原子核和基本粒子简介

发现中子的核反应:
A a B b 14 17 7 N 8O p 9 12 Be 4 6C n
核反应的两种主要机制: 复合核和直接作用 复合核机制: 第一步是入射粒子与靶粒子形成复合核. 第二步处于激发态的复合核再衰变成几个 粒子. 直接反应: 1. 2. 3. 4. 5. 库仑散射和库仑激发 核势散射 表面散射 表面嬗射 削裂和掇拾反应
1伦琴(R) = 使1千克空气中产生2.5810-4 库仑的电量的辐射量 1拉德(rad) = 1克受辐射物质吸收100尔格的辐射能量
1戈瑞(Gy) = 1千克受辐射物质吸收1焦耳的辐射能量
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例题1: 在考古工作中,可以从古生物遗骸中14C的含量推算 古生物到现在的时间 t. 设是古生物遗骸中 14C和12C存量 之比, 0是空气中14C和12C存量之比试推导出下列公式:
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原子内部结构
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费米子
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重子和反重子
介子
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• 基本粒子的相互作用
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放射源
铅盒
贝克勒尔
放射性: 发射射线的性质. 放射性元素: 具有放射性的元素. 放出射线后, 元素的性质发生变化.
居里夫妇
209 84
Po
226 88
Ra
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• 天然放射线的种类及其其性质: 粒子: 高速氦核流 2 4 He 粒子: 高速电子流 0 -1 e 射线: 高频电磁波(高能光子流)
t T1 2
式中T1/2为14C的半衰期.
0 ln
ln 2
解: 活体中, 14C和12C之比与大气相同.
0 e
t
0 e

ln 2 t T1 / 2
t T1/ 2
0 ln
ln 2
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18.2.3 位移定则 原子核的衰变 : 一种元素经放射过程变成另一种元素的 现象, 称为原子核的衰变. 原子核衰变时电荷数和质量数都守恒 , 但质量不守恒 (爱 因斯坦的质能关系解释). 衰变规律(位移定则): 衰变: 衰变:
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• 核子的符号表示：
A Z
X
Z——质子数 N——中子数
A——核子数 (nucleon number)
例
4 2
16 He, 14 N, 7 8 O, ...,
235
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同位素(isotope)：Z相同而A不同的核素. 1 2 3 H, H, 1 1 1H 同量异位素(isobar)：A相同而Z不同的核素.
18.1 原子核的结构和基本组成
• 核子的组成 核子(Nucleon ) 质子 mp=1.007277 u Q=e 中子 mn=1.008665 u Q=0
1 u 1.660566 1027 kg
原子核由质子(proton) 和中子(neutron)组成
• 核子的大小
r0 1.2 1015 m 1.2 fm
Eb A
中等质量最大
获得原子能量的 两条途径: (1) 重核裂变 (2) 轻核聚变
质量增大时下降 低质量时有起伏
比结合能图
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18.2 原子核的衰变和衰变规律
18.2.1 天然放射性现象 天然放射现象 : 某些物质自发地放射出看不见的射线的 现象. 照相底片 1896 年 , 法国科学家 贝克勒尔发现了铀的放 射性现象. 射线
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18.4 原子核能的利用
重核的裂变:
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原子弹(atomic bomb)
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轻核聚变:
太阳能
氢 弹 示 意 图
1967年中国爆炸了第一颗氢弹
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18.5 基本粒子简介
基本粒子线度小,作用距离短,相应动量的不确定性大,研 究工作只有借助于涉及很高的能量 (GeV)才有可能 . 因而 粒子物理也叫高能物理.
N0
T1/ 2 1.44T1/ 2 ln 2 1
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放射性活度A: 放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数目.
dN A N 0e t A0e t dt
单位: 1 贝克勒(Bq) = 1 次核衰变/秒 1 居里(Ci) = 3.71010 贝克勒(Bq) 辐射效应单位
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18.3 核 反 应
核反应: 一种元素在具有一定能量的粒子的轰击下衰变 成另一种元素的现象。 核反应类型: 按轰击粒子的种类分： 中子核反应 带电粒子核反应 光核反应 按轰击粒子的能量分： 低能核反应 中能核反应 高能核反应
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核反应一般表示式: 第一个人工核反应:
A Z A Z 4 4 X A Y z 2 2 He
X
A z 1
Y e
0 -1
衰变: 原子核处于较高能级 , 辐射光子后跃迁到低 能级. 辐射不引起原子核衰变.
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18.2.4 探测放射性现象的方法 核辐射被电离室中的气体吸收, 该气体将发生电离. 电离 探测器即是通过收集射线在气体中产生的电离电荷进行测 量的. 常用的有电离室、正比计数器、盖革-弥勒计数器. 图示为盖革-弥勒计数器工作原理. 测量由每一入射粒子引起电离作用而产生的脉冲式电压 变化, 从而对入射粒子逐个计数, 适合于测量弱放射性.

通过磁场或电 场可以将天然放 射线分离开来 , 并 加以鉴别.



+ + + + + + +

放射源 铅盒
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放射源
铅盒
• 天然放射线的性质及其比较
名称
构成
电量 （e） +2 -1
质量 (u) 4 1/1840
半衰期 T1/2: 放射性原子核衰减到原来数目的一半所需要 的时间. N0 ln 2 0.693 T1 / 2 N 0e T1/ 2 2
平均寿命 ： dN Ndt N 0 e t dt
t dN N0
0
N 0te t dt
+
mp + mn= 2.015942 u
质量亏损:
-
m = (mp + mn) - md = 0.002388 u
结合能Eb: Eb [(mp mn ) md ]c 2 2.224 (MeV)
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• 核力 核力: 把质子和中子纠合在一起, 构成一个个稳定的原子 核(也包括不稳定的原子核)的强大的束缚力.
核力的性质: • 核力是强相互作用: 核力约比库仑力大100多倍 • 核力的短程性：核力的力程为fm量级 • 核力的饱和性：核力具有饱和性 • 核力的电荷无关性：Fpp=Fnn=Fnp • 核力与核子的自旋等也有关.
1 2 3
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• 比结合能
原子核中每个核子的平均结合能:
比结合能越大， 原子核结合越紧密; 也越稳定。
40 18
Ar,
40 20
Ca
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• 原子核的结合能 当所有核子(质子和中子)由于相互吸引聚集成原子核时 , 会释放能量 ,以致出现“质量亏损”,所释放的能量即定义 为原子核的结合能.
氘核(2H):
1 1
H n H
2 1
md= 2.013552 u
mn= 1.008665 u
mp= 1.007277 u
射出 速度 0.1c 0.9c
电离 能力 最强 较强 最弱
贯穿 本领
α
氦核
最弱
较强
β
电子 光子
γ
0
0
c
最强
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18.2.2 原子核衰变的规律 若: t=0时, N=N0；在dt内核衰变数为 –dN :
dN Ndt
其中为比例系数, 表示一个原子核在单位时间内发生衰 变的几率 ——称为衰变常量. 则： t (指数衰变律) N N 0e
高能粒子的获得： • 粒子加速器 • 宇宙射线 粒子加速器是利用 电场来推动带电粒子 使之获得高能量.
位于日内瓦郊外的欧洲核子研究中心(CERN)的加速器: 大环是周长达27 公里的正负电子撞机LEP(Large Electron-Positron Collider), 小环是超级质 子同步加速器SPS (Super Proton Synchrotron).