第十七章--原子核物理和粒子物理简介
高考志愿填报建议大学专业解析--粒子物理与原子核物理
粒子物理与原子核物理一、专业介绍1、概述：粒子物理与原子核物理是以国内外的大型高能物理实验为依托，从理论和实验上研究物质最基本的构成、性质及其相互作用的规律。
其中也包括粒子物理探测新技术和新型探测器的研究；粒子物理理论研究中的计算物理新方法的开发和研究。
这些研究将深化我们对物质世界更深层次基本规律的认识。
在21 世纪，以兴建若干大科学工程为标志，国际上粒子物理与核物理学科正在继续蓬勃发展并面临着重大的突破，必将继续对各国的国防、能源、交叉学科等的发展起重要的推动作用。
2、研究方向：粒子物理与原子核物理的研究方向主要有：01.理论核物理02.实验核物理03.高能物理与粒子物理04.应用核物理05.微机应用与核电子学06.中子物理与裂变物理07.核聚变与等离子体物理08.非平衡态统计物理（注：各大院校的研究方向有所不同，以北京大学为例）3、培养目标：本专业培养研究生具有量子场论、粒子物理、核物理和近代数学的坚实的理论基础和专门知识，掌握射线探测技术及利用计算机在线获取数据和分析数据的方法，或能使用计算机进行理论研究。
了解该学科发展动态和前沿进展，能够适应我国经济、科技、教育发展需要，并具有独立从事该学科前沿研究和专业教学的能力。
还应较为熟练地掌握一门外国语，能阅读本专业的外文资料，具有开拓进取严谨求实的科学态度和作风。
4、研究生入学考试科目：（1）101思想政治理论（2 )201英语一（3）603普通物理(含力学、热学、电磁学、光学)、604量子力学（4）804经典物理(含电动力学、热力学与统计物理)、809原子核物理报考本专业０１—０６研究方向方向考试科目③限考量子力学，考试科目④中经典物理、原子核物理任选一门；０７—０８研究方向考试科目③限考普通物理，考试科目④限考经典物理。
（注：各大院校的考试科目有所不同，以北京大学为例）5、与之相近的一级学科下的其他专业：理论物理、原子与分子物理、等离子体物理、凝聚态物理、070206声学、光学、无线电物理。
17原子核物理和粒子物理简介
质子、中子、电子
夸克
17-1 原子核的基本性质
一、原子核的质子—中子模型
原子核由质子和中子组成。
质子（P）： e m p 1.007276u 核子
中子（n）：电中性 mn 1.008665u
1u 1.6605655 1027 kg
原子核符号
A 质量数 Z N
超大统一理论： 四种相互作用的统一 有待于验证。
A Z
X
Z 电荷数 X 与Z相应的元素符号
14 7
N
16 8
O
具有相同的质子数而中子数不同的原子核称为同位素。
16 8
O 17O 18O 8 8
1 1
H H H
2 1
3 1
质子、电子和中子符号
1 1 1 H ( 1P ) 0 1
e
1 0
n
原子核的体积总是正比于它的质量数
R R0 A
13
g I I ( I 1 ) N
g I 原子核的g因子
原子核磁矩在某一特殊方向的投影
I gI M I N
z
M I 核磁量子数 M I I , I 1, ,( I 1 ), I
投影最大值
g I I N I
“核磁共振”测定核磁矩
接高频电源 交变磁场
和与电子相联系的反中微子
正电子和一个中微子
1 0 1 0 ~ n1 P 1 e e
+衰变是原子核内质子转变成中子，同时放出一个
1 1
P n e e
1 0 0 1
射线是光子流，
是在衰变或衰变后形成新核时辐射出来的。
放射性衰变过程遵守电荷守恒、质量数守恒、能量守恒、 动量守恒、角动量守恒。
粒子物理简介
1952：氢弹试爆成功．
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．
1919：卢瑟福首次实现人工核反应，发现了质 子．
历史回顾——重要事件 1932：J.Chadwick发现了中子．
1934：F.&I.Joliot-Curie发现人工放射性． 1939：O.Hahn（哈恩）等人发现重核裂变． 1942：E.Fermi（费米）发明热中子链式反应堆． 1945：原子弹试爆成功，并在广岛上空爆炸．
历史回顾——重要人物
H.Becquerel（贝克 勒尔）, 法国物理学家 （1852～1908），1903 年获得诺贝尔奖．发现 了铀（U）的放射现象， 这是人类历史上第一次 在实验室里观察到原子 核现象．
历史回顾——重要人物
M.Curie（居里夫人）， 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, 1900～1958）因发现人工放 射性获1934年诺贝尔奖．
历史回顾——重要事件
中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图
· ·····
完
；中宁枸杞 / 中宁枸杞 ；
壹片灿烂の星空,白天变成咯黑夜丶"臭小子,果然可以。"红尘女神の声音,在元灵中响起咯,根汉看咯看这天空,似乎又回到咯壹个月前咯丶自己那时候刚刚进来,就是这个样子,真の成功咯,回到咯壹个月前
物理学科简介
物理学是一级学科，是研究物质及 其相互作用和基本规律的科学，是 自然科学各学科的重要基础。
一级学科下属8个二级学科
070201 理论物理 070202 粒子物理与原子核物理 070203 原子与分子物理 070204 等离子体物理 070205 凝聚态物理 070206 声学 070207 光学 070208 无线电学
无线电
无线电是通过无线电波传播信号的技术。无线 电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会 产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将 信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传 播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在 导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化 中提取出来，就达到了信息传递的目的。 （9KHz~300GHz，10KHz~300GHz）
宁夏大学、陕西师范大学、首都师范大学、 哈尔滨理工大学、宁波大学、南京师范大学、四川 师范大学、西南科技大学、广州大学、西南大学、 内蒙古科技大学、华南理工大学、扬州大学、 曲阜师范大学、云南大学、哈尔滨师范大学、 西北师范大学、东北大学、湖北大学、 西南交通大学、长春理工大学、吉首大学、 中国矿业大学、上海理工大学、长沙理工大学、 北京交通大学、南京理工大学、三峡大学、 青岛大学、天津理工大学、内蒙古大学、 福建师范大学、吉林师范大学、河海大学
现设有物理学一级学科博士、硕士研究生培养点；凝 聚态物理、理论物理、光学、等离子体物理4个二级学 科博士研究生培养点；凝聚态物理、理论物理、光学、 等离子体物理、无线电物理5个二级学科硕士研究生培 养点；材料工程、光学工程、集成电路工程3个专业学 位硕士研究生培养点。并设有物理学一级学科博士后 流动站。
报考需要注意事项
1、根据自己的实际情况来选择学校和方 向。 2、抓紧时间备考。 3、公共科目：英语 政治 方向科目：量子力学 普物 （高数 数理 方法 光学等 ）
(完整版)原子核物理知识点归纳详解
原子核物理重点知识点第一章 原子核的基本性质1、对核素、同位素、同位素丰度、同量异位素、同质异能素、镜像核等概念的理解。
（P2）核素：核内具有一定质子数和中子数以及特定能态的一种原子核或原子。
（P2）同位素：具有相同质子数、不同质量数的核素所对应的原子。
（P2）同位素丰度：某元素中各同位素天然含量的原子数百分比。
（P83）同质异能素：原子核的激发态寿命相当短暂，但一些激发态寿命较长，一般把寿命长于0.1s 激发态的核素称为同质异能素。
（P75）镜像核：质量数、核自旋、宇称均相等，而质子数和中子数互为相反的两个核。
2、影响原子核稳定性的因素有哪些。
（P3~5）核内质子数和中子数之间的比例；质子数和中子数的奇偶性。
3、关于原子核半径的计算及单核子体积。
（P6）R =r 0A 1/3 fm r 0=1.20 fm 电荷半径：R =（1.20±0.30）A 1/3 fm 核力半径：R =（1.40±0.10）A 1/3 fm 通常 核力半径＞电荷半径单核子体积：A r R V 3033434ππ==4、核力的特点。
（P14）1.核力是短程强相互作用力；2.核力与核子电荷数无关；3.核力具有饱和性；4.核力在极短程内具有排斥芯；5.核力还与自旋有关。
5、关于原子核结合能、比结合能物理意义的理解。
（P8）结合能：),()1,0()()1,1(),(),(2A Z Z Z A Z c A Z m A ZB ∆-∆-+∆=∆= 表明核子结合成原子核时会释放的能量。
比结合能（平均结合能）：A A Z B A Z /),(),(=ε原子核拆散成自由核子时外界对每个核子所做的最小平均功，或者核子结合成原子核时平均每一个核子所释放的能量。
6、关于库仑势垒的理解和计算。
（P17）1.r>R ,核力为0，仅库仑斥力，入射粒子对于靶核势能V (r )，r →∞，V (r ) →0，粒子靠近靶核，r →R ，V (r )上升，靠近靶核边缘V (r )max ，势能曲线呈双曲线形，在靶核外围隆起，称为库仑势垒。
粒子物理简介
学科简介 (1)学科分类 (2)理论分析 (2)发展阶段 (4)第一阶段（1897～1937） (4)第二阶段（1937～1964） (5)第三阶段（1964～） (13)强子内部结构的实验证据 (16)第四种和第五种夸克 (17)轻子的新发现 (18)电弱统一理论的建立 (20)粒子物理的前景 (23)学科简介粒子物理学particle physics研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。
又称高能物理学。
学科分类在实验上把已经发现的粒子分为两大类。
一类是不参与强相互作用的粒子，统称为轻子。
另一类是参与强相互作用的粒子统称为强子。
已经发现的数百种粒子中绝大部分是强子。
理论分析实验发现，强子也具有内部结构。
强子内部带点电荷的东西在外国称为夸克，中国的部分物理学家称之为层子。
因为他们认为：即使层子也不是物质的始元，也只不过是物质结构无穷层次中的粒子物理学一个层次而已。
虽然层子在强子内部可以相当自由地运动，但即使用目前加速器所能产生的能量最高的粒子束轰击强子，也没有能将层子打出来，使它们成为处于自由状态的层子。
将层子囚禁在强子内部是强相互作用所独有的性质，这种性质称为“囚禁”。
弱相互作用也有其独特的性质。
它的基本规律对于左和右，正、反粒子，过去和未来都是不对称的。
弱相互作用的不对称就是李政道和杨振宁在1956年所预言，不久在实验上为吴健雄所证实的宇称在弱相互作用中的不守恒。
在量子场论中，各种粒子均用相应的量子场来反映。
空间、时间中每一点的量子场均以算符来表示，称为场算符。
这些场算符满足一定的微分方程和对应关系或反对应关系。
量子场的确既能反映披粒二象性，又能反映粒子的产生和消灭，还能自然地反映正、反粒子配成对的现象。
对称性在物理学中占有很重要的地位。
可以证明，假使物理基本规律具有某种对称性，与之相应就有某种守恒定律。
例如：假使物理基本规律在任何时间都一样，与之相应就有能量守恒定律：假使物理基本规律对于相变换具有不变性，与之相应就有电荷守恒定律。
原子核与基本粒子
四、原子核的结合能 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。 核子结合成原子核时，所释放出的能量称为原子核 的结合能。核的结合能Eb由爱因斯坦质能关系得出：
原子核带有电荷且有自旋运动，故有核磁矩。常 以核磁子为单位表示。 e mp为质子质量 核磁子 N 2m p e 质子的磁矩 p 2.79 2.79 N 2m p 中子的磁矩 n 1.91N 与自旋角动量相反
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）
球形。
4 4 3 3 V R ( R 原子核的体积 0 )A A 3 3 体积正比于核子数，意味着所有原子核的密度相同， 其值为
M Au 1.66 1027 2.29 1017 kgm3 4 4 V R03 A (1.20 1015 )3 3 3
本章将介绍原子核物理和粒子物理的基本知识。 物质的基本单元
原子
质子、中子、电子 夸克
4-1
原子核基本性质
核的电荷、质量、密度
一、原子核的质子-中子模型
1920年，卢瑟福用 粒子轰击氮、硼、锂等原子核， 发现从原子核中能打出质子；
1930年，居里夫妇用 粒子轰击铍原子，发现有一 种中性射线从原子核中出来。 1932年，查德威克用该中性射线轰击氢和氮核，通 过分析确认该射线是由质量略大于质子的中性粒子组成 并命名为中子。
Iz LIz mI
电 E / h B / h B / 2
吴百诗,大学物理习题解析答案1,2,3,4目录
吴百诗，《大学物理(下册)(第3次修订本B)》荣获国家教委优秀教材一等奖
大学物理习题解析答案2_西安交通大学出版社_吴百诗
文件（一）页码顺序P.1，10；P.100～109；P.11，P.110~119；P.12；P.120~129；P.13；P.130~139；P.14；P.140~149; P.15；P150~159；P.16；P.160~169；P.17。
第2章牛顿运动定律习题
第3章功和能习题（文件四）
第4章冲量和动量习题（文件四）
第5章刚体力学基础动量矩习题（文件四）
第6章机械振动基础习题第11章（文件二）
第7章机械波习题第12章（文件二）
第8章热力学习题第9章（文件二）
第9章气体动理论习题第10章（文件二）
《大学物理(下册)(第3次修订本B)》。
第10章静电场习题第6章（文件一、四）
第11章恒定电流的磁场习题第7章（文件一）
第12章电磁感应与电磁场习题第8章（文件一）
第13章波动光学基础习题（文件三）
第14章狭义相对论力学基础习题（文件三）
第15章量子物理基础习题（文件三）
第16章原子核物理和粒子物理简介习题（文件三）
第17章固体物理简介激光习题（文件三）。
粒子物理简介(2019新)
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就先派张从恩 马全节等人领兵分路北上抵御契丹军队 兵器﹑战马自备 李煜是五代十国中最重要的词人 （李璟次子） 而辽 非团茶不纳也 行酒 何负恩一至此耶 后唐末帝李从珂自焚死 968年十一月—976年 皇帝起 963年十一月—968年十一月 3年 [69] [37] 辽军大体分为宫帐军﹑部 族军﹑京州军和属国军 复利维翰家财 因此这一时期的后唐侍卫亲军下属的军队众多 镇州牙内都虞候秘琼逐其节度副使李彦琦 北汉 后周 相信皇后萧观音与伶官赵惟一通奸而赐死皇后 [73] 1123年秋九月 直逼成都 退至高昌回鹘王国 辽太宗统一了契丹 .终年三十九岁 第三行政区县则 设县令 以亲信外臣任枢密使 [34] 天雄军节度使范延光杀齐州防御使秘琼 并且改幽州为南京 云州为西京 除穆宗的皇后萧氏出身不详外 北至伊犁河 喊杀声惊天动地 孝靖皇帝 用后梁太祖朱全忠年号(三年至五年) 916年 晋阳之战 梁朝 - 接替李从珂的节度使职务 明德 对抗与和亲利 弊等方面论证了维持与契丹修好的关系 也时时刻刻威胁着宋朝的北方 复置枢密院 但居民们不相信 劝北宋对西夏和谈 其三为张彦泽利其资财缢杀 声称迎刘赟为汉帝 刘弘济 唐军粮草不济 契丹文是辽代为记录契丹语而参照汉字创制的文字 原属后晋的阶 成 秦 凤四州被后蜀夺取 长兴三年还对因水灾而外逃农户的房屋 树木及 动使什物 当天祚帝出走南京时 连年进兵侵扰中原 改延庆三年为康国元年 （刘?[58] 契丹人待客是 先汤后茶 10个月 [6] 意境深远 厚的意思 尚未举筷 926年—931年 将中原人民的科学技术 文学 史学成就等介绍到了草原地区 但 不称臣 基本上贯彻执行耶律大石制定的国策 于是和亲信商议 从外交上孤立金朝 成功劝勉契丹主坚决支持石晋 后来的西辽辽帝对伊斯兰教采取的宽容伏待政
17原子核和基本粒子
• 核磁矩的测量 E = - I· B = -gI NmlB E= gI NB gI =h /NB
mI I , I 1 I
高 频 延迟电路 放 大 器 发生器
N
S
示波器
• 磁超精细相互作用
• 核磁矩与核外电子磁矩的
相互作用，会引起原子光
谱的分裂，这种现象称为 光谱的超精细结构
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。
历史回顾重要人物
• E.Fermi，意大利物理 学家(1901-1954)， 1938年获得诺贝尔奖。 发明了热中子链式反 应堆。
中科院近物所.新核素图.114种元素.3070个核素
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
R R0 A
1 3
R0 1.20 10
15
m
17 3
原子核中，核物质的密度近似相等。 m 10 kg m
这相当于地球平均密度的1014倍。也就是说若有1cm3的 核物质，质量可达1亿吨。核物质的密度是非常大的，宇宙 中存在如此高密度的天体。 例如，在演化过程中的质量很大的晚期恒星，由于自身 的引力而使星体剧烈收缩（称为引力坍塌），致使内部温度 进一步升高，可达1011K，核燃烧产生大量的中子和质子，自 由质子通过β衰变俘获高能自由电子而转变为中子，于是中 子就成了这种坍缩恒星的基本成分，这就是中子星。
H.Geiger和E.Marsden在
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。 2012-9-23
原子核物理学介绍
• 1919年
实现人工核反应，用α 粒子从氮核打出质子。
原子的中心
• 原子由 质子 + 电子 组成? 均匀分布?
• 1909 年, 盖革，马斯顿，用α 粒子轰击原子，发现有 8000分之一的几率被反射回来，难以理解? • 1911 年, 卢瑟福提出有核模式。正电荷和原子质量集 中在原子中心的小范围内，这就是原子核。重大发现， 但不受重视。
中子的发现
• 原子核的组成？？？
• 最初，基本粒子只有电子，质子，原子核由电子 和质子组成？？？ 电子在原子核内？？？
hc 1240 fm MeV 124 MeV p c 10 fm c c h E pc 124 MeV
自旋， 统计
• 1920 年,
卢瑟福提出:
• 海森堡，原子核 ： 质子 + 中子，---〉核子，两 个不 同状态
原子核符号
符号：
A z
X
Z 相同， N 不同
同位素 （isotope)，
同量异位素 (Isobar)，A 相同, Z 不同 同中子异荷素(Isotone). N 相同, Z 不同
Z
核素图
N
核素图
• 天然存在的核素: 280多种, 稳定, 60 多种, 长寿命放射性 • 人工制作的有1600 多种放射性
Thermal neutron Cancer cells
癌細胞
10 10
熱 中性 子
B
B
10
B
正常細胞
10
B
10
B
Normal cells
章节安排
• • • • • • • • • • 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 放射性 原子核的一般性质 核的结合能与液滴模型 α衰变 β衰变 γ衰变 原子核反应 核力 原子核结构 中子，裂变，聚变
核物理学和粒子物理学基础
汇报人：XX
CONTENTS
PART ONE
核物理学是研究原子核和核子系统的性质、结构、反应机制和变化规律的学科。 核物理学在能源、医学、工业、农业等领域有广泛应用。 核物理学的发展对于深入理解物质的基本结构和性质、推动科技发展具有重要意义。 核物理学的研究涉及到多种实验方法和理论模型，需要多学科交叉合作。
核力的特点：短程力，随着距离增加 迅速减小；具有饱和性，即一个核子 只能与一定数量的核子相互作用
核力的作用范围：大约在1.5fm（飞 米）左右，相当于原子核的尺度
核能发电：利用核 裂变反应产生的能 量转化为电能
核武器：利用核裂 变或核聚变原理制 造的武器
核医学：利用放射 性核素进行诊断和 治疗
核反应堆：用于产 生热能或电能，如 核潜艇和核动力航 空母舰的动力源
质量与寿命关系： 粒子的质量和寿 命之间存在一定 的关系，一般来 说，质量越大的 粒子寿命越短
实验测量：通过 实验测量粒子的 质量和寿命，可 以进一步了解粒 子的属性和相互 作用机制
PART SIX
粒子加速器：通过 加速带电粒子来研 究粒子的基本性质 和相互作用
原子核衰变：利用 原子核的衰变过程 来研究粒子的性质 和行为
汇报人：XX
的核力。
原子核的稳定性取决于质子和中子的数量 稳定的原子核具有偶数个质子和中子 不稳定的原子核具有奇数个质子和中子 原子核的稳定性与核力有关
原子核衰变的类型：α衰变、β衰变、γ衰变等 衰变规律：半衰期、衰变常数等 衰变的意义：揭示原子核内部结构和性质，为核能利用提供理论基础 衰变的应用：放射性医学、放射性考古等
宇宙射线：通过观 测宇宙射线来研究 高能粒子的产生和 传播
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。
-原子核的基本性质
原子核物理基础概论原子核是原子的中心体。
研究这个中心体的性质、特征、结构和变化等问题的一门学科称为原子核物理学。
一、原子核物理的发展简史1.1886年 Bequenel发现天然放射性。
进一步研究表明，放射性衰变具有统计性质；放射性元素经过衰变（α，β， ）；一种元素会变成另一种元素，从而突破了人们头脑中元素不可改变的观点。
2.1911年 Rutherford α粒子散射实验，由α粒子的大角度散射确定了原子的核式结构模型。
3.1919年α粒子实验首次观察到人工核反应（人工核蜕变）。
使人们意识到用原子核轰击另外的原子核可以实现核反应，就象化学反应一样。
4.1932年查德威克中子的发现表明原子核由质子和中子构成，中子不带电荷，易进入原子核引起核反应。
在这件大事中，实际上有我国物理学家的贡献。
根据杨振宁先生的一篇文章介绍，我国物理学家赵忠尧在1931年发表了一篇文章，文中预言了中子的存在，但查德威克看了之后未引用，故失去了获得诺贝尔奖的机会。
5.20世纪40年代核物理进入大发展阶段（引用科学史材料）：（1）1939年Hahn发现核裂变现象；（2）1942年Fermi建立第一座链式反应堆，这是人类利用原子能的开端；（3）加速器的发展，为核物理理论和核技术提供了各种各样的粒子流，便于进行各种各样的研究；（4）射线探测器技术的提高和核电子学的发展，改变了人类获取实验数据的能力；（5）计算机技术的发展和应用，一方面进一步改进了人们获取数据，处理核数据的能力，另一方面提供了在理论上模拟各种核物理过程的工具。
例如模拟反应堆中中子的减速、慢化过程等物理过程。
二、核物理的主要研究内容核物理学可以分为理论和应用两个方面。
理论方面是对原子核的结构、核力及核反应等问题的研究。
同其它基础研究一样，是为了了解自然、掌握自然规律，为更好地改造自然而开辟道路的。
另一方面是原子能和各种核技术的应用，包括民用与军用。
这两方面的研究相互联系，相互促进，相互推动向前发展。
19n
原子核物理 和粒子物理简介
前 言
原子核是原子的中心体。研究这个中心体的特性、结构和变化 等问题的一门科学称为原子核物理学。 原子核物理面对的各种基本问题涉及范围广泛，包括强相互作用 和弱相互作用，这些基本问题包括了从核力的微观世界尺度一直 到宇宙的大尺度结构的各种性质。在人类认识自然、能源开发过程 中有重要作用。
人们自认识原子核以来，已在微观领域发现了数以百计的新粒子， 有关这些粒子的内部结构及其相互作用、相互转化规律的研究，逐 步发展成为新的学科，称为粒子物理学。
19.1
19.1.1 原子核的组成
原子核的基本性质
原子核是由质子和中子组成的。 原子核是由质子（p）和中子(n)组成的，质子和中子统称为核子。 质子带有正电荷，其质量mp=1.007277u。中子是电中性，其质量 mn=1.008665u。 原子核的质量的度量： 12 1961年国际原子量委员会规定，碳同位素 6 C原子处于基态的 静止质量的1/12作为原子质量单位，称为1u。 1971年国际计量大会又规定1u=1.66054002×10-27kg。2002年 修正为1u=1.66053886×10-27kg。 核外电子的总电量
V 4 3 πR
3
4 3
π r0 A
3
19.1.3 原子核的自旋与磁矩
原子核的角动量，通常称为核的自旋。
原子核自旋角动量LI的大小为:
LI I ( I 1) h 2π
式中I是核自旋量子数，简称核自旋。
不同元素的原子核的自旋量子数不同，凡是质量数A为奇数的原 子核，其自旋量子数是1/2的奇数倍；质量数A为偶数的原子核，其 自旋量子数是正整数或零。 在前面已经学过，电子的自旋量子数为1/2，磁矩为:
原子核物理学17
二、β衰变（包括β+、β－ 和K俘获三种方式）
1、β－ 衰变
●中子数相对过多的核 反中微子
01 n11p 10 e 00
A Z
X
Z
A1Y
10
00
Q
210 83
Bi
210 84
Po
0 -1
e
钚
位移定则:子核在元素周期表中 的位置右移1格。
●许多核素发生β衰变的同时，伴随γ射线产生。
2、β+ 衰变
中子相对过少的原子核，基态能量
回旋加速器是质子治疗系统的核心
质子治疗装置是一套庞大而又复杂的系统，它由质子加速器、 束流输运系统、输流配送系统、剂量监测系统、患者定位系 统和控制系统构成，长达70米。其核心是一台回旋加速器， 用以生产高能质子射束；磁铁直径434厘米，加速器重210吨。 它发出质子束能量高达230兆电子伏，足以射入任何深部的 肿瘤。
数和半整数
磁量子数 mI I,I 1, , I 1, I
取向数 = 2 I + 1
核自旋的确定： 质子和中子的自旋 I 1
2
偶偶核，I 为零；
奇奇核，I 为整数；
1H的自旋量子数I=1/2 自旋磁量子数m=±1/2 即氢核在外磁场中应有 两种取向,代表两种不 同的能级
偶奇核，I 为半整数（1/2的奇数倍）。
三、γ衰变和内转换
1. γ衰变
α、β衰变到子核的激发态.处于激发态的核不稳定,要向 低能态跃迁,同时往往放出γ光子
●处于激发态的原子核，在不改变组
成（Z、N）的情况下，放出能量跃迁
到较低能态的现象。
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粒子物理与原子核物理博士毕业
粒子物理与原子核物理博士毕业（原创实用版）目录1.粒子物理与原子核物理专业简介2.粒子物理与原子核物理博士毕业生的就业前景3.粒子物理与原子核物理博士毕业生的科研方向4.我国粒子物理与原子核物理领域的发展现状与趋势正文一、粒子物理与原子核物理专业简介粒子物理与原子核物理是一门研究物质微观世界的学科，它主要研究物质的最基本组成单位——粒子的性质和行为。
粒子物理探究的是粒子的结构、相互作用和运动规律，而原子核物理则关注原子核的性质、结构以及它们在各种物理过程中的行为。
二、粒子物理与原子核物理博士毕业生的就业前景粒子物理与原子核物理博士毕业生在完成学业后，可以选择在科研机构、高等院校、企事业单位等多个领域寻求就业。
他们可以在科研领域从事前沿科学研究，推动人类对物质世界的认知；也可以在教育领域培养新一代科学人才；此外，他们还可以在企事业单位从事与粒子物理与原子核物理相关的技术研发、项目管理等工作。
三、粒子物理与原子核物理博士毕业生的科研方向粒子物理与原子核物理博士毕业生在科研方向上可以选择的领域非常广泛，包括但不限于：粒子物理实验、理论物理、核物理实验、核理论、核技术及应用等。
他们可以根据自己的兴趣和专长，选择合适的科研方向，为人类科学事业的发展做出贡献。
四、我国粒子物理与原子核物理领域的发展现状与趋势我国在粒子物理与原子核物理领域的研究已经取得了举世瞩目的成果。
目前，我国已经拥有一批高水平的科研团队和设施，如中国科学院高能物理研究所、中国原子能科学研究院等。
此外，我国还积极参与国际合作项目，如欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）实验等。
展望未来，我国粒子物理与原子核物理领域将继续保持快速发展态势。
在国家政策的支持下，我国将加大对基础科学研究的投入，推动重大科学设施的建设和运行。
大学物理电子教案
第二篇 电磁学
第三篇 热学 第四篇 振动与波 波动光学 第五篇 量子论
第一章 运动的描述
第二章 运动定律与力学中的守恒定律
第三章 相对论
第四章 静电场与稳恒电场
第五章 稳波
第八章 气体动理论基础 第九章 热力学基础
第十章
机械振动
第十一章 机械波 第十二章 光的干涉 第十三章 光的衍射
第十四章 光的偏振
第十五章 现代光学简介
第十六章 量子物理基础
第十七章 原子核物理和粒子物理简介 第十八章 新技术的物理基础
原子核物理学
原子核物理学是研究原子核的结构、性质、形成以及相互作用的物理分支。
这一领域涉及从基本粒子到宇宙尺度的广泛现象，是现代物理学中极为重要的组成部分。
原子核物理学是研究原子核内部结构、性质以及相互作用的科学。
自从1932年詹姆斯·查德威克发现中子以来，原子核物理学得到了迅速的发展。
这一领域的研究不仅对基础科学具有重要意义，而且对核能、核技术以及核医学等应用领域有着深远的影响。
一、原子核的基本性质1. 组成与结构原子核由质子和中子组成，这两种粒子统称为核子。
质子带有正电荷，中子不带电。
原子核的大小约为10^15米，远小于原子的大小。
2. 质量与结合能原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这种质量的亏损称为质量亏损。
根据爱因斯坦的质能方程E=mc^2，质量亏损对应着原子核的结合能，即核子结合在一起所释放的能量。
3. 电荷与自旋原子核带有正电荷，其大小等于核内质子的数目。
原子核具有自旋角动量，其大小取决于核子数和核子的排列方式。
二、原子核的稳定性与放射性1. 稳定性条件原子核的稳定性取决于其质子与中子的比例。
在轻核区域，质子与中子的比例接近1:1，而在重核区域，中子的数目多于质子。
原子核的稳定性还受到其自旋和形状的影响。
2. 放射性衰变不稳定的原子核会自发地发生放射性衰变，释放出粒子或电磁辐射。
常见的放射性衰变类型有α衰变、β衰变、γ衰变等。
α衰变：原子核释放出一个α粒子（两个质子和两个中子组成的粒子），转变为一个新的原子核。
β衰变：原子核中的一个中子转变为一个质子，同时释放出一个电子和一个反中微子，或者一个质子转变为一个中子，同时释放出一个正电子和一个中微子。
γ衰变：原子核从激发态跃迁到基态时，释放出γ射线。
三、原子核反应与核能1. 核反应核反应是指原子核之间或原子核与粒子之间的相互作用。
核反应可以是自然的，也可以是人工引发的。
常见的核反应有核裂变、核聚变等。
核裂变：重核在中子的轰击下分裂成两个或多个轻核，同时释放出大量能量。
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习题十七17-1 按照原子核的质子一中子模型，组成原子核X AZ 的质子数和中子数各是多少？核内共有多少个核子？这种原子核的质量数和电荷数各是多少？答：组成原子核X AZ 的质子数是Z ，中子数是Z A -．核内共有A 个核子．原子核的质量数是A ，核电荷数是Z ．17-2 原子核的体积与质量数之间有何关系？这关系说明什么？答：实验表明，把原子核看成球体，其半径R 与质量数A 的关系为310A R R =，说明原子核的体积与质量数A 成正比关系．这一关系说明一切原子核中核物质的密度是一个常数．即单位体积内核子数近似相等，并由此推知核的平均结合能相等．结合能正比于核子数，就表明核力是短程力．如果核力象库仑力那样，按照静电能的公式，结合能与核子数A 的平方成正比，而不是与A 成正比．17-3 什么叫原子核的质量亏损？如果原子核X AZ 的质量亏损是m ∆，其平均结合能是多少？ 解：原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，它们的差额称为原子核的质量亏损．设原子核的质量为x M ，原子核X AZ 的质量亏损为:x n p M m Z A Zm m --+=∆])([平均结合能为 Amc A E E 20ΔΔ== 17-4 已知Th 23290的原子质量为u 232.03821，计算其原子核的平均结合能.解：结合能为MeV 5.931])([ΔH ⨯--+=M m Z A Zm E nTh 23290原子u M 03821.232=,90=Z ,232=A ,氢原子质量u m 007825.1H =，u m n 008665.1=MeV1.766.56MeV5.931]03821.232008665.1)90232(007825.190[Δ=⨯-⨯-+⨯=∴E∴平均结合能为 MeV 614.723256.1766Δ0===A E E 17-5什么叫核磁矩？什么叫核磁子（N μ）？核磁子N μ和玻尔磁子B μ有何相似之处？有何区别？质子的磁矩等于多少核磁子？平常用来衡量核磁矩大小的核磁矩I μ'的物理意义是什么？它和核的g 因子、核自旋量子数的关系是什么？解：原子核自旋运动的磁矩叫核磁矩，核磁子是原子核磁矩的单位，定义为：227m A 10.05.51.18361π4⋅⨯===-B p N m eh μμ式中p m 是质子的质量．核磁子与玻尔磁子形式上相似，玻尔磁子定义为eB m ehπμ4=，式中e m 是电子的质量．质子的磁矩不等于N μ．质子的磁矩N P μμ79273.2=．平常用来衡量核磁矩大小的是核磁矩在外磁场方向分量的最大值I μ'，它和原子核g 因子、自旋量子数的关系是N I I I g μμ='．17-6 核自旋量子数等于整数或半奇整数是由核的什么性质决定？核磁矩与核自旋角动量有什么关系？核磁矩的正负是如何规定的？解：原子核是由质子和中子组成．质子和中子的自旋均为21．因此组成原子核的质子和中子数的奇、偶数决定了核自旋量子数为零或21的奇、偶倍数． 核磁矩与自旋角动量的关系是：I pII P m eg 2=μ I μ的正负取决于I g 的正负．当I μ与I P 平行时I μ 为正，当I μ 与I P 反平行时，I μ为负．17-7 什么叫核磁共振？怎样利用核磁共振来测量核磁矩？解：原子核置于磁场中，磁场和核磁矩相互作用的附加能量使原子核能级发生分裂．当核在电磁辐射场中时，辐射场是光子组成的，当光子的能量hv 等于核能级间隔时，原子核便吸收电磁场的能量，称为共振吸收，这一现象称为核磁共振．在磁场中核能级间隔为：B g E N I μ=∆共振吸收时，B g E h N I μυ=∆=通常用核磁矩在磁场方向分量的最大值I μ'来衡量磁矩的大小,N I I I g μμ='，则有B Ih Iμυ'=∴Bh II υμ='，已测出I ，υ，现测得B 就可以算出I μ'． 17-8 什么叫核力？核力具有哪些主要性质？答：组成原子核的核子之间的强相互作用力称为核力．核力的主要性质：(1)是强相互作用力，主要是引力．(2)是短程力，作用距离小于m 1015-,(3)核力与核子的带电状况无关．(4)具有饱和性． 17-9 什么叫放谢性衰变？α，β，γ射线是什么粒子流？写出U 23890的α衰变和Th 23490的β衰变的表示式.写出α衰变和β衰变的位移定则.解：不稳定的原子核都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．α射线是带正电的氦核He 42粒子流，β射线是高速运动的正、负电子流，γ射线是光子流．ee υ~Pa Th HeTh 012349123490422349023892++→+→-α衰变和β衰变的位移定则为：α衰变 He Y X 4242+→--A z A zβ衰变的位移定则为：e A z Az υ~e Y X 0++→-+e A z A zυ++→+-e Y X 01117-10 什么叫原子核的稳定性？哪些经验规则可以预测核的稳定性？答：原子核的稳定性是指原子核不会自发地从核中发出射线而转变成另一种原子核的性质． 以下经验规则可预测核的稳定性：(1)原子序数大于84的核是不稳定的．(2)原子序数小于84的核中质子数和中子数都是偶数的核稳定．(3)质子或中子数等于幻数2、8、20、28、50、82、126的原子核特别稳定．(4)质子数和中子数之比1=pn的核稳定．比值越大，稳定性越差． 17-11 写出放射性衰变定律的公式.衰变常数λ的物理意义是什么？什么叫半衰期21T ？21T 和λ有什么关系？什么叫平均寿命τ？它和半衰期21T 、和λ有什么关系？解：tN N λ-0e =，衰变常数NtN d /d -=λ．的物理意义是表示在某时刻，单位时间内衰变的原子数与该时刻原子核数的比值．是表征衰变快慢的物理常数．原子核每衰变一半所需的时间叫半衰期．λT 2ln 21=平均寿命τ是每个原子核衰变前存在时间的平均值．λτ1=2ln 21τ=T ．17-12 测得地壳中铀元素U 23592只点0.72%，其余为U 23892，已知U 23892的半衰期为4.468×109年，U 23592的半衰期为7.038×108年，设地球形成时地壳中的U 23892和U 23592是同样多，试估计地球的年龄.解：按半衰期 λλ693.02ln ==T对年：/110847.910038.7693.0693.0U 10181123592-⨯=⨯==T λ 对年：/110551.110468.4693.0693.0U 1092223892-⨯=⨯==T λ 按衰变定律tN N λ-=e 0，可得t t tN N N N )(00211221e ee λλλλ---== 则地球年龄： 1221lnλλ-=N N t年9101094.510)847.9551.1(28.9972.0ln⨯=⨯-=-17-13 放射性同位素主要应用有哪些？答：放射性同位素主要在以下几个方面应用较广泛：医学上用于放射性治疗和诊断；工业上用于无损检测；农业上用放射性育种；考古学、地质学中用于计算生物或地质年代；生物学中作示踪原子等等．17-14 为什么重核裂变或轻核聚变能够放出原子核能？答：轻核和重核的平均结合能较小，而中等质量)60~40(=A 的核平均结合能较大，因此将重核裂变成两个中等质量的核或轻核聚变成质量数较大的核时平均结合能升高，从而放出核能．17-15 原子核裂变的热中子反应堆主要由哪几部分组成？它们各起什么作用？答：热中子反应堆的主要组成部份有堆芯、中子反射层、冷却系统、控制系统、防护层．堆芯是放置核燃料和中子减速剂的核心部份，维持可控链式反应，释放原子核能． 冷却系统与换能系统合二为一，再通过冷却系统将堆芯释放出的核能输送到堆芯以外． 控制系统是通过控制棒插入堆芯的长度，控制参加反应的中子数，使反应堆保持稳定的功率．中子反射层是阻挡中子从反应堆中逸出． 防护层是反应堆的安全屏障．17-16 试举出在自然界中存在负能态的例子.这些状态与狄拉克真空，结果产生1 MeV 的电子，此时还将产生什么？它的能量是多少？答：例如物体在引力场中所具有的引力势能；正电荷在负电荷电场中的静电能，都是自然界中的负能态．这些负能态是能够观测到的，具有可观测效应．狄拉克的负能态是观测不到的，没有可观测效应．17-17 将3MeV 能量的γ光子引入狄拉克真空，结果产生1MeV 的电子，此时还将产生什么？它的能量是多少？答：把能量大于电子静能两倍MeV 022.1220=>c m E 的γ光子引入真空，它有可能被负能量电子的一个电子所吸收，吸收了这么多能量的电子有可能越过禁区而跃迁到正能量区，并表现为一个正能量的负电子-e ；同时，留下的空穴表现为一个正能量的正电子+e ．这一过程称为电子偶的产生，可写为-++→e e γ按题意，根据能量守恒，正电子的能量为MeV 217-18 试证明任何能量的γ光子在真空中都不可能产生正、负电子对.答：证明：设由γ光子转化成的一对正负电子其动量分别为1p 和2p ，在电子的质心系中应有021=+p p并且正负电子的总能量应大于22c m e ．按照相对论，光子动量与能量的关系为pc E =，动量等于零而能量不等于零的光子是不存在的．显然γ光子转换成正负电子，同时满足能量守恒和动量守恒是不可能的，即在真空中无论γ光子能量多大，都不可能产生正负电子对．但是γ光子与重原子核作用时便可转化为正负电子对．。