第20章 原子核物理和粒子物理簡介 第五版

1、*第二十章第二十章 原子核物理和粒子物理簡原子核物理和粒子物理簡介介20-1 原子核的基本性質(zhì)1.原子核的電荷和質(zhì)量原子核帶有正電荷，原子核中的電荷由質(zhì)子數(shù)Z決定，質(zhì)子數(shù)Z等于核外電子數(shù)，它決定了原子在周期表中的位置與次序，因此Z又稱為原子序數(shù)。原子核所帶電量是電子電量的整數(shù)倍： q=Ze(1)原子核的電荷盧瑟福12 1011u = 12 6.022 10kg27323= 1.6606 10原子核的電荷和質(zhì)量（2）原子核的質(zhì)量原子核的質(zhì)量等于原子的質(zhì)量減去核外電子的質(zhì)量，由于核外電子的質(zhì)量極小，原子核的質(zhì)量與原子的質(zhì)量相差極小。原子核的質(zhì)量等于質(zhì)子的質(zhì)量加中子的質(zhì)量。12量的1/12為一個原子

2、質(zhì)量單位（u）：同位素原子質(zhì)量(u) 同位素原子質(zhì)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幾種同位素的原子質(zhì)量原子核的電荷和質(zhì)量X原子核的電荷和質(zhì)量由表20-1可見，以“原子質(zhì)量單位 ”(u)計算原子的質(zhì)量時，原子質(zhì)量都接近于一個整數(shù)，這個整數(shù)稱為原子核的質(zhì)量數(shù)，或稱核子數(shù)，以A表示。原子核通常用質(zhì)量數(shù)(A)和電荷數(shù)(Z)來表示.若某化學元素符

3、號用X來表示，則該原子核表示為：放射性同位素之分。放射性同位素： 自發(fā)地衰變?yōu)槠渌?，同時放出一高能粒子。居里居里夫人原子核的電荷和質(zhì)量核素： Z和 A都相同的原子核稱為某種核素。同位素：Z相同而A不同的原子核稱為同位素。同位素有穩(wěn)定同位素和R A R A3( R0 = 1.2 10 m = 1.2fm)2.原子核的大小和形狀(1)原子核的大小原子核的半徑大約 10-1410-15 m , 是原子半徑的 10-4 10-5倍。實驗指出，核的體積正比于質(zhì)量數(shù)A。若把原子核看作球體，則43R3 A3113R = R0 A1513fm為飛米，則上式可寫為：根據(jù)式(20-1)可以算得 C、 O、 A

4、g 和6 C : R8 O : R47 Ag : R92 U : R半徑分別為: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原子核的大小和形狀(2)原子核的形狀以上我們假定原子核是球體。原子核是一個電荷系統(tǒng)，若原子核是球體，它所帶的電荷是均勻分布的。事實上，用精密光譜儀分析發(fā)現(xiàn)原子光譜中有來源于原子核電四極矩的超精細結構，說明原子核的電荷分布大多應為旋轉橢球體，而核物質(zhì)分布與電荷分布類似。一般橢球的長軸與短軸之比不超過5/4，與球體偏離不大，

5、所以可把這些原子近似地看作球體。但有16 2388 O168原子核的大小和形狀U3.2fm6.8fm8.9fmO1681689223892O 和 238U 核的形狀原子核的大小和形狀O Co0.10.20246781659Sb122Au197核子密度/fm3r fm核物質(zhì)的分布曲線原子核的大小和形狀 = = 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為

6、m、 R和原子核的大小和形狀例： 計算原子核物質(zhì)密度。解 : 設原子核的質(zhì)量、半徑和密度分別由上式可知：( a)各種原子核應有相同的核物質(zhì)密度。(b)原子核密度數(shù)值是極其巨大的，與 “中子星”的密度相當。像一個乒乓球那么大的核物質(zhì)，其重量約為20億噸。原子核的大小和形狀3.原子核的組成質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，原子核個中子構成。由Z個質(zhì)子和 A Z(1) 原子核的組成之一：質(zhì)子m p = 1.007277u生一個氧核和一個氫核。這說明氮核中確定存在有氫核。于是斷定氫核是構成其他原子核的帶電的基本粒子，并定名為質(zhì)子，用符號p表示。質(zhì)子的質(zhì)量為：1919年盧瑟福曾用 粒子轟擊氮核，結果產(chǎn)原子核的組成氫

7、原子核有最小的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)，而其他原子核的 電荷恰好是氫核電荷的整數(shù)倍。那么，各種原子核是否由氫原子核組成？1930年玻特和貝克用 粒子轟擊鈹核時，發(fā)現(xiàn)有一種不帶電的粒子射線放出來。這粒子后來命名為中子。中子是一種構成其他原子核的不帶電的另一個基本粒子，用符號n表示，其質(zhì)量與質(zhì)子相近。m p = 1.008665u從 AZ可見，一個含Z個質(zhì)子。X 的原子核并非僅包AZ原子核的組成(2) 原子核的組成之二：中子中子在原子核中是構成核的穩(wěn)定粒子，但在核外并不穩(wěn)定，一個核外的自由中子的平均壽命約為15分鐘，它將衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子、一個電子和一個反中微子（ ），因此自由中子是有放射性的。e后來宇宙中還發(fā)

8、現(xiàn)了大量由中子聚合而成的中子星。原子核的組成電，10 10在391/1014 15的線度范圍內(nèi)，斥力是很大的。中子又不帶電。不可能是電性力使質(zhì)子與中子聚集成原子核；是萬有引力？更不是！萬有引力太小，它僅是電磁力的。研究發(fā)現(xiàn)，是一種叫作核力的強相互作用力。4.核力和介子原子核由Z個質(zhì)子和 A Z 個中子構成。是一種什么力使質(zhì)子與質(zhì)子，質(zhì)子與中子，中子與中子緊緊地束縛在一起？是電磁力？不是！質(zhì)子帶正(d) 核力近似地與核子是否帶電無關。在質(zhì)子與質(zhì)子間、質(zhì)子與中子間、中子與中子間，核力的大小和特性都大致相同。核力和介子(c) 核力具有 “飽和”作用，即一個核子只能和它緊鄰的核子有核力相互作用，而不能

9、與核內(nèi)較遠的核子有核力相互作用。fm(約2fm)之內(nèi)，核力才顯示出來。( a) 核力比電磁力強100多倍，是強相互作用力。(b) 核力是短程力。只有核子間的距離為幾個(1) 核力的性質(zhì) ) )-0中性(帶負電(核力和介子(2) 核力的 介子理論1935年日本物理學家湯川秀樹受到庫侖力的作用是由電荷交換光子而產(chǎn)生的啟發(fā)，提出了核力的 介子 ，并于1947年得到證實（質(zhì)量是電子的270倍）。湯川秀樹因此獲得1949年的諾貝爾物理學獎。核子間的相互作用是一個核子放出一個 介子，然后被另一個核子吸收而形成的，所以核力是一種交換力。+ 介子:質(zhì)子放出 介子，介子：中子放出介0 0( a) 質(zhì)子與質(zhì)子間交

10、換同時被另一質(zhì)子吸收，每一核子的電荷不變；00(b) 中子與中子間交換子，同時被另一中子吸收，每一核子的電荷不變；核力和介子核子交換介子有以下幾種形式(d)中子與質(zhì)子間交換介子被質(zhì)子吸收，同時中子轉化為質(zhì)子，質(zhì)子轉化為中子。 -介子：中子放出一個 -(c)質(zhì)子與中子間交換 +介子：質(zhì)子放出一個 +介子被中子吸收，同時質(zhì)子轉化為中子，中子轉化為質(zhì)子；核力和介子質(zhì)子與質(zhì)子間和中子與中子間的相互作用示意圖nnnn 0ppppp0核力和介子pnnp-中子與質(zhì)子間的相互作用ppnn +核力和介子 j = 1、3 .( A = 2k + 1）5.核的自旋角動量與磁矩(1)核的自旋角動量質(zhì)子和中子的自旋量子

11、數(shù)都是1/2，因此都服從費米 狄拉克統(tǒng)計規(guī)律，其自旋角動量為：12j =L = j ( j + 1)h核的自旋角動量也是：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核的自旋角動量與磁矩(2) 核子的磁矩質(zhì)子的磁矩：中子的磁矩：是核磁矩的單位，稱為核磁子。 p其中，核自旋量子數(shù)磁矩核自旋量子數(shù)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 原子核的自旋量子數(shù)和磁矩核的自旋角動量與磁矩6.核磁共振由于每個原子核都有自旋和磁矩，當有恒定外磁場B作用時，原子核在磁場中產(chǎn)生旋進。如果此時在去后，磁矩又把這部分能量以輻射的形式釋放出來，產(chǎn)生共振發(fā)射。這一共振吸收和共振發(fā)射過程就稱為核磁共振。B的頻率在射頻范圍。當交變磁場 B的頻率與原子的旋進率相等時，產(chǎn)生共振吸收；當射頻交變磁場 B撤穩(wěn)恒磁場 B 的垂直方向再加一交變磁場 B，交變磁場氫核在外磁場中的能級MpMpE2 E = 2 M p BE1核磁共振核磁矩在磁場 B中受到作用，

13、具有能量 E，而該能量是量子化的:E = M p BB于射頻輻射電磁波(其頻率為)的能量:hv = E2 E1 = M p B (M p B) = 2M p B核磁共振首先用于精確測量核磁矩，1945年布洛克和泊塞爾分別用核磁共振方法測量了核磁矩，他們因此共同獲得1952年諾貝爾物理學獎。核磁共振若用射頻電磁波照射，核磁矩吸收的能量等吸收功率BPCH3CH2OH乙醇（C2H5OH)核磁共振譜核磁共振核磁共振的應用之一：研究分子的結構。20-2 原子核的結合能原子核的結合能 裂變和聚變裂變和聚變 原子核既然是由質(zhì)子和中子組成的，它的質(zhì)量就原子核既然是由質(zhì)子和中子組成的，它的質(zhì)量就應等于所有質(zhì)子和

14、中子的質(zhì)量之和：應等于所有質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和： 1.1.原子核的結合能原子核的結合能 根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能關系，可得原子核的結合能：根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能關系，可得原子核的結合能：mx=Zmp+(A-Z)mn 但實驗測定的原子質(zhì)量但實驗測定的原子質(zhì)量mx總是小于所有核子質(zhì)量總是小于所有核子質(zhì)量之和，這一差值稱為原子核的質(zhì)量虧損：之和，這一差值稱為原子核的質(zhì)量虧損： m=Zmp+(A-Z)mn-mX 質(zhì)子和中子組成核的過程中，有能量質(zhì)子和中子組成核的過程中，有能量 E E釋放出來。反之，要使原子核再分解為釋放出來。反之，要使原子核再分解為單個的質(zhì)子和中子就必須吸收單個的質(zhì)子和中子就必須吸收 E E的能量

15、。的能量。 氘核吸收氘核吸收 E E能量后分解為質(zhì)子和中子能量后分解為質(zhì)子和中子 E氘氘質(zhì)子質(zhì)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原子核的結合能原子核的結合能愛因斯坦愛因斯坦原子結合能的計算原子結合能的計算一原子質(zhì)量單位一原子質(zhì)量單位kgu2710660552. 11=具有能量具有能量JcuE102104944968. 11=MeV10340605. 92=質(zhì)子質(zhì)量質(zhì)子質(zhì)量ump007277.1=中子質(zhì)量中子質(zhì)量umn008665.1=核子平均結合能核子平均結合能AcmmZAZmEnp/)(2+=原子核的結合能

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

17、V)核核C126O168Cu6329U238922 .9268. 75 .12797. 755275. 8180358. 7原子核的結合能原子核的結合能核子的比結合能越大，原子核就愈穩(wěn)定。核子的比結合能越大，原子核就愈穩(wěn)定。Amc2AE= 原子核的結合能非常大，所以一般原子原子核的結合能非常大，所以一般原子核都是非常穩(wěn)定的系統(tǒng)。然而，不同原子核核都是非常穩(wěn)定的系統(tǒng)。然而，不同原子核的穩(wěn)定程度不同。的穩(wěn)定程度不同。每個核子的平均結合能稱為比結合能：每個核子的平均結合能稱為比結合能：原子核的結合能原子核的結合能a. .中等質(zhì)量原子核的核子平均結合能較大中等質(zhì)量原子核的核子平均結合能較大Fe5626

18、8.79MeVAs75338.47MeVCu63298.75MeVb b. .輕核和重核的核子平均結合能都較小輕核和重核的核子平均結合能都較小H312.83MeVU238927.5MeVPu239947.56MeV原子核的結合能原子核的結合能a. .最輕和最重的核最輕和最重的核的比結合能較小。的比結合能較小。b.b.大多數(shù)中等質(zhì)量大多數(shù)中等質(zhì)量的核，比結合能較的核，比結合能較大且近似相等大且近似相等( (都都在在8MeV8MeV左右左右) )。這。這說明中等質(zhì)量的核說明中等質(zhì)量的核最穩(wěn)定。最穩(wěn)定。比結合能曲線0123456789020406080100120140160180200220240

19、質(zhì)量數(shù)A比結合能（MeV/核子）U23392Pt19573Kr8223He42Li63H21原子核的結合能原子核的結合能第二種方法是輕核聚變。第二種方法是輕核聚變。 因此，要利用原子核的結合能，必須從自然因此，要利用原子核的結合能，必須從自然界中存在的原子核來考慮。界中存在的原子核來考慮。方法有二：方法有二：第一種方法是重核裂變；第一種方法是重核裂變； 要利用核能，理論上是把自由狀態(tài)的要利用核能，理論上是把自由狀態(tài)的Z Z個質(zhì)子個質(zhì)子和和(A-Z)(A-Z)中子結合起來組成中等質(zhì)量的核，這樣中子結合起來組成中等質(zhì)量的核，這樣放出的結合能最多。但實際上，用質(zhì)子和中子直放出的結合能最多。但實際上，

20、用質(zhì)子和中子直接組成中等核是不現(xiàn)實的，因為自由中子不易得接組成中等核是不現(xiàn)實的，因為自由中子不易得到，即便得到了一些，自由中子的半衰期也較短。到，即便得到了一些，自由中子的半衰期也較短。原子核的結合能原子核的結合能2.2.重核的裂變重核的裂變裂裂 變變原子彈爆炸原子彈爆炸裂裂變變產(chǎn)產(chǎn)物物百百分分數(shù)數(shù)裂變的產(chǎn)物分布曲線裂變的產(chǎn)物分布曲線重核的裂變重核的裂變質(zhì)量較大的原子核（重核）在一定條件上質(zhì)量較大的原子核（重核）在一定條件上分裂為兩個或多個中等質(zhì)量的原子核。分裂為兩個或多個中等質(zhì)量的原子核。 裂變：裂變：MeV200n3KrBanU109236141561023592+MeV200n2SrXe

21、nU109538139541023592+重核的裂變重核的裂變 裂變后形成的中等質(zhì)量的核具有過多的中子，由裂變后形成的中等質(zhì)量的核具有過多的中子，由于中子具有放射性，所以這些中等質(zhì)量的核是不穩(wěn)定于中子具有放射性，所以這些中等質(zhì)量的核是不穩(wěn)定的。它們通過一系列的的。它們通過一系列的 衰變，放射性的中等質(zhì)量的衰變，放射性的中等質(zhì)量的核才轉化為穩(wěn)定核。核才轉化為穩(wěn)定核。nn1094381405410235922SrXeU+eCsXe01 -1405514054+:Xe14054 用能量為用能量為1eV1eV以下的慢中子轟擊鈾核時，鈾核會以下的慢中子轟擊鈾核時，鈾核會分裂為兩個質(zhì)量相近的中等質(zhì)量的核，

22、同時放出一至分裂為兩個質(zhì)量相近的中等質(zhì)量的核，同時放出一至三個快速中子。這種重核分裂為中等質(zhì)量核的過程稱三個快速中子。這種重核分裂為中等質(zhì)量核的過程稱為重核的裂變。為重核的裂變。重核的裂變重核的裂變eBaCs01-14056+14055eLaBa01-14057+14056e)Ce(La01-14058+穩(wěn)定14057:Sr9438eYSr01-9439+9438e)Zr(Y01-9440+穩(wěn)定9439重核的裂變重核的裂變 受控熱核反應：受控熱核反應：如果在受控條件下，每次裂變?nèi)绻谑芸貤l件下，每次裂變平均只有一個中子引起新的裂變，維持穩(wěn)定的鏈式平均只有一個中子引起新的裂變，維持穩(wěn)定的鏈式反應

23、，這就是核反應堆中的情況。反應，這就是核反應堆中的情況。 原子彈：原子彈： 鈾核裂變時放出巨大的能量，同時鈾核裂變時放出巨大的能量，同時能放出多于二個中子，若分裂時放出的中子全部被能放出多于二個中子，若分裂時放出的中子全部被別的鈾核吸收，又引起新的裂變，這樣，裂變的數(shù)別的鈾核吸收，又引起新的裂變，這樣，裂變的數(shù)目將按指數(shù)規(guī)律增大，結果形成一發(fā)散的鏈式反應，目將按指數(shù)規(guī)律增大，結果形成一發(fā)散的鏈式反應，這就是原子彈中發(fā)生的情況。這就是原子彈中發(fā)生的情況。重核的裂變重核的裂變原子彈：原子彈：利用鈾、钚原子核的自持核裂變鏈式反利用鈾、钚原子核的自持核裂變鏈式反應原理制成的武器應原理制成的武器自持核裂

24、變鏈式反應自持核裂變鏈式反應：不需外界干預，自身可持續(xù)：不需外界干預，自身可持續(xù)進行的核裂變鏈式反應。進行的核裂變鏈式反應。重核的裂變重核的裂變重核的裂變重核的裂變原子彈爆炸原子彈爆炸沖擊波沖擊波光輻射光輻射核電磁脈沖核電磁脈沖重核的裂變重核的裂變早期核輻射早期核輻射放射性沾染放射性沾染3.3.氫核的聚變氫核的聚變氫彈爆炸氫彈爆炸托克馬克裝置托克馬克裝置兩個質(zhì)量較小的原子核（輕核）在一定條件兩個質(zhì)量較小的原子核（輕核）在一定條件上聚合為質(zhì)量較大的原子核。上聚合為質(zhì)量較大的原子核。聚變：聚變：MeV4.22He2HLi422163+MeV25.3nHeHH10322121+MeV6.17nHeH

25、H10422131+MeV3.17He2HLi421173+3.3.氫核的聚變氫核的聚變上述反應都需要超高溫條件，稱為熱核反應。上述反應都需要超高溫條件，稱為熱核反應。 從上式可知，電勢能隨著原子序數(shù)的增從上式可知，電勢能隨著原子序數(shù)的增大而增大，對原子序數(shù)大的重核，電勢能大大而增大，對原子序數(shù)大的重核，電勢能大而不易被克服；僅對于原子序數(shù)小的輕核才而不易被克服；僅對于原子序數(shù)小的輕核才能發(fā)生核聚變。能發(fā)生核聚變。)(4)(21021RReZeZEp+=21ZZpE 兩個原子核互相接近產(chǎn)生聚變反應時，兩個原子核互相接近產(chǎn)生聚變反應時，由于原子核間存在很大的庫侖斥力，原子核由于原子核間存在很大的

26、庫侖斥力，原子核碰撞動能必須克服兩原子核間的電勢能碰撞動能必須克服兩原子核間的電勢能 。氫核的聚變氫核的聚變+e42126157157158158147147136136137137126HCpeNOONpNCpeCNNCpN 最重要的聚變過程之一是最重要的聚變過程之一是碳氮循環(huán)碳氮循環(huán)，其，其循環(huán)結果是把四個質(zhì)子結合成一個氮核：循環(huán)結果是把四個質(zhì)子結合成一個氮核：這個過程中釋放的能量約為這個過程中釋放的能量約為26.7MeV26.7MeV氫核的聚變氫核的聚變氫彈氫彈：利用氘、氚（氫的利用氘、氚（氫的同位素）等輕原子核的聚同位素）等輕原子核的聚變反應原理制成的核武器變反應原理制成的核武器通常稱

27、為氫彈。通常稱為氫彈。4.8MeVHeHnLi42311063+17.6MeVnHeHH10423121+氫彈反應式氫彈反應式氫核的聚變氫核的聚變 20-3 原子核的放射性衰變原子核的放射性衰變 1.1.放射性衰變放射性衰變 如：如： 重原子核的裂變和輕重原子核的裂變和輕原子核的聚變都是在一定原子核的聚變都是在一定條件下完成的。事實上絕條件下完成的。事實上絕大多數(shù)原子核的同位素不大多數(shù)原子核的同位素不穩(wěn)定，會自發(fā)地衰變?yōu)榱矸€(wěn)定，會自發(fā)地衰變?yōu)榱硪环N同位素，同時放射出一種同位素，同時放射出各種射線。各種射線。HeYX422A2ZAZ+HeRnRa422228622688+ （1 1） 衰變：衰變

28、：自發(fā)放出氦核。自發(fā)放出氦核。 居里居里居里夫人居里夫人RU(r)庫侖勢庫侖勢 核勢核勢粒子受到的勢壘粒子受到的勢壘原子核的放射性衰變原子核的放射性衰變 - -衰變：衰變： + +衰變：衰變：電子俘獲：電子俘獲：放出電子、反中微子放出電子、反中微子放出正電子、中微子放出正電子、中微子一個質(zhì)子變?yōu)橹凶?，放出中微子一個質(zhì)子變?yōu)橹凶?，放出中微子e+eNC01147146e+eTiV0150225023e+TieV5022015023+eA1Z01AZe01A1ZAZe01A1ZAZYeXeYXeYX電子俘獲：衰變：衰變：衰變：（2）原子核的放射性衰變原子核的放射性衰變0MeVCo60272.50Me

29、V1.33MeVNi6028（3 3） 衰變：衰變：處于激發(fā)態(tài)的原子核不穩(wěn)定，處于激發(fā)態(tài)的原子核不穩(wěn)定，要向低能態(tài)躍遷，放出要向低能態(tài)躍遷，放出 光子。光子。 當原子核發(fā)生當原子核發(fā)生 衰變時，往往衰衰變時，往往衰變到另一原子核的激發(fā)態(tài)。變到另一原子核的激發(fā)態(tài)。、原子核的放射性衰變原子核的放射性衰變2.2.放射性衰變定律放射性衰變定律 (2) (2) 半衰期半衰期T T1/21/2：=693. 02lnTeN2NN21T0021(1) (1) 原子核的衰變服從一定的統(tǒng)計規(guī)律：原子核的衰變服從一定的統(tǒng)計規(guī)律： 設在設在t t+dt 時間內(nèi)有時間內(nèi)有dN個原子核發(fā)生個原子核發(fā)生衰變，衰變，dN與當

30、時存在的原子核數(shù)與當時存在的原子核數(shù)N成正比，與成正比，與時間時間dt成正比。成正比。- -dN= Ndt ( (負號表示原子核數(shù)目在減小負號表示原子核數(shù)目在減小) )tN=N0e ( (N0為為t=0時刻時刻原子核的數(shù)目）原子核的數(shù)目）表表20-4 20-4 幾種放射性同位素的半衰期幾種放射性同位素的半衰期半衰期半衰期衰變衰變同位素同位素CaKPCH42204219321512631a4 .12a5568d3 .14h4 .12d164半衰期半衰期衰變衰變同位素同位素UUPoCeCo238922359221284142586027a27. 5a10515s1037a1013. 78a1051

31、. 49原子核的放射性衰變規(guī)律原子核的放射性衰變規(guī)律N/N0t1.00.50.25T 2T放射性原子核的指數(shù)衰變規(guī)律放射性原子核的指數(shù)衰變規(guī)律原子核的放射性衰變規(guī)律原子核的放射性衰變規(guī)律3.3.放射性強度放射性強度(1)(1) 第一種定義：第一種定義： Ra2268810107 . 3 1 1克克 在在1s1s內(nèi)的放射性核衰變次數(shù)為內(nèi)的放射性核衰變次數(shù)為 次，為紀念居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素鐳，次，為紀念居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素鐳， 就定就定義某一物質(zhì)每秒有義某一物質(zhì)每秒有 次核衰變時，就定義次核衰變時，就定義該物質(zhì)的放性強度為該物質(zhì)的放性強度為1 1居里居里(Ci)。10107 . 3 (2) (

32、2) 第二種定義：第二種定義： 單位時間內(nèi)衰變一個核的放射性強度為單位時間內(nèi)衰變一個核的放射性強度為1貝貝克勒爾克勒爾(Bq)。Bq107 . 3Ci110= 20-4 粒子物理簡介粒子物理簡介例如：質(zhì)子、中子、電子和它們的反粒子及例如：質(zhì)子、中子、電子和它們的反粒子及 子、子、 介子、介子、K介子等。到目前為止，介子等。到目前為止， 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了400400多種基本粒子多種基本粒子( (包括共振包括共振 態(tài)粒子態(tài)粒子) )。基本粒子：基本粒子：構成物質(zhì)世界的基本單元。構成物質(zhì)世界的基本單元。1. 1. 反粒子和奇異粒子反粒子和奇異粒子（1 1）反粒子）反粒子 正粒子和反粒子有相同的質(zhì)

33、量、自旋、壽命，正粒子和反粒子有相同的質(zhì)量、自旋、壽命，電荷等值反號，磁矩方向相反。從理論上說，還應電荷等值反號，磁矩方向相反。從理論上說，還應該有這些反粒子組成的反原子核、反原子、反物質(zhì)、該有這些反粒子組成的反原子核、反原子、反物質(zhì)、反星體等。反星體等。 1932 1932年安德遜在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子年安德遜在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子, ,從從19551955年起陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子、反中子、反介子、年起陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子、反中子、反介子、反超子。反超子。反粒子和奇異粒子反粒子和奇異粒子質(zhì)子和反質(zhì)子的運動軌跡質(zhì)子和反質(zhì)子的運動軌跡+2cmo2cmo產(chǎn)生產(chǎn)生湮沒湮沒0光子光子兩個兩個空位空位空位空

34、位自由電子的能量區(qū)域自由電子的能量區(qū)域電子偶的產(chǎn)生和湮沒電子偶的產(chǎn)生和湮沒反粒子和奇異粒子反粒子和奇異粒子（2 2）奇異粒子）奇異粒子 在二十世紀在二十世紀5050年代又在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了與年代又在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了與基本粒子不同的具有以下奇怪性質(zhì)的奇異粒子?；玖Ｗ硬煌木哂幸韵缕婀中再|(zhì)的奇異粒子。（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. 奇異粒子總是成對地產(chǎn)生。奇異粒子總是成對地產(chǎn)生。a. 奇異粒子產(chǎn)生過程非常快，而衰變過程卻奇異粒子產(chǎn)生過程非?？?，而衰變過程卻又非常慢。又非常慢。反粒子和奇異粒子反粒子和奇異粒子 我們用質(zhì)量、電荷、自旋、磁

35、矩我們用質(zhì)量、電荷、自旋、磁矩等性質(zhì)表示基本粒子，又加入了等性質(zhì)表示基本粒子，又加入了“奇奇異數(shù)異數(shù)”這個量子數(shù)，來反映基本粒子這個量子數(shù)，來反映基本粒子的奇異現(xiàn)象。對于非奇異粒子，奇異的奇異現(xiàn)象。對于非奇異粒子，奇異數(shù)為零；對于奇異粒子，奇異數(shù)不為數(shù)為零；對于奇異粒子，奇異數(shù)不為零。零。反粒子和奇異粒子反粒子和奇異粒子（1 1）重子類）重子類 這類粒子質(zhì)量較大，包括核子和超子（因質(zhì)量這類粒子質(zhì)量較大，包括核子和超子（因質(zhì)量超過核子，故稱為超子）。超過核子，故稱為超子）。（2 2）輕子類）輕子類 這類粒子質(zhì)量較小，包括電子、這類粒子質(zhì)量較小，包括電子、 介子、介子、 介子介子及其相應的中微子。

36、及其相應的中微子。 （3 3）介子類）介子類 質(zhì)量介于重子和輕子之間的粒子稱為介子。包質(zhì)量介于重子和輕子之間的粒子稱為介子。包括括K K介子、介子、 介子、介子、 介子。介子。（4 4）光子類）光子類 只有光子一種，其靜止質(zhì)量為零。只有光子一種，其靜止質(zhì)量為零。2. 2. 基本粒子的分類基本粒子的分類 按質(zhì)量分為四類：按質(zhì)量分為四類： 自旋是自旋是 的半整數(shù)倍的基本粒子稱為的半整數(shù)倍的基本粒子稱為費米子。包括重子和輕子。輕子、核子的自費米子。包括重子和輕子。輕子、核子的自旋為旋為1/21/2，超子的自旋為，超子的自旋為1/21/2、3/2 3/2 。h.（1 1）玻色子）玻色子（2 2）費米子

37、）費米子h 自旋是自旋是 的整數(shù)倍的基本粒子稱為玻的整數(shù)倍的基本粒子稱為玻色子。包括光子類和介子類。光子的自旋為色子。包括光子類和介子類。光子的自旋為1 1， 介子的自旋為介子的自旋為0 0。按自旋分為兩類按自旋分為兩類：基本粒子的分類基本粒子的分類 由于介子和重子參加強相互作用又統(tǒng)稱由于介子和重子參加強相互作用又統(tǒng)稱為強子。為強子。 19741974年丁肇中等發(fā)現(xiàn)了年丁肇中等發(fā)現(xiàn)了J/ J/ 粒子，粒子，J/ J/ 粒粒子也是一種介子。子也是一種介子。 丁肇中丁肇中基本粒子的分類基本粒子的分類3. 3. 基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用 宇宙間的一切物質(zhì)的相互作用歸結為以下四種。宇宙間的

38、一切物質(zhì)的相互作用歸結為以下四種。（1 1） 強相互作用強相互作用 強相互作用是一種原子核結合在一起的力，強相互作用是一種原子核結合在一起的力，它的作用范圍為它的作用范圍為 m 以下，故稱短程力；作以下，故稱短程力；作用時間極短，約為用時間極短，約為 s,s,這種相互作用強度大，這種相互作用強度大，比電磁作用強得多，故稱強作用。強相互作用比電磁作用強得多，故稱強作用。強相互作用只存在于重子和介子之間。只存在于重子和介子之間。 15102310（2 2）弱相互作用）弱相互作用 弱相互作用范圍在弱相互作用范圍在1010-17-17m以下，通常也稱短以下，通常也稱短程力。弱相互作用的強度比強相互作用

39、弱得多，程力。弱相互作用的強度比強相互作用弱得多，作用時間慢得多。參與弱相互作用的粒子：一切作用時間慢得多。參與弱相互作用的粒子：一切強子和輕子。強子和輕子?；玖Ｗ拥南嗷プ饔没玖Ｗ拥南嗷プ饔酶窭じ窭夭駵夭袼_拉姆薩拉姆（3 3）電磁相互作用）電磁相互作用 一切具有電荷或磁矩的全部粒子包括強一切具有電荷或磁矩的全部粒子包括強子和輕子都參與電磁相互作用。電磁相互作子和輕子都參與電磁相互作用。電磁相互作用通過電磁場交換光子來實現(xiàn)。一些基本粒用通過電磁場交換光子來實現(xiàn)。一些基本粒子通過電磁相互作用發(fā)生衰變。電磁相互作子通過電磁相互作用發(fā)生衰變。電磁相互作用的強度比強相互作用弱，電磁力的大小

40、與用的強度比強相互作用弱，電磁力的大小與物體間距離的平方成反比。物體間距離的平方成反比。基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用229221/kgmN109krQQkF= （4 4）萬有引力相互作用）萬有引力相互作用 所有粒子都參與萬有引力相互作用，其強所有粒子都參與萬有引力相互作用，其強度比弱作用還小，與物體間距離的平方成反比。度比弱作用還小，與物體間距離的平方成反比。傳遞引力的粒子稱為引力子。傳遞引力的粒子稱為引力子。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 四種相互作用的比較四種相互作用的比較天體之間天體之間 衰變衰變原子

41、結合原子結合核力核力舉例舉例引力子引力子中間玻色子中間玻色子光子光子 介子介子傳遞子傳遞子一切物體一切物體強子、輕子強子、輕子強子、輕子強子、輕子 強子強子被作用粒子被作用粒子作用時間作用時間(s)(s) 作用范圍作用范圍(m)(m)1相對強度相對強度引力作用引力作用弱作用弱作用電磁作用電磁作用強作用強作用名稱名稱21012103910151023101620101010101710基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用 1964 1964年蓋爾曼等人提出強子由夸克組成。年蓋爾曼等人提出強子由夸克組成。他認為所有強子都是由三種夸克組成，這三種夸他認為所有強子都是由三種夸克組成，這三種夸克分別稱為上夸克、下夸克、奇異夸克，分別用克分別稱為上夸克、下夸克、奇異夸克，