)個(gè)或或兩兩個(gè)個(gè)碎碎塊塊3、原子核的聚變、原子核的聚變由輕原子核聚合成質(zhì)量較大的原子核。由

15、輕原子核聚合成質(zhì)量較大的原子核。MeV.nHMeV.HHHH25304103211312121二、原子核能的利用二、原子核能的利用1、核反響堆、核反響堆nKrBanU1097361375610235922MeV.MeV.E75193593120800 鏈鏈?zhǔn)绞椒捶错戫懤弥凶诱T發(fā)重核裂變從而釋放原子核能利用中子誘發(fā)重核裂變從而釋放原子核能u).(u).(m20086719212969061136 0086710439235 u.20800nUnnnnnnUU核反響堆核反響堆人工方法控制鏈?zhǔn)椒错懯乖雍四芎推嚼玫脑O(shè)備。人工方法控制鏈?zhǔn)椒错懯乖雍四芎推嚼玫脑O(shè)備。利用減速劑慢化劑將裂變的快中子

16、減速為熱中子利用減速劑慢化劑將裂變的快中子減速為熱中子主要組成部分：主要組成部分： 堆芯、中子反射層、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)堆芯、中子反射層、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)2、受控核聚變、受控核聚變將氘核加熱，使氘核在無(wú)規(guī)那么運(yùn)動(dòng)中相互碰撞，將氘核加熱，使氘核在無(wú)規(guī)那么運(yùn)動(dòng)中相互碰撞，使氘核熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能能抑制相互接觸時(shí)的庫(kù)侖勢(shì)能使氘核熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能能抑制相互接觸時(shí)的庫(kù)侖勢(shì)能發(fā)生聚變反響，稱為熱核反響。發(fā)生聚變反響，稱為熱核反響。17-4 粒子物理簡(jiǎn)介粒子物理簡(jiǎn)介一、粒子特征一、粒子特征 四種相互作用和粒子分類四種相互作用和粒子分類根本粒子：質(zhì)子、光子、中子、電子根本粒子：質(zhì)子、光子、中子、電子正電子的發(fā)現(xiàn)正電子的發(fā)

17、現(xiàn)1932年安德遜在記錄宇宙射線的年安德遜在記錄宇宙射線的云霧室中發(fā)現(xiàn)正電子云霧室中發(fā)現(xiàn)正電子正電子與電子有一樣的質(zhì)量，帶正電。正電子與電子有一樣的質(zhì)量，帶正電。20cmE 20cmE0E空空穴穴空空穴穴狄拉克海狄拉克海真空區(qū)真空區(qū)電子偶電子偶產(chǎn)生產(chǎn)生電子偶電子偶湮滅湮滅光光子子 光光子子 電電子子電電子子正反粒子正反粒子 兩者質(zhì)量、自旋、平均壽命完全一樣。兩者質(zhì)量、自旋、平均壽命完全一樣。 電荷等值異號(hào)，磁矩方向相反。電荷等值異號(hào)，磁矩方向相反。中微子的發(fā)現(xiàn)中微子的發(fā)現(xiàn)1930年泡利根據(jù)衰變前后應(yīng)遵守角動(dòng)量守恒和能年泡利根據(jù)衰變前后應(yīng)遵守角動(dòng)量守恒和能量守恒提出核在發(fā)射粒子的同時(shí)應(yīng)發(fā)射一個(gè)質(zhì)

18、量量守恒提出核在發(fā)射粒子的同時(shí)應(yīng)發(fā)射一個(gè)質(zhì)量幾乎為零的中性粒子，稱中微子。幾乎為零的中性粒子，稱中微子。粒子的特征的描畫(huà)粒子的特征的描畫(huà)1、質(zhì)量。常用能量表示、質(zhì)量。常用能量表示2mcE 2、電量。常以電子電量、電量。常以電子電量e為單位為單位3、自旋。自旋角動(dòng)量以、自旋。自旋角動(dòng)量以 為單位為單位4、平均壽命。、平均壽命。天體之間天體之間 衰變衰變?cè)咏Y(jié)合原子結(jié)合核力核力舉例舉例一切物體一切物體 強(qiáng)子、輕子強(qiáng)子、輕子強(qiáng)子強(qiáng)子強(qiáng)子強(qiáng)子被作用被作用粒子粒子長(zhǎng)程，長(zhǎng)程， 短程短程10-1610-16長(zhǎng)程，長(zhǎng)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

19、間中間玻色子玻色子光子光子膠子膠子作用傳作用傳送者送者10-3910-151/1731相對(duì)相對(duì)強(qiáng)度強(qiáng)度引力作用引力作用弱作用弱作用電磁作用電磁作用強(qiáng)作用強(qiáng)作用四種相互作用的比較四種相互作用的比較10-10特征特征時(shí)間時(shí)間10-2010-16粒子的分類按參與相互作用的性質(zhì)粒子的分類按參與相互作用的性質(zhì)1、規(guī)范粒子、規(guī)范粒子2、輕子、輕子3、強(qiáng)子、強(qiáng)子規(guī)范粒子是傳送作用力的粒子。規(guī)范粒子是傳送作用力的粒子。輕子完全不受強(qiáng)作用力的影響。輕子完全不受強(qiáng)作用力的影響。強(qiáng)子分成介子和重子。強(qiáng)子分成介子和重子。二、強(qiáng)子的夸克構(gòu)造二、強(qiáng)子的夸克構(gòu)造夸克是強(qiáng)子的組成粒子?？淇斯灿锌淇耸菑?qiáng)子的組成粒子?？淇斯灿?種。種。每種夸克都有相應(yīng)的反夸克。每種夸克都有相應(yīng)的反夸克?？淇朔N類夸克種類味味上上下下奇特奇特粲粲底底頂頂英文英文u