原子核和基本粒子简介
核物理与粒子物理：原子核结构与基本粒子
引力与其他基本相互作用的关联
基本相互作用的关联
• 基本相互作用之间可能存在一定的关联，如弦理和M理论等 • 基本相互作用关联的研究有助于揭示物质的本质和宇宙的起源
引力
• 引力是自然界中四种基本相互作用之一，描述了物体之间的引力作用 • 引力在宏观尺度上具有平方反比律和普遍性 • 引力在微观尺度上表现为弯曲时空
电弱相互作用与统一理论
电弱相互作用
• 电弱相互作用是描述电子、光子等粒子之间相互作用的理论 • 电弱相互作用包括电磁相互作用和弱相互作用 • 电弱相互作用是粒子物理研究的重要内容，有助于揭示基本粒子的性质
统一理论
• 统一理论试图将强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用统一在一个框架下 • 目前已有标准模型和超对称理论等统一理论 • 统一理论有助于揭示基本粒子的结构和性质，是粒子物理研究的前沿课题
谢谢观看用
核能在能源领域的应用与挑战
应用
• 核能作为一种清洁能源，在能源领域具 有广泛应用前景 • 核能的应用包括核电站、核供热、核废 料处理等 • 核能的应用对于减少化石能源消耗、降 低温室气体排放具有重要意义
挑战
• 核能发展面临核废料处理、核安全问题、 公众接受度等方面的挑战 • 面对挑战，核能发展需要不断创新和发 展，以推动核能技术的进步和可持续发展
原子核的核力与电磁力
核力
• 核力是原子核内部质子和中 子之间的相互作用力 • 核力具有短程性、饱和性和 交换性 • 核力的主要作用是维持原子 核的稳定
电磁力
• 电磁力是原子核内部质子之 间的电磁相互作用力 • 电磁力远小于核力，但在原 子核尺度上仍具有重要意义 • 电磁力决定了原子核的电磁 性质，如电荷、磁矩等
02
基本粒子的分类与性质
认识化学元素原子的构成
认识化学元素原子的构成化学元素原子的构成是化学领域中的基础知识之一。
通过了解元素原子的构成，我们可以更好地理解和解释化学反应以及物质的性质。
本文将介绍化学元素原子的基本构成以及相关的概念和理论。
一、原子的基本构成在化学中，原子是构成物质的基本单位。
原子由更小的粒子组成，主要包括质子、中子和电子。
1. 质子（proton）：质子是原子核中带有正电荷的基本粒子，其质量为1.67262192×10^-27千克，符号为p或p+。
每个原子的原子核都含有至少一个质子。
2. 中子（neutron）：中子是原子核中没有电荷的基本粒子，其质量与质子相近，为1.674927471×10^-27千克，符号为n。
中子的数量可以不同，不同的元素可能具有不同数量的中子。
3. 电子（electron）：电子是带有负电荷的基本粒子，其质量非常轻，为9.10938356×10^-31千克（约为质子和中子的1/1836），符号为e或e-。
电子存在于原子核外的轨道上，以负电荷平衡原子核的正电荷。
二、原子的结构模型在描述原子结构时，有两种主要的模型：Rutherford模型和量子力学模型。
1. Rutherford模型：Rutherford模型是由欧内斯特·卢瑟福提出的，在此模型中，原子由一个非常小且带有正电荷的核心（含有质子和中子）和围绕核心运动的电子构成。
然而，这个模型无法解释原子中电子的能级分布和轨道运动。
2. 量子力学模型：量子力学模型是基于量子力学理论的，用以描述原子的行为和结构。
根据量子力学模型，电子不存在于确定的轨道上，而是在电子云中运动。
电子云描述了电子在多个可能轨道上存在的概率分布。
三、元素和原子序数每个化学元素都由一种或多种类型的原子所组成。
元素的种类由其原子的质子数决定，称为原子序数（atomic number）。
原子序数为1的是氢元素，具有一个质子；原子序数为2的是氦元素，具有两个质子，以此类推。
17原子核和基本粒子PPT课件
历史回顾重要事件
• 1958：我国建成第一座重水型原子反应堆; • 1964：我国第一颗原子弹试爆成功； • 1967：我国第一颗氢弹试爆成功； • 1969：我国首次成功地下核实验； • 1984：我国受控热核聚变实验装置顺利启动； • 1988：北京正负电子对撞机首次对撞成功； • 1991：秦山核电站发电成功;
3
学习与思考
学而不思则罔， 思而不学则殆。
孔子 《论语·为政》
4
历史回顾重要人物
• H.Becquerel, 法国物理学家 （1852-1908），1903年获 得诺贝尔奖。发现了铀(U) 放射现象，这是人类历史上 第一次在实验室里观察到原 子核现象。
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历史回顾重要人物
• M.Curie，法国物理学家（ 1867-1934），波兰人，1903 年获得诺贝尔奖。发现钋 (Po)和镭(Ra); 她的女儿 (I.Joliot-Curie, 1897-1956)和 女婿(F. Joliot-Curie, 19001958)因发现人工放射性获 1934年诺贝尔奖。
用a 粒子轰击金箔的实
验中，发现有大约八千 分之一的几率被反射。 Rutherford说：“就像一枚15英寸的炮弹打在一张纸 上又被反射回来一样”。 Rutherford认为：正电荷和原子质量集中在原子中心 R10-12cm的范围内。
8
历史回顾重要人物
• J.Chadwick，英国物 理学家(1891-1974)， 1935年因发现了中子 获得诺贝尔奖。中子 的发现被认为是原子 核物理的诞生。
18
历史回顾原子弹
中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图 19
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。
【量子物理学】原子核与基本粒子
古希腊德谟克利特认为宇宙万物都由原子构成，原 子是不可分割、不可破灭的极小而结实的物质单元 .“原 子论”观点对近代原子论有直接和深刻的影响。19世纪 以前，人们都认为构成物质的最小单元是原子。
19世纪末到20世纪初，三个重大发现即电子、x射 线、放射性的发现揭开了近代物理包括原子物理、原子 核物理、粒子物理的序幕。
电子和x射线的发现说明原子有结构，卢瑟福通过
粒子散射实验证实原子由原子核和电子构成，放射
性射线的发现说明原子核还有内部结构。
以后陆续发现了质子、中子，证实原子核是由中 子和质子构成。60年代，理论和实验又证实质子和中 子等粒子还有内部结构，即由夸克组成。夸克是否还 有内部结构？人们还在探索。
原子物理的研究对象是原子核外电子的分布和核 外电子运动运动规律的学科。而原子核物理则以原 子核为研究对象，内容涉及原子核结构、核力性质、 核反应、核衰变以及核技术的应用。比原子核更深 的物质结构层次是基本粒子，粒子物理是研究粒子 的结构、性质、粒子间相互作用和转化规律的学科， 是当前物理学前沿之一。
核磁共振技术在物理、化学、医学、地质等众多领 域都有重要的应用。
三、核力及其基本性质
原子核内质子之间存在很强的静电斥力，力图使核 解体。而万有引力太小，远不能抵消静电斥力而把核子 结合在一起。可见，核子之间必定存在另一种相互作用 力。这种将核子结合在一起形成原子核的相互作用力叫 做核力。研究表明，核力具有如下性质：
理论表明，原子核的磁矩（仿电子自旋磁矩与自 旋角动量关系）
I
gI
e 2mp
LI
gI
e 2mp
I (I 1)h gI
I (I 1)N
gI 称为核的朗德因子，与核的结构有关。 r
什么是核子和原子核
什么是核子和原子核？
核子是构成原子核的基本粒子，包括质子和中子。
原子核是原子的中心部分，由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电。
一、质子
质子是带有正电荷的基本粒子，符号为p+，其质量约为1.673×10^-27千克。
质子位于原子核的中心，质子数决定了原子的化学性质和元素的特征。
例如，氢原子的原子核只有一个质子，氦原子的原子核有两个质子。
二、中子
中子是不带电的基本粒子，符号为n^0，其质量约为1.675×10^-27千克。
中子也位于原子核中，中子数与质子数一起决定了原子核的质量。
中子的存在使得原子核相对稳定，防止质子间的排斥力导致原子核解体。
三、原子核
原子核是原子的中心部分，由质子和中子组成。
原子核具有正电荷，因为质子带有正电荷，而中子不带电。
原子核的大小通常远小于整个原子的大小，而且包含了原子几乎所有的质量。
原子核的直径通常在1到10^(-14)米之间。
原子核的结构和稳定性是物理学研究的重要课题。
原子核内部的质子和中子通过强相互作用力相互吸引，保持原子核的稳定。
然而，当原子核的质子数或中子数超过一定限制时，核力无法克服质子间的排斥力，导致原子核不稳定，发生放射性衰变。
核子和原子核的研究对于理解原子核的稳定性、核反应以及核能的应用具有重要意义。
核子和原子核的性质和相互作用被广泛应用于核物理、核工程、医学影像和放射治疗等领域。
同时，深入了解核子和原子核的结构还有助于我们理解宇宙的起源和演化，以及更深层次的物质结构和性质。
原子核和基本粒子简介
核的统计性质和宇称
统计性质：描述全同粒子交换时波函数的对称性 。两个全同原子核对换，即将两核中的核子一一交换。核子每交换一次，体系波函数改变一次符号（核子是费米子），总的符号改变次数 （-1）A 。
对质量数A为奇数的核，交换两核，体系波函数符号改变，即该种核属费米子。
对质量数A为偶数的核，交换两核，体系波函数符号没改变，即该种核属玻色子。
4.核力与电荷无关
FPn=Fnn=FPP
二.核力的本质---核力的介子论
1.电磁力产生机制
从经典电磁观点看，带电粒子间的相互作用是电磁场传递的。
从量子场观点看，带电粒子间的相互作用是通过交换“虚光子”产生，光子是电磁场中的量子。
交换的光子在传播的过程中，体系变成了三个粒子，如光子能量可观测，则能量不守恒。
01
原子核的密度近似为一常数，而且核的密度非常大。
I ：核自偶核（中子和质子数都为偶数）自旋为零；
奇---偶核自旋为半整数；
核磁矩
奇---奇核自旋为整数；
g 由实验确定，有正有负。
01
02
03
04
05
06
3. 核反应的机制
直接反应:入射粒子直接把能量交给了核内一个核子或核子集团,把这个核子或核子集团敲击出来.
复合核反应：入射粒子和靶核形成一个复合核,复合核再衰变.
2．核反应中的守恒定律
二、核反应中的能量关系
反应能Q 核反应中所放出的净能量.它等于反应前后体系的动能之差。 由粒子的静质量计算Q
Q>0, 放能反应；
3.原子核的质量
原子核的质量，可以由原子质量推算，也可以由核子的数目推算。
原子的质量 = 原子核的质量 + 所有电子质量 – 相当于所有电子结合能的数值（可忽略）。
原子核和基本粒子简介
第21页 共28页
原子内部结构
第22页 共28页
费米子
第23页 共28页
重子和反重子
介子
第24页 共28页
第25页 共28页
• 基本粒子的相互作用
第26页 共28页
1
T1/ 2 ln 2
1.44T1/2
第10页 共28页
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.
A
dN dt
N0e t
A0e t
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
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
第16页 共28页
重核的裂变:
18.4 原子核能的利用
第17页 共28页
原子弹(atomic bomb)
第18页 共28页
轻核聚变:
太阳能
氢 弹 示 意 图
1967年中国爆炸了第一颗氢弹
第19页 共28页
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.
原子核结合越紧密; 也越稳定。
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
低质量时有起伏
质量增大时下降
比结合能图
第6页 共28页
原子核物理学中的基本粒子及其性质
原子核物理学中的基本粒子及其性质原子核物理学是研究原子核结构、性质、变化和相互作用的学科。
在这个领域中，基本粒子是构成原子核的基本单元，它们的性质直接影响着原子核的行为。
本文将介绍原子核物理学中的基本粒子及其性质。
基本粒子原子核由质子和中子组成，它们是原子核物理学中的基本粒子。
此外，还有电子、光子、μ子等粒子，它们在原子核物理学中也发挥着重要作用。
质子是原子核中的一种粒子，具有正电荷，电荷量为+1.602×10-19库仑。
质子的质量约为1.6726×10-27千克。
质子是强子的一种，由三个夸克（两个上夸克和一个下夸克）通过强相互作用结合而成。
在原子核中，质子之间存在着库仑排斥力，这种力使得质子不能过于靠近，从而维持着原子核的稳定性。
中子是原子核中的一种粒子，不带电荷，质量约为1.6749×10^-27千克。
中子也是强子的一种，由三个夸克（一个上夸克和两个下夸克）通过强相互作用结合而成。
中子在原子核中起到饱和作用，使得质子之间的库仑排斥力得以缓解，从而使得原子核更加稳定。
电子是负电荷的基本粒子，电荷量为-1.602×10-19库仑。
电子的质量约为9.10938356×10-31千克。
电子在原子中围绕着原子核运动，与质子之间存在着电磁相互作用。
电子的发现揭示了原子内部结构的秘密，为原子核物理学的发展奠定了基础。
光子是电磁波的基本粒子，不带电荷，质量为零。
光子的静止能量约为8.187×10^-14电子伏特。
光子是电磁相互作用的基本载体，它在原子核物理学中发挥着重要作用，如光子与核子之间的电磁相互作用。
μ子是一种轻子，带有负电荷，电荷量为-1.602×10-19库仑。
μ子的质量约为1.8835×10-28千克。
μ子与电子相似，但在原子核物理学中，μ子的作用相对较小。
基本粒子的性质基本粒子的性质包括质量、电荷、自旋、寿命等。
这些性质决定了基本粒子在原子核物理学中的行为。
大学物理学习指导 第12章 原子核及基本粒子简介
第12章 原子核及基本粒子简介12.1 内容提要（一）原子核的组成及其基本性质 1.原子核的组成原子核是由质子、中子构成的。
质子带正电荷，中子不带电，质子和中子统称核子。
与核的质量最接近的整数称为原子核的质量数，原子核的质量数等于质子数与中子数之和。
一般用符号X AZ 表示原子核，其中X 为元素符号，Z 为质子数。
同位素是指质子数相同但中子数不同的同一元素的不同原子核。
2.原子核的半径与质量数的关系310A R R = （12.1）式中R 0为常数，数值为1.2～1.5×10—14m 。
3.原子核的自旋动量矩π2)1(hI I P I += （12.2） 式中I 表征核自旋动量矩的量子数，可取0，1/2，1，3/2…等。
4.质子、中子的磁矩 常用核磁子μp 表示，即227pp m A 1005.5π4⋅⨯==-m ehμ 质子的磁矩为2.79μp ，中子的磁矩为－1.91μp ，负号表示中子的自旋动量矩与磁矩的方向相反。
5.质量亏损；原子核内各核子自由存在时的质量与原子核的质量的差值。
若干个质子和中子结合成核时，必有能量放出，可表示为2n p ])([c m m Z A Zm E A --+=∆ （12.3）式中m p 、m n 、m A 分别为质子、中子和原子核的质量。
（二）原子核的放射性衰变 1.定义某些元素的原子核能自发的放出一些粒子而转变为一种新的原子核的过程叫做衰变。
这些元素叫做放射性元素，有天然放射性元素和人工放射性元素两种。
放射性元素衰变后放出的射线有三种：α、β和γ射线。
α衰变Q AZ++→He Y X 424-A 2-Z（12.4） 式中Q 表示核衰变过程所释放出的能量，即衰变能。
α衰变放出的射线实际上是高速的氦原子核流。
β衰变 Q e A AZ+++→+νY X 0001-1Z （12.5）Q e A A Z +++→+-νY X 00011Z （12.6）β衰变放出的射线是高速的电子流或正电子流，同时还可放出中微子vγ衰变：γ衰变是一种核释放光子的衰变，一般伴随着前两种衰变而产生，它不引起核结构的变化。
原子核及基本粒子简介PPT课件
负脉冲的平均频率
I
n1 n2
I0
正比于放射性活度 （I0 标准物放射性活度。）
第13页，共18页。
§12.3 放射生物物理学简介
电离辐射可产生多种生物学作用,例:
促使细胞分裂和生长
治疗或导致肿瘤 诱发遗传变异
消灭病虫害和疾病诊断等
一.电离辐射的直接作用和间接作用
直接作用: 损伤生物体内某一特殊的生物结构体(如DNA) 间接作用: 通过内部传递或能量释放引起其它生物结构损伤.
A Z
X
ei Z A1Y
v
例：
V 47
23
ek
4272Ti
v
第9页，共18页。
3. 衰变 衰变是原子核进行能级跃迁时放出的光子流或电磁辐射。
说明
衰变总是伴随着、衰变。
衰变只涉及到原子核各能级间的跃迁，原子核的质量和电荷都不发生变
化。
N
三. 放射性衰变规律
N0
1. 指数衰变率：
设d t 时间内有d N个原子发生衰变，则：
生物机体效应阶段 :产生宏观的生物体效应.
( 数秒 若干年 )
三.辐射生物学效应的特点
不存在阀植剂量
辐射能量高效率
第15页，共18页。
四.放射剂量
照射剂量
X dQ dm
(X单位:伦琴.符号:R)
吸收剂量
D dE (D单位:格雷.符号:Gy)
dm
相对生物效应
RBE
产生一定生物效应的X射线的吸收剂量 产生相同生物效应的其他射线的吸收剂量
氢弹爆炸
二. 原子核的衰变
实验发现，各种放射性元素放出的射线包括三种不同的射线，分 别命名为： 、、 射线。放射出这三种射线的过程称为衰变。
17原子核和基本粒子讲解
核磁子
N
e 2m p
中子的磁矩 n 1.91 N 原子核有磁矩 J gJ 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。
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)
14 7
N
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
1 1
H
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。
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。
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
dN Ndt 或 dN dt
N
表征衰变快慢的常数（衰变常数）
t=0，N=N0 N N0et
放射性衰变定律
dN
N
dt
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。
二、几种主要的衰变方式
原子的组成和结构
原子的组成和结构一、什么是原子原子是物质的基本单位，是构成化学元素的最小粒子。
它由一个带正电的中心核和围绕核运动的带负电的电子组成。
核由质子和中子组成，而电子则是带负电的基本粒子。
二、原子的组成原子由三种基本粒子组成：质子、中子和电子。
1. 质子质子是原子核中的一种粒子，具有正电荷。
它的质量约为 1.6726 × 10^-27 千克。
2. 中子中子是原子核中的一种粒子，它不带电。
它的质量约为1.6749 × 10^-27 千克。
3. 电子电子是带负电荷的基本粒子，其质量远小于质子和中子。
它的质量约为9.109 × 10^-31 千克。
三、原子的结构原子的结构是由核和电子组成的。
核位于原子的中心，其中质子和中子构成了核的质量，电子则围绕核运动。
1. 核核是原子的中心部分，由质子和中子组成。
质子带正电，中子不带电。
由于正负电荷相吸引，使得核能够稳定存在。
2. 壳层原子外部的电子围绕在几个不同的能量水平上，这些能级被称为壳层。
第一层最接近核，电子数最多为2；第二层能容纳的电子数最多为8；以此类推，每个壳层的电子数有一定的限制。
3. 原子序数原子序数是一个元素特有的标识符，它代表了一个元素中所包含的质子数，也就是核的正电荷数。
原子序数决定了元素的化学性质和元素周期表中元素的排列顺序。
4. 电子云电子云是指原子中电子所占据的空间区域。
由于电子具有粒子和波动的性质，无法准确描述其精确位置，而是以一种分布的概率来描述。
因此，我们常将电子云比喻为一个模糊的“云”。
四、原子的稳定性原子的稳定性取决于核内质子和中子的数量。
稳定的原子核需要满足核内质子和中子的比例。
1. 核力核力是一种负责维持原子核稳定的力量。
它是一种强相互作用力，能够克服质子之间的库仑排斥力，保持核的结构的稳定。
2. 合理的质子中子比例一个稳定的原子需要具备合理的质子和中子的比例。
对于较轻的元素，质子和中子的数量通常相等。
第十六章原子核物理与基本粒子简介ppt课件
四个常见的重要轻核聚变反应
2 1
H
21H23
He
01n
3.25MeV
2 1
H
2 1
H31
H11H
4.0MeV
2 1
H
31H
4 2
He
1 0
n
17.6MeV
2 1
H
3 2
He42
He11H
18.3MeV
以上四个反应的总效果是
说明
621H 242 He 211H 201n 43.15MeV
(1) 1kg 的氘核聚变时，放出的能量是 1 kg 铀裂变时放出能
++
四、强子结构的夸克模型
强子结构夸克模型 (1964年 )
重子 介子
三个夸克组成 夸克和反夸克组成
下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s 粲夸克 c 底夸克 b 顶夸克 t
夸克
质量
电荷 e
自 旋
重 同 同位 子 位 旋分 数旋 量
奇 异 数
超荷
粲底顶 数数数
d 下夸克 0.008 -1/3 u 上夸克 0.004 2/3
独立地在一个静止的平均势场中运动的假设过于简化。 3. 集体模型
在50年代初，丹麦物理学家玻尔等人提出了在考虑单粒子 独立运动的同时，还必须考虑原子核发生转动和振动等集 体运动的新模型 —— 集体模型，或称为综合模型。
16.3 原子核的结合能 裂变和聚变
一、原子核的结合能
1. 原子核质量亏损 原子核质量小于组成核的所有核子静止质量之和，二
时释放出极大能量。
例
235 92
U
吸收一个中子，一个可能的反应过程
235 92
什么是核子和原子核
什么是核子和原子核？核子是构成原子核的基本粒子。
核子包括质子和中子，它们都是具有质量的带电粒子。
质子带正电荷，中子不带电荷。
质子和中子都是由更基本的粒子组成的，即夸克。
原子核是原子的中心部分，由质子和中子组成。
原子核质量通常占据整个原子质量的绝大部分。
原子核与电子互相吸引形成稳定的原子结构。
原子核的直径非常小，通常在10^-14到10^-15米的数量级。
原子核的密度非常大，其中质子和中子紧密堆积在一起。
原子核的密度约为10^14克/立方厘米。
原子核的质量由其中的质子和中子贡献。
质子和中子的质量都约为1.67 × 10^-27千克。
根据质能关系（E=mc^2），原子核中的质量可以转化为能量。
这就是核能的来源，也是核反应和核能技术的基础。
原子核的稳定性是由质子和中子的数量以及它们之间的相互作用决定的。
稳定的原子核具有适当的质子和中子比例。
质子和中子通过强相互作用相互吸引，维持原子核的稳定性。
然而，当原子核的质子和中子比例偏离一定范围时，原子核就会变得不稳定，可能发生放射性衰变。
原子核的性质和行为是通过核物理学来研究的。
核物理学是研究原子核结构、核反应和核能等现象的科学领域。
通过实验和理论模型，核物理学揭示了原子核的内部结构、核衰变、核裂变和核聚变等重要过程。
总结起来，核子是构成原子核的基本粒子，包括质子和中子。
原子核是原子的中心部分，由质子和中子组成。
原子核的质量占据整个原子质量的绝大部分，其稳定性由质子和中子的数量和相互作用决定。
核物理学是研究原子核性质和行为的科学领域。
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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.
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
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。
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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
U
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.
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
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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:
+
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.
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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)
Байду номын сангаас
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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.
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)
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
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
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:
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).
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
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
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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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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