大学物理第17章,原子核与基本粒子

四、 原子核的结合能和平均结合能
原子核的质量M总是小于组成该原子核的核子的质 量之和，它们之间的差额称为原子核的质量亏损。
核子在结合成原子核时，它们之间的核力作用使体 系能量降低，从而释放出能量，相应质量减少了。 原子核结合能： 由质子和中子形成原子核时所放出的能量。
Eb mic2M2c
i
原子核由Z个质子和N个中子结合而成，
mi Zm pNm n
i
E b(Zp m Nnm )c2M2 c
平均结合能(比结合能)： 原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的比值。
Eb
Eb A
平均结合能越大， 原子核越稳定。
* 17-2 原子核的放射性衰变
不稳定的原子核会自发地转变成另一种核而同时 放出射线，这种变化叫放射性衰变。 一、放射性衰变的一般规律 1.指数衰减规律
ZAX母核
Y A4
Z2
子
核
Байду номын сангаас
中微子的发现
1930年泡利根据衰变前后应遵守角动量守恒和能 量守恒提出核在发射粒子的同时应发射一个质量 几乎为零的中性粒子，称中微子。
2) 衰变是核电荷改变而核子数不变的核衰变.
-衰变是原子核内中子转变成质子，同时放出一个
电子和与电子相联系的反中微子 0 1n 1 1P1 0e~
核自旋角动量空间量子化
L Z m I , m I I, (I 1 ) , 1 2或 0
质子的磁矩 p2.792em p 2.79 N
核磁子
N
e 2m p
中子的磁矩 n1.91 N
原子核有磁矩
JgJ N J
核自旋的确定： 1.质子和中子的自旋 I 1
2
2.原子核的质子数和中子数都是偶数时，自旋为零。
3.原子核的质子数和中子数都是奇数时， 自旋为非零整数。
4.原子核的核子数是奇数时，自旋为1/2的奇数倍。
三、核力的基本性质 核子之间的相互作用力， 抵消核子之间的较强的库仑排斥力。
核力的特征：
1.核力是比电磁力强得多的强相互作用力， 主要是吸引力。
2.核力是短程力，核子间距离小于10-15m时才明显。 3.核力与核子带电状况无关。 4.核力具有饱和性。 1935年，日本物理学家汤川秀树提出核力的介子理论， 认为核子之间通过交换介子而发生核力作用。
t=0时刻样品中有N0个核， 经过一段时间t后剩下N个
核,在dt时间内有-dN个核发生衰变
dNNdt 或dNdt
N
表征衰变快慢的常 衰数 变（ 常数）
t=0，N=N0
NN0et
放射性衰变定律
dN dt
N
t时刻，每单位时间衰变的原子核数与该 时刻原子核总数的比。越大，衰变越快。
2.半衰期和平均寿命
半衰期:原子核衰变到N=N0/2所需的时间。
12N0 N0eT12
T1
2
ln20.693
平均寿命
每个原子核衰变前存在的时间的平均值。
原子核的寿命：
1
N0
t(dN )
1
0
N0
0tNdt0
tetdt
平均寿命：
1
平均寿命与半衰期的关系： T1 2
ln 2
3.射性活度（放射性强度） 放射性物质在单位时间内发生衰变的核的数目。
1 胶子
被作用 粒子
一切物体
强子、轻子
特征 时间
>10-10
强子 10-20~10-16
强子 <10-23
相互作用的统一 弱电统一理论： 弱作用与电磁作用的统一 大统一理论： 强相互作用和弱电作用统一 超大统一理论： 四种相互作用的统一 有待于验证。
三.粒子的分类 正反粒子
两者质量、自旋、平均寿命完全相同。 电荷等值异号，磁矩方向相反。 按自旋分类(1)玻色子,(2)费米子 按参与相互作用的性质分类 1、规范粒子 规范粒子是传递作用力的粒子。
2、轻子 轻子完全不受强作用力的影响。 3、强子 强子分成介子和重子。
按质量分类 (1)轻子,(2)介子(3)重子
* 17-5 夸克模型
夸克是强子的组成粒子。夸克共有6种。
物质的基本单元 原子
质子、中子、电子 夸克
17-1 原子核的基本性质
一、原子核电荷、质量和密度
1、原子核的质量数和电荷数 原子核由质子和中子组成。
质子（P）： e mp 1.0072u76 核子 中子（n）：电中m 性 n1.008u665
1u1.660516 0527k5g
原子核符号
A Z
X
A(质量数) Z N Z 电荷数(质子数,原子序数)
174N
186O
X 与Z相应的元素符号
核素:具有相同质子数Z和相同中子数N的核素。
同位素:具有相同的质子数而中子数不同的核素。
186O 187O 188O
11H 12H 13H
同中子异荷数:具有相同中子数N 、不同质子数Z的核素。
同量异位素:质量数A相同而质子数Z不同的核素。 同质异能素:具有相同质量数A和中子数N,但能态不同 的核素。
Z A X Z A 1 Y 1 0e~
+衰变是原子核内质子转变成中子，同时放出一个
正电子和一个中微子
11P01n10e
Z AX Z A 1Y1 0ee
3) 衰变 射线是光子流， 是在衰变或衰变后形成新核时辐射出来的。
17-4 粒子及其相互作用
一、粒子基本性质 1、质量。（常用静能 m 0c 2 表示） 2、电量。（常以电子电量e为单位）
质子、电子和中子符号
1 1H(1 1P) 1 0e 0 1n
2、原子核的形状、大小及密度 原子核的体积总是正比于它的质量数A
RR0A13
R01.2 01 015m
所以在一切原子核中，核物质的密度近似相等。
m110k 7 gm3
二、原子核的自旋和磁矩
原子核的自旋角动量为 L I(I1)
I 核自旋量子数 I可以是整数，也可以是半整数。
AddN tNN0et
t=0，N=N0，A=N0
A A0et 国际单位：贝克 (Bq) 1Bq表示每秒发生一次核衰变的放射源的活度。 常用单位：居里( Ci) 1C i 3.710 10Bq
二、几种主要的衰变方式
三种衰变：衰变、衰变、衰变
1) 衰变是原子核放射出粒子(即氦核)
Z AX A Z 42Y24He
3、自旋。（自旋角动量以 为单位）
4、平均寿命。
二、粒子相互作用极其统一模型
四种相互作用的比较
引力作用
作用力 长程，
程/m
弱作用
短程 <10-16
电磁作用
长程，
强作用
短程 10-15~10-16
举例 天体之间 衰变 原子结合
核力
相对 强度
媒介
10-39 引力子
10-15
中间 玻色子
1/173 光子