粒子物理与核物理1-1探测器概论

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核物理与粒子物理学

核物理与粒子物理学

核物理与粒子物理学核物理和粒子物理学是现代物理学领域的两个重要分支,它们研究微观世界的基本结构和相互作用规律。

本文将介绍核物理和粒子物理学的概念、发展历程、主要研究内容以及对科学技术的应用。

一、概念核物理是研究原子核的性质、结构和相互作用的学科。

原子核是构成原子的基本组成部分,包含质子和中子。

核物理的研究对象包括核反应、核衰变、核能量和核力等。

粒子物理学是研究微观粒子的性质和相互作用的学科。

微观粒子是构成物质的基本单位,包括了电子、质子、中子等基本粒子,以及更小的基本粒子如夸克、轻子等。

粒子物理学的研究内容包括基本粒子的发现、性质的测量以及粒子之间的相互作用等。

二、发展历程核物理学的起源可以追溯到19世纪末,当时物理学家发现了射线现象,并开始研究射线的性质。

20世纪初,赫尔曼·斯莫德林和欧内斯特·卢瑟福等科学家通过对射线的实验研究,提出了“原子核”和“原子结构”的概念,从而奠定了核物理学的基础。

粒子物理学的发展则较晚,大约在20世纪30年代才逐渐兴起。

科学家们通过宇宙射线实验等方式,发现了许多新的粒子并开始对其进行研究。

1947年,卡尔·安德森首次发现了带电介子,这一发现对粒子物理学的发展产生了重要的影响。

三、研究内容核物理研究的核心问题是了解和探索原子核的性质和相互作用。

其中包括了核合成、核裂变、核衰变等核反应过程的研究,以及核能量的释放与利用等相关问题。

此外,核物理学还研究了放射性核素的衰变规律及其应用,如碳14定年法等。

粒子物理学研究的核心问题是探索微观粒子的本质和相互作用。

通过加速器实验和探测器技术等手段,科学家们发现了多种基本粒子,并通过对其性质和相互作用的研究,建立了粒子物理学的标准模型。

此外,粒子物理学还研究了暗物质、暗能量等宇宙学重大问题。

四、应用领域核物理和粒子物理学的研究成果在科学技术领域具有广泛应用。

核能技术可以用于核能发电、放射性同位素的医疗和工业应用等。

核物理学与粒子物理学

核物理学与粒子物理学

核物理学与粒子物理学核物理学和粒子物理学是当代物理学的两大重要分支,它们研究的对象分别是原子核和基本粒子。

这两个学科的发展为深化人们对物质结构及其相互作用的认识提供了重要的途径,对于推动科学技术的发展和实现社会进步起到了关键性的作用。

本文将对核物理学与粒子物理学进行简要介绍,并探讨它们在今天科学研究中的重要意义。

一、核物理学核物理学是研究原子核结构、性质和相互作用的科学,它以原子核为研究对象。

原子核由质子和中子组成,质子带正电,中子不带电,它们通过强相互作用相互结合在一起。

核物理学研究的重点包括核结构、核衰变、核裂变和核聚变等。

其中,核裂变和核聚变是核能的重要来源,对于解决能源问题具有重要的意义。

核物理学的发展历程可以追溯到20世纪初,当时的科学家发现存在放射性现象,并通过实验证明了放射性元素的衰变规律。

随着对原子核结构的研究深入,人们逐渐认识到原子核是一个复杂的系统,其中包含着丰富的物理现象。

核物理学的快速发展为原子能的利用提供了关键的科学基础,也为后来的粒子物理学的兴起奠定了基础。

二、粒子物理学粒子物理学是研究物质的基本构成和相互作用规律的学科,它以基本粒子为研究对象。

基本粒子可以分为两类:强子和轻子。

强子包括质子和中子,它们是构成原子核的基本组分;轻子包括电子、中微子等,它们是构成原子的基本组分。

粒子物理学的研究内容包括基本粒子的分类、相互作用及其背后的基本力。

粒子物理学的起源可以追溯到20世纪初,当时科学家发现了电子以外的一些粒子,例如质子和中子。

随着科技的进步,越来越多的基本粒子被发现,人们逐渐认识到物质的基本构成比我们最初想象的要复杂得多。

粒子物理学的发展推动了人类对宇宙的认知不断深化,也在许多领域产生了广泛的应用,如医学影像、核能利用等。

三、核物理学与粒子物理学的重要意义核物理学和粒子物理学在今天的科学研究中具有重要的意义。

首先,它们丰富了我们对物质结构和相互作用的认识,揭示了宇宙的奥秘。

粒子物理与原子核物理

粒子物理与原子核物理

粒子物理与原子核物理
1 粒子物理与原子核物理
粒子物理和原子核物理是现代物理学的重要分支,分别以粒子和
核为研究对象,给我们的理解提供了新的视角和新的途径。

从宏观上说,粒子物理是研究基本粒子结构和相互作用的物理学,专注于构成宇宙物质的物理本质。

它解决宇宙范围的粒子非常致密的
核动力学和量子规范场问题。

它还调查量子液体、量子引力等物理现象。

粒子物理成果也对放射性衰变、核反应的复杂现象提供了重要的
帮助。

原子核物理是研究原子核结构和原子核反应的物理学,主要是通
过研究质子和中子的物理相互作用来揭示原子核的性质,人们所熟知
的核电力、核聚变和核潜力都是原子核物理发展的产物。

此外,原子
核物理也应用于反应堆设计、核能开发、天文观测等领域,在实际应
用中发挥重要作用。

粒子物理和原子核物理都是物理学研究的重要分支,它们以不同
的视角阐释自然界中多样性,能够帮助我们更好的理解现象,创造出
更完整的宇宙模型。

核探测器原理-概述说明以及解释

核探测器原理-概述说明以及解释

核探测器原理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述核探测器是一种用于探测和测量放射性物质的仪器。

随着核科学和辐射应用的发展,核探测器逐渐成为研究和工业领域中不可或缺的工具。

核探测器的作用是利用其特殊的工作原理,探测并记录放射性粒子的存在、类型、能量等信息。

核探测器的基本原理是基于放射性物质的放射性衰变现象。

放射性物质在其核不稳定的情况下,通过放射性衰变释放出粒子或射线,如α粒子、β粒子、γ射线等。

这些粒子或射线具有特定的能量和穿透力,可以被核探测器所感知和探测。

核探测器的工作原理可以分为几种不同的类型,包括闪烁体探测器、气体探测器、半导体探测器等。

闪烁体探测器通过闪烁效应将入射粒子的能量转化为可见光信号,然后通过光电倍增管等装置将光信号转化为电信号进行测量。

气体探测器则利用气体的电离效应将粒子的能量转化为电信号,通过电荷放大器等设备进行测量。

而半导体探测器则是利用半导体材料中的PN结构或PIN结构的电离效应来探测粒子的能量和位置。

总之,核探测器的发展为研究和应用放射性物质提供了重要的手段。

通过对核探测器的概述和工作原理的介绍,我们可以更好地理解核探测器的基本原理,为进一步的研究和应用奠定基础。

未来,随着科学技术的不断进步,核探测器将继续发展,并在核能、医疗、环保等领域发挥更大的作用。

1.2 文章结构本文将按以下结构来探讨核探测器的原理。

首先,在引言部分将概述本文涉及的主题,并介绍核探测器的基本概念和背景。

接着,本文将详细阐述核探测器的基本原理以及其工作原理。

在基本原理部分,将介绍核探测器是如何通过与射线、粒子相互作用来探测并测量核辐射的。

而在工作原理部分,将详细说明核探测器是如何工作的,包括其内部结构和探测过程。

最后,在结论部分,总结核探测器的原理,并探讨未来它的发展方向。

通过以上的结构安排,读者将能够全面了解核探测器的基本原理和工作原理,以及对其进行总结和展望未来的发展方向。

通过对核探测器原理的深入探讨,读者将能够更好地理解核探测器在科学研究、工业应用以及医疗诊断等领域的重要性,并进一步推动核探测器技术的发展和应用。

大学物理原子核物理与粒子物理学

大学物理原子核物理与粒子物理学

大学物理原子核物理与粒子物理学原子核物理与粒子物理学是大学物理学科中的重要分支之一。

本文将从原子核物理和粒子物理这两个方面进行讨论,首先介绍原子核物理的基本概念和研究内容,然后转向粒子物理的相关知识和发展历程。

一、原子核物理原子核是构成物质的基本粒子之一,它由质子和中子组成。

原子核物理主要研究原子核的结构、性质与相互作用。

原子核物理在核能源、核技术以及医学诊断和治疗等方面具有重要的应用价值。

1.1 原子核的结构原子核由质子和中子组成,质子带有正电荷,中子不带电荷。

原子核的结构可以用核子数和中子数来描述,在同位素的不同核素中,质子数和中子数的比例不同。

1.2 原子核的性质原子核具有很高的密度和巨大的能量,是原子的稳定核心。

原子核的质量集中在一个极小的空间内,而质子之间相互排斥,需要强相互作用力维持原子核的稳定性。

1.3 原子核的相互作用原子核之间存在相互作用力,主要包括静电作用力和强相互作用力。

静电作用力是负责核内粒子之间的排斥力,而强相互作用力是保持核内粒子结构相对稳定的主要力。

二、粒子物理学粒子物理学研究微观世界的基本粒子,以及它们之间的相互作用和性质。

粒子物理学对于理解宇宙的起源、宇宙组成和基本力的统一理论等方面有着重要的贡献。

2.1 基本粒子粒子物理学将基本粒子分为两类:费米子和玻色子。

费米子包括质子、中子、电子、中微子等,它们符合费米-狄拉克统计,满足泡利不相容原理。

而玻色子包括光子、希格斯玻色子等,它们符合玻色-爱因斯坦统计。

2.2 粒子之间的相互作用粒子之间的相互作用可以通过四种基本相互作用来描述:引力、电磁力、弱相互作用和强相互作用。

这四种相互作用决定了物质的性质和基本力的运作机制。

2.3 粒子物理的发展历程粒子物理学的发展经历了多个重要阶段,从射线的发现、质子和中子的发现,到粒子加速器的建立和基本粒子的进一步研究,最终形成了今天的标准模型。

三、应用与展望原子核物理与粒子物理学在科学研究和技术应用方面具有广泛的前景和潜力。

粒子探测绪论讲解

粒子探测绪论讲解

中国科大 汪晓莲
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Tevatron Collider
Fermilab Tevatron Collider
是目前世界上在运行的最高能量的对撞机 质子,反质子束流加速到900 GeV ,有两 个相互作用对撞点 (CDF and DØ)
95年发现 Top夸克
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
33
欧洲粒子物理研究中心
中国科大 汪晓莲
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Basic Concepts: Energy
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
20
Basic Concepts: Energy
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
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electron
(energy U)
U= 1 eV = 1.6x10-19J
(speed at positive plate 18 000 km/s)
世界上第一台对撞加速器
1960年意大利科学家陶歇克(B.Touschek)首次提出并在意大利的Frascati国家实验室
20建19/成5/3了0 直径约1米的AdA对撞机,验证了中国原科大理汪,晓从莲 此开辟了加速器发展的新纪元。
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美国BNL 的3.3GeV Cosmotron
2019/5/30
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
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建立夸克模型的关键实验:电子轰击质子(1972)
质子并不是一个几何点。它有大小,其半径10-13cm,电荷就分布在这
样一个小空间范围
e
质子内部分布着大量的点电荷
定量分析表明,质子是由三个夸克组成
e
1974年——丁肇中,B. Richter 发现 J/ 粒子

高能粒子的探测和计算

高能粒子的探测和计算

高能粒子的探测和计算高能粒子是指具有高动能的自然粒子,包括宇宙线中的质子、电子、中微子以及加速器中产生的高能中子、质子、重离子等。

高能粒子的探测和计算是一门重要的实验物理技术,对于研究宇宙和基本物理学具有重要意义。

一、高能粒子探测技术高能粒子探测技术是指用物理学的手段来检测和量测高能粒子。

这一领域的技术极其复杂和先进,需要多种探测器相互组合和使用。

高能粒子可以通过电离、辐射、能量损失等方式与物质相互作用,探测器应根据其物理特性,选择合适的探测器进行探测。

1. 电离室探测器电离室探测器主要测量粒子的离子化能力和能量损失。

由于其简单可靠、可重复、分辨率高等特点,被广泛应用于实验研究和应用领域。

电离室本质上是一个由多个带电板构成的设备,带电板之间有一定空间间隔。

经过空气之后,粒子产生游离电子,电离的电子和初始粒子的运动相互作用,形成电子对。

这些电子对被加速到带电板上,在带电板上产生电荷沉积。

通过测量电离房间内电荷沉积的分布,可以判断粒子的能量和入射位置等信息。

2. 半导体硅探测器半导体硅探测器是一种高精度、高分辨率的粒子探测器。

其基本原理是利用半导体(主要是硅)中的PN结和反向偏置电压形成一个带电区域,当高能粒子穿过该区域时,电子与空穴被产生并产生电子-空穴对。

这些电子-空穴对会从探测器的电极中漂移,探测器记录下这个信号。

然后可以通过测量电荷量、信号幅度等参数,来推断粒子的能量和轨迹等。

3. 闪烁体探测器闪烁体探测器是根据材料的闪烁特性来测量粒子的探测器,它利用光电倍增管等辐射探测器转换闪烁光信号,提高信号并进行放大。

当高能粒子穿过闪烁体样品时,会产生大量激发和电离过程,产生可见光子,这些光子被闪烁体中的荧光材料吸收,然后以可见光的形式发出。

通过测量闪烁光子的动能和时间,可以推断出粒子的能量、入射位置和入射角度等信息。

二、高能粒子的计算方法与实验相比,计算方法是另一种非常重要的高能粒子研究方法。

它可以通过建立合理的物理模型,进行数值计算和模拟,从而理解和解释实验数据。

核物理学中的粒子探测器技术

核物理学中的粒子探测器技术

核物理学中的粒子探测器技术随着科技的不断发展和进步,人类对于宇宙、自然的认知也在不断增加。

其中,物理学作为一门探索自然科学的基础学科,一直在为我们揭示自然的奥秘。

核物理学则作为物理学的一个重要分支,主要研究原子核以及基本粒子等微观领域的物理现象。

而在核物理学中,探测器技术则扮演着不可或缺的角色,用于探测和测量粒子在实验中的运动状态与性质。

本篇文章将着重介绍核物理学中的粒子探测器技术。

一、探测器技术的基本原理:核物理学中的探测器技术,主要是利用物质与粒子相互作用的特性,来观测、分析粒子的性质和运动规律。

常见的探测器有:闪烁体、电离室、气体探测器等。

其基本原理是通过探测器内的不同介质与粒子的相互作用,引发某些物理现象,再通过检测和记录这些物理现象的参数,来反推粒子的性质和轨迹。

二、闪烁体探测器闪烁体是指一种特殊的材料,它经过激发后,会发出光。

利用这个原理可以制作出闪烁体探测器。

当带电粒子穿过闪烁体时,它与闪烁体内的原子发生相互作用,激发了闪烁体内的分子。

激发态的分子一旦回到其基态就会发光,接着探测器会转化数目巨大、取之不尽的光信号为电信号,通过一个线性放大器得到数字信号后,再使用计算机进行处理和分析。

三、电离室电离室利用气体中的原子分子受到带电粒子的电离作用,导致气体电离产生正负离子对的原理。

对于一定能量的带电粒子,产生的离子数是有统计规律的,同时产生的离子数与电离室中的气压和温度有关。

因此,通过测量气体中电子、离子对的产生数目,就可以计算带电粒子的能量和电离作用。

四、气体探测器气体探测器是指利用气体内感应电场导致载流子的产生和移动的原理,进行粒子探测的一种探测器。

最常用的气体探测器是闪烁体中的室温气体放大器(TPC)和室温半导体探测器(SDD)。

气体探测器与电离室类似,只是探测器内的气体通常是高纯度、低压的气体。

带电粒子穿过探测器时,它与气体相互作用,导致了比赛线和电子对的产生,电子对经过扩散、漂移等过程形成感应电流,最终可以得到一个与粒子性质有关的电信号。

粒子物理和核物理实验中的数据分析

粒子物理和核物理实验中的数据分析


➢将观测直方图乘以修正因子直方图得到理论 (真实)的直方图

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正规化的解谱法
考虑“合理的”估计量,对选定的logL 满足
r
l o g L () l o g L m a x l o g L
logL描 述 了 数 据 n r与 期
待 值 r之 间 的 “ 距 离 ” 。
r 估计量满足该不等式并且最光滑,等价于 将下式求最大值
这个随机 1/数 放被 大后,结果信 中息 有完 用全 的被非湮 物没 理。 振
所以,通常情接 况求 下反 ,应 直矩阵x的 获方 得法 真, 值尽管理 是严格的,是的 无, 偏但 有结 效果并意 没义 有。 物理
解决办法是进行平滑处理,消除无意义的统计涨落。 但平滑会带来偏向性,需要在涨落与偏向性之间找到平衡。 13
通常取 k=2,使得 S 约等于曲率平方的平均 值。对直方图而言,也就是
r M 2
S( ) (i
2i1i2)2
Sov.
Math.5(1963)1035
i1
注意:2 阶导数对直方图的第一和最后的区 间没有很好的定义。
24
Tikhonov 规则(续)
如果在
log L 1 2
2
下,采用Tikhonov(k=2)规则
注意:,是常数,n会受
到统计涨落的影响。
真实直方图 离散化的p.d.f.
观测数据 和数据的期待值
7
效率、本底
有时,事例可能会不被探测到: 效率
N
N
Rij P(观测值在第i 区|真实值在第j 区)
i1
i1
真实直方图第
P(观测值在全范围|真实值在第j区) j 区探测效率
j(效率)

核物理学中的粒子探测器研究

核物理学中的粒子探测器研究

核物理学中的粒子探测器研究随着科学技术的不断发展,科学家们对宇宙和物质世界的探索也愈加深入。

其中,核物理学是研究原子核、粒子和基本物理相互作用的学科,而粒子探测器则是该学科的重要研究工具。

那么,下面就让我们来看看核物理学中的粒子探测器研究吧。

第一部分:什么是粒子探测器?粒子探测器是一种用于粒子物理实验中的测量和检测的工具,其基本原理就是利用粒子与探测器中的物质发生相互作用而产生一定能量输出的规律。

根据粒子不同的性质和测量要求,粒子探测器可以有很多不同的类型和形式。

比如:1. 闪烁体探测器:闪烁体是一种具有荧光属性的物质,在粒子经过它时会发出强光。

这种光可以通过光电倍增管或光电探测器等设备测量,从而确定粒子探测器的探测位置和能量等信息。

2. 半导体探测器:半导体是一种介于导体和绝缘体之间的物质,它的导电性较差,但具有特殊的电学特性。

利用半导体的电子学沉积原理,粒子在探测器中能够反应并产生电离子对,从而形成能量信号,这种信号可以通过前置放大器等设备进行放大和信号处理,从而得到精确的能量和位置信息。

3. 气体探测器:气体探测器是根据粒子与气体相互作用而设计的一种探测器,其工作原理主要是利用粒子经过气体时与气体原子或分子碰撞产生电离效应,从而形成电离子对电荷。

这种电离子对电荷可以搜集到外电极,通过测量电流或电量来测定粒子的位置和能量等参数。

总之,粒子探测器是一种多种多样的物理仪器,不同类型的探测器之间有着不同的测量性能和精度,可以针对不同的研究目标和问题进行选择和优化。

第二部分:粒子探测器的研究应用粒子探测器在核物理学研究中有着广泛的应用,例如:1. 深入探测物质结构:核物理学研究的一个重要目标是了解物质结构的内部构成和相互作用规律,而粒子探测器则是实现这一目标的重要工具。

通过粒子与物质的相互作用过程,可以研究物质核、原子及电离过程的本质和规律。

例如,在原子核结构研究中,可以使用γ射线和中子探测器来研究原子核的质量、角动量、磁矩等基本性质,帮助科学家理解原子核结构的本质。

核物理与粒子物理

核物理与粒子物理

核物理与粒子物理核物理和粒子物理是现代物理学的重要分支领域,它们研究的是微观尺度上的基本物质结构和相互作用方式。

本文将分别介绍核物理和粒子物理的基本概念和研究内容,并探讨它们在科学研究和应用中的重要性。

1. 核物理核物理是研究原子核结构、性质和相互作用的学科。

在核物理中,研究的主要对象是原子核,它由质子和中子组成。

核物理的里程碑是放射性现象的研究,其中包括自发衰变、放射性衰变等。

通过研究放射性现象,科学家逐渐认识到原子核是不稳定的,具有一定的衰变规律。

核物理的另一个重要领域是核反应。

核能的释放和核武器的制造都与核反应密切相关。

核反应的研究不仅可以推动核能的利用,还可以帮助人们更好地理解宇宙的起源和演化过程。

此外,核物理还涉及核磁共振、核磁共振成像等应用,这些应用在医学诊断和科学研究中起到了重要的作用。

2. 粒子物理粒子物理是研究基本粒子结构、相互作用和物理规律的学科。

粒子物理的基本研究对象是基本粒子,包括了质子、中子、电子、中微子等。

粒子物理学通过加速器实验、探测器技术和理论模型来探索基本粒子的性质和相互作用机制。

粒子物理研究的一个重要目标是揭示物质的基本构成和宇宙的基本规律。

通过粒子物理的研究,科学家提出了标准模型,该模型成功地描述了微观世界的基本粒子和相互作用方式。

此外,粒子物理还探讨了反物质、暗物质、暗能量等神秘的物质和现象,这些研究对于理解宇宙的演化和结构具有重要意义。

3. 核物理与粒子物理的联系核物理和粒子物理在研究对象和研究方法上存在一定的联系。

核物理和粒子物理都关注微观尺度上的基本物质结构和相互作用规律。

粒子物理学从核物理学中汲取了很多方法和技术,并通过不断发展取得了重要的成果。

此外,核物理和粒子物理的研究都需要大型实验设施和高能粒子加速器。

这些实验设施为核物理和粒子物理的研究提供了必要的条件和工具。

另外,核物理和粒子物理的研究过程中需要用到许多相似的理论和数学方法。

因此,核物理和粒子物理在科学研究中有很多相互关联的地方。

物理学中的核物理与粒子物理

物理学中的核物理与粒子物理

物理学中的核物理与粒子物理物理学是自然科学中最基础的学科之一,涵盖了从微观领域到宏观领域的一切现象。

核物理学和粒子物理学是物理学中最具有挑战性的两个分支,它们分别研究原子核和基本粒子的性质和相互作用。

这篇文章将探讨核物理和粒子物理的基本原理和最新进展。

核物理学核物理学研究原子核的构成、性质和相互作用。

原子核由质子和中子组成,它们通过强相互作用相互结合。

质子和中子是由夸克和胶子组成的。

核物理学的研究对象不仅仅是原子核本身,还包括核反应、核能和核技术等方面。

核物理学涉及的主要理论是核结构理论和核反应理论。

核结构理论着重研究原子核的结构和性质,通常采用物理学中的量子力学方法。

核反应理论则着重研究原子核在相互作用过程中所发生的变化,如核衰变和核聚变等过程。

在现代核物理学研究中,核反应是非常重要的一部分,包括核聚变和核裂变等反应。

核聚变是核能的源头之一,是太阳能等宇宙能源的来源,现代核聚变科技也在节能减排、减少对化石能源的依赖方面扮演着越来越重要的角色。

而核裂变则在能源产出的同时,产生了较多的核废料,需要做好废弃物的处理和回收利用。

除了研究原子核的组成和反应,核物理学还涉及到核能和核技术等方面的应用。

核能是一种清洁、高效的能源,可以作为替代化石能源的一种选择。

核技术的应用领域则包括放射性同位素的应用和核医学等。

粒子物理学粒子物理学是研究基本粒子和它们之间的相互作用的学科。

基本粒子是不可再细分的,是物质的最基本单位。

粒子物理学研究的粒子包括电子、质子、中子、光子等等。

粒子物理学的发展史可以追溯到20世纪初,爱因斯坦的光电效应使玄学小道无从下手,需要从本质上认识电子,而不是仅从它们如何运动来理解。

因此,人们提出了微观领域的量子力学和相对论等新的理论框架,进一步推进了粒子物理学的发展。

当前,粒子物理学的热门研究领域包括宇宙学、粒子加速器、弦理论等。

宇宙学研究宇宙的起源和演化过程,是一种广泛的交叉学科,涉及到天文学、粒子物理学和地球科学等。

粒子物理学中的基本粒子探测技术

粒子物理学中的基本粒子探测技术

粒子物理学中的基本粒子探测技术粒子物理学是物理学的重要分支之一,它主要研究各种基本粒子之间的相互作用、性质及其规律。

探测技术是粒子物理学中不可或缺的一个重要部分。

粒子物理学需要借助探测技术收集、测量基本粒子的性质与行为,从而推进粒子物理学的发展和进步。

本文将介绍粒子物理学中的基本粒子探测技术,包括探测器的分类、探测器的组成结构、探测原理及其应用。

一、探测器的分类探测器是粒子物理学中进行探测的主要工具。

探测器按照其原理,可以分为以下几类。

1. 材料探测器材料探测器是利用基本粒子在材料中沉积能量,经过电离过程产生载流子的原理。

最常见的材料探测器就是测量辐射的GM计数器。

同时,用于探测粒子径迹经过的凝胶、液体或气体也属于材料探测器,比如伽马射线探测器、电离室等。

2. 半导体探测器半导体探测器是利用基本粒子在半导体中放电,将芯片内的电子引入电路的原理。

半导体探测器具有极高的分辨率和精度,用于探测高能粒子的径迹和电荷。

一些常见的半导体探测器有硅器件和锗器件。

3. 闪烁体探测器闪烁体探测器是利用反应后产生的光子发出强烈的闪烁光,通过探测器探测光子的原理。

闪烁体探测器广泛用于探测中子、伽马射线、X射线、带电粒子等,如闪烁计数器、正电子探测器等。

4. 气体探测器气体探测器利用基本粒子在气体中产生电离,在电场作用下引起电流变化,从而进行探测的原理。

气体探测器通常用于探测高能粒子,如闪烁室、多丝电晕计数器等。

二、探测器的组成结构探测器是粒子物理学中进行探测的主要工具,其基本组成结构包括探测器外壳、前端电子学、计算机控制系统等。

1. 探测器外壳探测器外壳是指保护探测器内部的外部结构,具有良好的密封、隔绝和抗辐射能力。

不同的探测器具有不同的外壳材料和结构。

2. 前端电子学前端电子学是指探测器信号的处理和放大电路,包括前置放大器、信号形成器、可编程逻辑数组(FPGA)等,用于将探测器探测到的信号进行放大和处理,并输出数字信号。

天体物理学中的粒子物理与核物理应用研究

天体物理学中的粒子物理与核物理应用研究

天体物理学中的粒子物理与核物理应用研究引言:天体物理学是研究宇宙的物理学分支,关注于探索星系、星云、恒星、行星和其他在宇宙中存在的天体的性质、形成和演化。

而在天体物理学中,粒子物理和核物理的应用研究起着重要的作用。

粒子物理学是研究基本粒子及其相互作用的学科,核物理学则研究原子核的构成、性质以及核反应等。

本文将结合这两个学科,详细解读相关定律、实验准备及过程,并探讨其在天体物理学中的应用。

一、粒子物理学中的定律及其应用1. 等离子体物理学等离子体物理学是研究等离子体(一种高温、高能量状态下电离的气体)的物理学。

其中,等离子体的行为和性质可以通过玻尔兹曼方程、电荷守恒、能量守恒和电流连续性等定律来描述。

实验准备和过程中,可以使用电离室、等离子体反应室等设备来产生和研究等离子体。

而在天体物理学中,等离子体物理学的应用非常广泛。

例如,太阳的外大气层就是一个重要的等离子体环境,研究它的行为有助于了解太阳的物理过程,以及太阳风的产生和演化。

2. 强子物理学强子物理学是研究强子(如质子、中子)和它们的相互作用的学科。

在强子物理学中,有一系列重要的定律,如量子色动力学(QCD)、强相互作用等。

实验中,可以利用粒子加速器、探测器等设备来研究强子的性质和相互作用。

在天体物理学中,强子物理学的应用也非常重要。

例如,宇宙射线是高能粒子,研究其起源和能量来源有助于理解宇宙的演化,并且提供了关于星系和星云形成的信息。

3. 弱互作用弱互作用是粒子物理学中的一种重要相互作用,描述一类粒子的衰变过程。

其定律可以通过费曼规则和费密理论来解释。

在实验中,可以通过大型强子对撞机等设备来产生并研究弱互作用。

在天体物理学中,弱互作用在中子星的形成和爆发过程中起着重要作用,研究此过程有助于揭示中子星的内部结构和演化历史。

4. DIM物理学暗物质与暗能量是目前宇宙学中的两个重大问题,而粒子物理学中的暗物质与暗能量研究正是解决这些问题的关键。

实验准备和过程中,通常使用大型真空室、粒子探测器、探空器等来探测和研究暗物质。

粒子与核物理实验方法

粒子与核物理实验方法

粒子与核物理实验方法粒子与核物理实验方法是研究微观世界的重要手段。

本文将介绍粒子与核物理实验方法的基本原理和常用技术,以及它们在物理研究中的应用。

通过此文,读者将能够了解到粒子与核物理实验方法的工作原理和实验设计,以及其在科学研究和技术应用领域的重要性。

一、粒子与核物理实验方法的基本原理粒子与核物理实验方法是通过研究微观粒子的性质和相互作用来揭示物质的本质和宇宙的构成。

这些实验方法基于量子力学的基本原理,以测量微观粒子的能量、动量、质量、电荷、自旋等物理量来研究它们的性质和相互作用规律。

常见的粒子与核物理实验方法包括粒子加速器、探测器和数据分析等。

二、粒子加速器粒子加速器是粒子与核物理实验中常用的重要设备,用于将带电粒子加速到高能量。

常见的粒子加速器有环形加速器(如质子对撞机)、直线加速器和离子激发器等。

粒子加速器的工作原理是利用电场和磁场对带电粒子进行加速、聚焦和束流,使其达到所需的能量和强度。

通过调节加速器的参数,可以实现对不同类型粒子的加速,进而进行粒子碰撞实验和探测。

三、探测器探测器是粒子与核物理实验中用于测量和记录微观粒子的性质和相互作用的重要装置。

常见的探测器包括射线探测器、计数器、闪烁体、半导体探测器和气体探测器等。

这些探测器可以测量带电粒子的轨迹、能量沉积、衰变产物等信息,并将其转化为电信号进行放大和记录,以便进一步分析和研究。

探测器的精度和分辨率直接影响实验的准确性和可靠性。

四、数据分析数据分析是粒子与核物理实验中的重要环节,通过对实验数据的处理和分析,可以得到有关微观粒子性质和相互作用的相关信息。

数据分析包括数据筛选、噪声去除、背景估计、信号提取、事例重建和参数拟合等。

通过适当的算法和统计方法,可以从庞大的实验数据中提取有用的物理信息,并进行物理建模和理论验证。

五、粒子与核物理实验方法的应用粒子与核物理实验方法在科学研究和技术应用领域具有广泛的应用价值。

在科学研究方面,粒子物理实验方法可以用于研究基本粒子的性质和相互作用,揭示物质的微观结构和宇宙的起源。

高能物理实验中粒子探测器技术进展

高能物理实验中粒子探测器技术进展

高能物理实验中粒子探测器技术进展摘要:粒子探测器是高能物理实验中不可或缺的重要工具,它们的发展对于我们深入研究粒子物理学领域至关重要。

本文将介绍近年来高能物理实验中粒子探测器技术的一些关键进展,包括探测器的类型、性能指标的提升以及前沿研究的方向。

引言:粒子探测器是研究微观粒子行为的有力工具,广泛应用于高能物理实验、核物理实验以及宇宙学等领域。

随着科学技术的不断进步,探测器的类型不断丰富,性能指标也不断提高。

本文将重点介绍高能物理实验中粒子探测器技术的进展。

一、探测器的类型1. 气体探测器:气体探测器是最早应用于粒子物理学实验的一种探测器。

离子化位移室(Ionization Chamber)和多丝比例计数器(Multi-Wire Proportional Counter)是目前较常见的气体探测器类型。

气体探测器具有较高的探测效率和粒子鉴别能力,广泛应用于粒子物理学实验。

2. 半导体探测器:半导体探测器利用半导体材料的特性,通过电子或空穴的电离产生电流信号。

硅(Si)和锗(Ge)是最常用的半导体材料。

由于半导体探测器具有较高的能量分辨率和较低的阈值,它们广泛应用于高能物理实验,如大型强子对撞机(LHC)等。

3. 电子学探测器:电子学探测器利用电荷耦合器件(CCD)和硅条或像素探测器等技术,将粒子的能量和位置信息转化为电荷信号,并通过电子学装置进行快速读出和处理。

电子学探测器具有高灵敏度、高分辨率、高速度等特点,非常适用于高精度测量。

4. 磁吸附探测器:磁吸附探测器利用磁场对带电粒子的弯曲轨迹进行测量。

磁吸附探测器可精确测量粒子的动量和电荷,被广泛应用于高能物理实验。

二、性能指标的提升1. 空间分辨率:粒子在探测器中的径迹可以提供有关粒子类型和性质的信息。

通过改进探测器的结构和材料,可以提高其空间分辨率。

近年来,采用更细的探测器单元和更高分辨率的读出电子学设备,将探测器的空间分辨率提升到亚毫米水平。

2. 能量分辨率:能量分辨率是评价探测器测量能力的重要指标之一。

核物理和粒子物理的基本概念和应用

核物理和粒子物理的基本概念和应用

核物理和粒子物理的基本概念和应用核物理和粒子物理是研究原子核和粒子的性质和相互作用的学科。

在这个领域里,人们通过实验来探索细微的世界,探索物质构成的本质,进而推动科学技术的发展。

一、核物理的基本概念核物理是研究原子核的性质和相互作用的学科。

原子核是由质子和中子组成的粒子团,是构成原子的基本组成部分之一。

原子核内部的质子和中子之间通过强相互作用来维持稳定性。

核物理的实验研究主要有两个方向:核反应和放射性衰变。

核反应是指核粒子间的相互作用,并且在此过程中发生质量和能量的转移现象。

放射性衰变是原子核放射出一个或多个核粒子,以获得更稳定的状态。

核物理在能源产生、医学、工业等领域都有重要的应用。

二、粒子物理的基本概念粒子物理是研究微观粒子的性质和相互作用的学科。

基础粒子是构成物质的基本成分,包括夸克和轻子两种类型的粒子。

夸克是一种具有半整数自旋的基础粒子,轻子则是具有整数自旋的基础粒子。

粒子物理的实验研究主要有两个方向:高能物理和粒子天文学。

高能物理研究相互作用强度高,静止质量重的元素,通过对粒子加速器和探测器的使用来研究。

粒子天文学研究宇宙中的高能粒子物理现象,如黑洞、射电星等。

三、核物理和粒子物理的应用核物理和粒子物理的应用非常广泛,其中一些应用在现代科技中起着至关重要的作用。

1.核能核能是核物理的最核心应用之一。

核反应可以提供巨大的能量,例如在核聚变反应中,两个轻原子核合成一个更重的核,这个过程释放出大量的能量,可以用于制造发电机和其他用途。

2.医学在医学方面,放射性同位素广泛应用于医疗诊断和治疗。

医学方面的核物理研究主要包括医学影像学和放射治疗两个方向。

3.物质研究核物理和粒子物理应用于物质研究方面,能够帮助人们对原子的结构和原子核内部的相互作用进行研究。

这对于发现新材料和改进现有材料的性能有非常关键的作用。

4.核武器核武器是核物理的另一种应用,通过核武器可以产生强大的威力,然而,在使用核武器方面,其副作用也是不可避免的。

大学物理中的核物理实验方法与应用

大学物理中的核物理实验方法与应用

大学物理中的核物理实验方法与应用核物理是研究原子核及其内部结构、性质和相互作用的学科分支。

在大学物理课程中,核物理实验是不可或缺的一部分,它通过实验手段来验证理论,深化学生对核物理的理解。

本文将介绍一些常见的核物理实验方法与应用。

一、粒子探测器在核物理实验中,粒子探测器是最常用的工具之一。

粒子探测器能够探测和测量粒子的运动轨迹、能量、电荷等信息。

根据粒子的类型和能量范围,常用的粒子探测器包括宇宙线探测器、闪烁体探测器和半导体探测器等。

这些探测器广泛应用于核反应、核衰变、核素鉴别等实验中。

二、质谱仪质谱仪是一种常见的核物理实验设备,用于测量粒子的质量和相对丰度。

质谱仪基于粒子在磁场中轨迹的偏转原理,通过测量粒子质荷比,可以确定粒子的质量。

质谱仪广泛应用于同位素分离、元素分析和质量测量等领域。

三、核反应实验核反应实验是核物理实验中的重要组成部分。

通过控制入射粒子的能量和角度,可以研究核反应的截面、产物分布以及反应机制。

核反应实验在核能利用、新元素合成等方面具有广泛应用。

四、核磁共振核磁共振是一种重要的核物理实验技术,广泛应用于化学、医学等领域。

核磁共振通过测量核自旋的共振吸收或辐射,可以获得样品的结构、化学性质等信息。

核磁共振技术在材料研究、医学影像等方面取得了显著的成就。

五、放射性测量放射性测量是核物理实验中的一项重要内容。

通过测量放射性核素的衰变规律、活度等参数,可以得到核素的半衰期、衰变方式和辐射特性。

放射性测量广泛应用于环境监测、核安全、医学诊断等领域。

六、核物理应用核物理实验不仅可以用于基础研究,还具有广泛的应用价值。

核物理应用包括核能利用、核医学、核辐照技术等方面。

核能利用通过核反应来获得能量,广泛应用于核电站和核动力船舶等领域。

核医学利用放射性同位素进行医疗诊断和治疗,为现代医学提供了重要工具。

核辐照技术用于材料改性、食品辐照和放射性同位素生产等方面。

七、实验安全与环保在进行核物理实验时,实验安全和环保至关重要。

粒子物理实验

粒子物理实验

粒子物理实验粒子物理实验是通过对微观世界中的基本粒子进行观测和研究,以揭示宇宙的本质和构成。

本文将介绍粒子物理实验的基本原理、常用探测器以及一些具有代表性的实验项目。

一、粒子物理实验的基本原理粒子物理实验的基本原理是通过加速器或天然辐射源获得高能粒子束,然后使用相应的探测器对粒子进行探测和测量。

实验中通常使用以下几种探测器。

1. 跟踪探测器跟踪探测器用于测量粒子在磁场中运动的轨迹,常见的设计包括比例室、多丝室和半导体探测器。

通过测量轨迹,可以得到粒子的动量和荷质比等重要信息。

2. 能量测量器能量测量器用于测量粒子的能量,常用的方法包括闪烁体探测器、铅玻璃计数器和电磁量能器。

利用这些探测器,可以测量γ射线、β射线和电子等粒子的能量。

3. 强子鉴别器强子鉴别器用于鉴别不同种类的强子,常见的探测器包括Cerenkov 探测器和吞噬探测器。

通过测量粒子在介质中产生的Cerenkov辐射或引起核子的质量损失,可以区分质子、中子和π介子等粒子。

二、常用的粒子物理实验探测器1. 大型强子对撞机(LHC)LHC是目前世界上能量最高的粒子加速器,位于瑞士和法国边境。

LHC采用双环结构,通过加速和对撞质子束,在高能条件下进行粒子物理实验。

LHC的主要实验项目包括ATLAS和CMS等。

2. 夏威夷深空观测台(Auger Observatory)Auger Observatory位于阿根廷的普埃尔托利奇诺,是世界上最大的射电望远镜阵列之一。

它利用高能宇宙射线与大气层碰撞产生的粒子进行观测,以研究宇宙射线的起源和性质。

3. 天体中微子探测器(Super-Kamiokande)Super-Kamiokande位于日本,是一座湖中深埋的巨大水池,用于探测宇宙中的中微子。

通过测量中微子与水分子发生的弹性散射或库仑散射,研究中微子的质量、振荡和相互作用等。

三、具有代表性的粒子物理实验项目1. 核子的结构研究核子的结构研究是粒子物理学的重要领域之一。

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俄歇电子 俄歇电子能量比 粒子和内转换电子能量低。 俄歇效应与x射线发射是互相竞争的两个过程。 原子内壳层失去一个电子出现一个空穴时,外 壳层电子就可能跃迁来填补空穴,同时发射x射 线。若不发射x射线而将能量交给另一个壳层电 子,使其克服结合能而发射出去,这个过程就 是俄歇效应,打出的电子就是俄歇电子。
3. 同位素中子源
放射性同位素放出α粒子或光子,与轻核反应产生 中子。
从许多普通放射性核素的直接衰变可以得到具有相 当能量的粒子,所以可以把发射粒子的同位素与适 当的靶物质混和起来,制成小的自给中子源。 4 9 12 1 Be C n Q=5.17MeV
2 4 6 0
4. 光致中子源
64 64 e
丰质子核发生+衰变和EC是相互竞争过 程,各有一定的几率。 如: 发生EC的几率 发生+衰变的几率
22Na
65Zn
10%
98.5%
90%
1.5%
粒子能谱是连续谱
三个过程都涉及三个物体:粒子、中微子和反冲核,由于 衰变过程中能动量守恒,能量在三体中分配是任意的。所以 粒子的动量由零到最大都有,粒子能谱是连续谱。

电子加速器 如BES、LEP等,加速后的电子能量可达GeV量 级。
光电子、x射线、俄歇电子
四、重带电粒子



质子 H原子核,mp=938MeV=1836me, 带1个正电荷。 粒子 He原子核,由2个质子和2个中子组成 ,带2个正电荷。 衰变 A≥200的原子核可能自发发射 粒子
A Z
- 15
m, 原 子 核 半 径 常 数
15
U原 子 核 半 径
R 1 .2 1 0

3
2 3 8 7 .4 fm
2. 核物质密度

M V

Au 4 3
( r0 A
1/ 3
)
3

A 1 .6 6 1 0 4 3
27
kg
2 .3 1 0
14
g / cm
3
N
1 2
N 0 N 0e
T1 / 2
放射性原子核数目衰减到一半所需的时间

平均寿命:
1,
1

t 时,
N
1 e
N 0 N 0e
r0 A
3
1cm 的 核 物 质 大 约 有 2 亿 吨 重 ! !
3
3. 原子核的结合能
原子核质量总是小于构成它的核子质量之和。定义两者之差 m为质量亏损。质量亏损越大,核子结合得越紧密,原子 核越稳定。
以 H e为 例 M ( H e ) 2 M ( H ) 2 M
4 4 n
M ( H e)
2

核裂片 重核裂变产生两个裂变碎片。根据动 量守恒,每个碎片向相反方向发射。是带多电 荷的正离子。 如235U吸收一个慢中子裂变产生两个裂片。
235
U n 92
236
U 92
*

143
Xe 54
90 38
Sr 3n



一个235U原子核吸收一个中子裂变成两个 具有大约相等质量的原子核。由平均结合能 曲线,新生原子核的平均结合能比235U大。 近似认为每个核子的平均结合能增加 1MeV,总的结合能增加约200MeV。这 是一个C原子燃烧时释放化学能4eV的 5000万倍! 重离子 Z>2的离子,核裂片是其中一种, 存在于宇宙线中。也可以通过把原子的核外 电子直接剥离产生,一般用重离子加速器产 生并加速,以增加其能量。


热中子能量
E n kT 1.38 10
16
erg / K 293 K
0
0
0.0253 eV

估算其速度
E 1 2 mnv2ຫໍສະໝຸດ 0 .0 2 5 3 e V
m n 940 M eV / c
2
v 2200m / s
2. 加速器中子源 通过核反应产生中子 主要有:(d, n)、(p, n)、(α, n)、(, n) 最常用的是T ( d, n ) 4He
9 4 2 1
光子能量>10MeV
8 1
Be h 4 Be 0 n H h 1 H 0 n
1 1
Q 1 . 666 MeV Q 2 . 226 MeV
许多超铀重核素具 有自发裂变几率, 每次裂变时发射几 个快中子。最常见 的源是252Cf 裂变 中子源。10g 252Cf 自发裂变中子产额 为:3×107中子/秒 平均能量为1.5MeV
二、原子核及其性质

原子核由质子和中子组成。质子和中子统称为核子。 A Z N 原子核的核子数
质子数 中子数
因质子和中子的质量都接近一个原子质量单位,故原 子核的质量接近A个原子质量单位。
1u 1 . 660 10

27
kg 931 . 5 MeV / C
2
核素:有确定的质子数Z和核子数A的原子核。 A 表示符号: Z X N 12 12 C 6 简写为: 如碳原子核 C 6
五、射线和x射线


电磁波,静止质量为0,具有波粒二象性。 波长比普通光波短很多, 波长<x 波长,粒 子性更突出,常称光子。 能量 动量 h h hc
E h

P

c

h 普朗克常数,v 振动频率,c 光速, 波长
E hc


12400
( )

( eV )

同位素:Z相同,N不同的核素,处于元素周期表中 同一个位置,有相同的化学性质。 例: H H H
1 2 3 1 1 1
氘D 9 9 .9 8 5% 稳定 0 .0 1 5% 稳定
氚T 微量 1 2 .2 6 年
原子核性质: 1. 原子核的大小 经验公式

R r0 A 如
238
1/ 3
r0= 1 . 2 1 0
一些纯电子源
同位素
3H 14C
端点能量 (KeV)
18.6 156
半衰期 (年)
12.26 5730
33P
90Sr 90Y 99Tc
248
546 2283 292
24.4天
27.7 64小时 2.1*105

内转换电子 处于激发态的原子核通过把能量交给核外电子 退激发,核外电子把获得能量的一部分用以克服结合能,其 余作为电子的动能脱离原子。能量从keV 到MeV,为单能。
4
( 2 1 .0 0 7 8 2 5 2 1 .0 0 8 6 6 5 4 .0 0 2 6 0 3) u 0 .0 3 0 3 7 7 u E mc
2
相应的能量
E M c 2 8 .3 M e V
2
4. 比结合能:每种原子核的结合能除以这种原子核的核子 数,得到每一个核子的平均结合能,亦称比结合能。平 均结合能越大,核子结合的越紧密,原子核越稳定。 5. 原子核反应用方程式表示: a(入射粒子)+A(靶核)b(出射粒子)+B(剩余核)+Q 或简写成 A(a,b)B 实验表明任何一个核反应,箭头两边的总电荷数Z和总 质量数A必须相等;反应前后体系的总能量(静止能量 和动能之和)不变,总动量不变。 Q值>0的反应,放热反应; Q值<0的反应,吸热反应。
4. 韧致辐射



当快电子与物质相互作用时,其部分能量转 换成韧致辐射形式的电磁辐射。 转换成韧致辐射的电子能量的份额随入射电 子能量的增加而增加,也随吸收物质的原子 序数的增加而增加。 韧致辐射谱是连续的。
• 特征X射线的产生
处于激发态的原子,内 层电子的跃迁使原子恢复 到最低能态或基态,同时 以发射特征X射线的形式 释放能量,该特征X射线 的能量等于初态与终态间 的能量差。
1) -衰变:含有过多中子的不稳定原子核
A Z
X Z 1Y
A
14

e
反电子中微子

14
C
N e e

实际上是
n p e e

2)+衰变 含有过多质子的不稳定原子核
A Z
X Z 1Y
A
18

e
电子中微子
例 实际上是被束缚的质子
18
7. 原子核核子的平均结合能曲线
较轻和较重原子核的平均结合能比中等重量原子核的平均 结合能小。两个较轻的原子核结合成较重的原子核,发生 聚变反应,释放能量。一个较重的原子核分裂成两个中等 能量的原子核,发生裂变反应,释放能量。
三、电子


m e 511 KeV 质量最轻的稳定粒子。 衰变:原子核内质子和中子互相转换的过程
2.
正反粒子湮灭发射射线。如正电子与负电子 相遇发生湮灭,发射两个方向相反的光子, 光子能量为0.511MeV。
3. 伴随核反应产生的 射线
4 2
Be C n
9 4 12 6 * 1 0

生成的 12 C处于激发态,向低能级跃迁时产 生能量为4.44MeV的 射线。 衰变是原子核本身能态之间跃迁。在衰变 中原子核的电荷和质量数保持不变,只是原 子核内部的能量状态变低了。
12 . 4
( )

( KeV )

1.
射线产生
处于激发态的原子核向低能级跃迁时发射射 线。对实验室中使用的大多数辐射源来说, 受激核态是在放射性母核经、衰变过程中 形成的,所以射线常常伴随、射线产生。
137
Cs
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