核与粒子物理导论
核物理与粒子物理导论课件02放射性和核的稳定性
N1 = N1(0)e−λ1t
A1(t) = λ1N1 = λ1N1(0)e−λ1t = A1(0)e−λ1t
对于 B
dN 2 dt
= λ1N1 − λ2N2
对此微分方程求解，容易求得：
N2(t) = λ
λ1 −λ
N1(0)(e−λ1t − e−λ2t )
子体 B 的放射性活ຫໍສະໝຸດ 为A2 (t)=λ2 N 2 (t)
A Z
X→
Z
+A1Y
+
e−
,
A Z
X→Z
−A1Y
+
e+
,
A Z
X
+
e−
→Z
−A1Y
其中 e-和 e＋分别代表电子和正电子。
β − 衰变相当于原子核的一个中子变成了质子；β + 衰变和轨道电
子俘获相当于原子核的一个质子变成了中子。
处于激发态的原子核要向基态跃迁，这种跃迁称为γ 跃迁。 在γ 跃迁中通常要放出γ 射线。因此，γ 射线的自发放射一般是伴 随α或β射线产生的。
第二章 放射性和核的稳定性
§2.0 核与粒子的不稳定性
核基态的不稳定性 — 核转变（β、α） （弱作用和 库仑作用）
激发态的不稳定性 — γ衰变（电磁作用）
共振态衰变 — 粒子发射（强作用或核作 用）
§2.1 放射性衰变的基本规律
1．放射性的一般现象
原子核自发地放射各种射线的现象，称为放射性。能自发地放射 各种射线的核素称为放射性核素(radioactive nucleus)，也叫不稳定的 核素(unstable nucleus)。放射性现象是由原子核的内部变化引起的。
=
λ1λ2 λ2 − λ1
核物理和粒子物理导论课程教学大纲CourseOutline
第一章：概述
1） 2） 3）
物质的结构层次 核物理与粒子物理的发展简史 自然单位
第二章：原子核的基本性质
1） 综述 2） 原子核的组成及稳定性 3） 原子核的大小及密度分布 4） 原子核的自旋和宇称 5） 原子核的结合能
第三章：原子核的结构和衰变
1） 费米气体模型 2） 壳模型 3） 集体模型 4） 放射性核的衰变的一般规律 5） α 衰变 6） β 衰变 7） γ 衰变
课程性质 (Course Type) 授课语言 (Language of Instruction)
开课院系 （School） 先修课程 （Prerequisite） 授课教师 （Teacher） 办公时间 （Office Time） 课程网址
(Course Webpagon）
第四章：原子核的反应
1） 综述 2） 反应截面 3） 光学模型 4） 复合核模型 5） 直接反应 6） 核的裂变和聚变 7） 重离子反应
第五章：极端条件下的原子核物理
1） 综述 2） 热核 3） 远离 β 稳定线核 4） 超重元素
5） 高自旋态及(巨)超形变核
第六章：强子的基本性质
1） 粒子物理发展概述 2） 自然界中的基本相互作用 3） 粒子的分类 4） 对称性和守恒定律
第七章：量子色动力学简介
1） 夸克和胶子的颜色自由度 2） 渐进自由 3） 色禁闭 4） 手征对称 5） 格点 QCD
第八章：强子结构模型
1） 强子的夸克模型 2） 强子的夸克势模型 3） 强子的口袋模型
第九章：标准模型简介 1）Yang-Mills 规范场 2） 标准模型中的相互作用 3） 标准模型中的粒子
教学内容 学时 教学方式 作业及要求 基本要求
核物理与粒子物理导论chap_1_4-7 (32)
λl/λ0
0 1
（2）形成因子的影响 另一条件是假设α 粒子在α 衰变前就存在于核内。实际情况可能不是这样，而是α 粒子在衰变过程中才形成的。若设形成α 粒子的概率为 k，那么
λ = knP = k
υ
α k 称为形成因子。 由于 k≤1， 于是依 k 值的不同， 衰变就有可能出现不同程度的禁戒。 而 k 值的大小与原子核结构有密切关系，两者之间的联系规律如何，至今还没有了解清 楚。
F = Texp / Tth
或以衰变常量λ的理论值λth 与实验值λexp 之比来表示
F = λth / λexp
对奇 A 核， 一般在 100~1000 范围； F 奇奇核的 F 则更大， 个别核的禁戒因子高达 1014。 现就理论与实验分歧的原因讨论下面两个问题： （1）角动量的影响 公式是在假设α 粒子带走的轨道角动量 l=0 时推导出来的。如果 l≠0， r>R 时的 V(r)应为库仑势能 Vc(r)与离心势能 Vl(r)之和，即
G=
2 μ ( Z − 2)e 2 2ε 0 h E d
4 e[ μ ( Z − 2 ) R ]1 / 2 − πε 0 h
于是α 粒子穿透势垒的概率成为
⎧ 2 μ ( Z − 2)e 2 4e[ μ ( Z − 2) R ]1 / 2 ⎫ ⎪ ⎪ P = exp ⎨− + ⎬ πε 0 h 2ε 0 h E d ⎪ ⎪ ⎩ ⎭
l (l + 1)h 2 l (l + 1)(hc) 2 l (l + 1) Vl ( R ) = = ≈ 10 2 μR 2 2μ c 2 R 2
(MeV )
ห้องสมุดไป่ตู้
l＝3，Vl(R)≈1 MeV，而库仑势垒一般大于 20 MeV，计算表明，角动量对衰变概率的影 响通常不会改变数量级的大小， 5-4 中列了对 Z＝90， 表 E＝4.5 MeV 时的角动量对α 衰 变概率的影响。 表 5-4 L 角 动 量 对 α 衰 变 概 率 的 影 响 1 0.84 2 0.60 3 0.36 4 0.18 5 0.078 6 0.028
核物理与粒子物理导论chap_1_4-7 (6)
166习 题7-1．原子核69Zn 处于能量为436 keV 的同核异能态时，试求放射γ 光子后的反冲动能E R γ和放射内转换电子后的反冲动能E Re 。
若69Zn 处于高激发态，可能发射中子，试求发射能量为436keV 中子后的反冲能E Rn 。
(已知K 层电子的结合能为9.7keV 。
)7-2．试计算1μg 重的137Cs 每秒放出多少个γ 光子。
(已知137Cs 的半衰期为30.17a ， β衰变至子核激发态的分支比为93%，子核γ 跃迁的内转换系数分别为αK =0.0976， K L =566.，260.0=LM 。
) 7-3．放射源衰变至的激发态，然后接连通过两次γ 跃迁至基态。
由β磁谱仪在曲率半径为20cm 处测得此放射源的内转换K 电子的峰与场强0.02575，0.02166 T 对应。
已知Ti 的K 电子结合能为5.0keV ，试求γ 跃迁的能量。
Sc 4621β−Ti 4622 7-4．实验测得有两组βSb12051()a +电子：0.52 MeV ，=5.5；1.70 MeV ，=4.5。
后者为相应至基态之跃迁。
一条γ 射线，其能量为1.181MeV ，属E 2型。
已知基态的自旋和宇称为0log /fT 12log /fT 12Sn12050()b Sn12050+，试画出衰变纲图，并标出各能级的自旋和宇称。
7-5．设一核有大致等距分布的四条能级，其能级特性从下至上依次为21+，29+，23-，29-。
试画出能级图，标明最可能发生的跃迁类型。
7-6．通过K 俘获衰变至的激发态，后者跃迁至基态时，放出一系列γ 光子或内转换电子。
由β 磁谱仪测得22条内转换电子谱线（见下表）。
试确定所放出的γ 光子的能量，并画出的能级图。
(已知K ，L ，M 层电子的结合能分别为11.9、1.5和0.2keV 。
) Se 7534As7533As 7533内转换电子能量(keV)（带*者发生在K 层)23.2 95.3 186.9 293.4 24.4 96.5 197.2 303.454.3 109.4* 253.3 390.0 64.6 124.3 263.6 400.5 68.9* 134.7 268.2 85.0 136.0 278.5 7-7．对于下列γ 跃迁，已知跃迁类型和始态的能级特性，试求末态的能级特性：（i ）；(ii)；(iii) ；(iv) ；(v) 。
核物理与粒子物理导论chap_1_4-7 (7)
129习 题6-1．利用核素质量，计算的β 谱的最大能量。
He H 3231→m E 6-2．既可产生衰变，也可产生K 俘获，已知的最大能量为1.89 MeV ，试求K 俘获过程放出的中微子的能量。
V 4723β+β+E v 6-3．样品中含RaE 4.00 mg ，实验测得半衰期为5.01d ，放出β 粒子的平均能量为0.337 MeV ，试求样品的能量辐射率W 。
6-4．设在标准状态下的2.57 cm 3的氚气样品中，发现每小时放出0.80 J 的热，已知氚的半衰期为12.33 a ，试求：衰变率D ；()β 粒子的平均能量()a b E β；()c E β与β 谱的最大能量之比m E E β/。
m E 6-5．的衰变能＝0.87 MeV ，试求的反冲能。
Li Be 73K74→d E Li73R E 6-6．32P 的β 粒子最大能量＝1.71 MeV ，计算放出β 粒子时原子核的最大反冲能和发射中微子时核的最大反冲能。
m E E Re v E R 6-7．放射源有：(两组电子，其最大能量和分支比为0.69 MeV ，16%和1.36 MeV ，16％，后者为相应至基态之衰变；(两组电子，其最大能量和分支比为0.92 MeV ，25％和1.53 MeV ，2.8％，后者为相应至基态之衰变；(两组单能中微子：1.93 MeV ，38％和2.54 MeV ，2.2％。
试作出的衰变纲图，并求该放射源所放出的γ 射线的能量。
（已知Ge 的K 电子结合能为≈0.01 MeV 。
）As 7433)a β−Se 7434)b β+Ge 7432)c As 7433 6-8．计算24Na 的衰变的β 粒子最大能量，为什么在实验中没有观察到达这组能量的β 粒子？β−m E6-10．对于，查表得，并已知子核的能级特性为0CaSc 4220s68.04221+→β3.3m 10),(=E Z f +。
试求log 值，并以此判断母核的能级特性。
中国科技大学 核与粒子物理导论 第一章.pdf
227 89 235 92
Ac ( T1 2 = 7.04 ×108 年)
A = 0.720
α 231 U → 90Th
231 91
α 227 α 223 Pa → → 89 Ac 87 Fr
227 90
α 223 α 219 α 215 α 211 Th → → → → 88 Ra 86 Rn 84 Po 82 Pb
I (β − ) = A
而其 γ 放射性强度
I (γ ) = 2 A
4. 递次衰变和分支衰变 一种核素 1 以衰变常数 λ1 衰变，到达子体核素 2 。核素 2 又以衰变常数 λ 2 发生衰变到达
13
第一章 粒子束的获得
子体核素 3 。核素 3 再继续下去，构成如下的衰变链，
λ1 λ2 λ3 λn (1) N10 →(2) N20 = 0 →(3) N30 =0 →" (n) N n 0 = 0 →"
2. 放射性衰变的基本规律 放射性核素的数目随时间的衰减服从指数规律：
N (t ) = N 0 e − λt
(1.1)
N (t ) 是在 t 时刻放射性核素的数目。 N 0 为 t = t 0 = 0 时放射性核素的数目。 λ 称为衰变常
数。对(1.1)两边取微分得：
dN = −λ N 0 e − λt dt = −λ N (t )dt dN = λ dt N (t )
113 113
In * 因半衰期短不便
Sn 共存的 113 In * 其活度 λ 2 N 2 按式（1.7）的规律增减。如图(1.2)
所示， t = 0 时刻，母体活度为 A10 ，子体活度 A20 = 0 。随着时间的推移，子体活度开始累
核物理与粒子物理导论chap_1_4-7 (8)
112习 题5-1．实验测得210Po 的α 粒子能量为5301 keV ，试求其衰变能。
5-2．利用核素质量，计算226Ra 的α 衰变能和α 粒子的动能。
5-3．Bi 衰变至T1，有两组α 粒子，其能量分别为E （α83211812070）＝6621 keV ，E （α1） =6274 keV 。
前者相应为母核基态衰变至子核基态；后者相应为母核基态衰变至子核的激 发态。
试求子核T1激发态的能量，并画出此衰变纲图。
81207 5-4． Po α 衰变至Pb ，已知α 粒子的动能E 8421882214k 为5.988 MeV ，试计算反冲核Pb82214的动能，并求出α 衰变能E d 。
5-5．一块重为半公斤的核燃料纯239Pu ，试计算这块核燃料存放时由于α 衰变放出的 功率为多少瓦（W ）？5-6．试计算α 粒子对于Ne ，Sn ，U 的库仑势垒，设r 102050112922380＝1.45fm 。
5-7．已知ThC ′（Po ）对于基本α 粒子组（E 212840＝8.785 MeV ）的半衰期为3×10-7s ，试计算激发核ThC ′对于发射长射程α 粒子（E 3＝10.55 MeV ）的平均寿命，在计算时假定α 粒子碰撞势垒的次数，在激发核内和在非激发核内都是相同的。
5-8．试计算：（i ）223Ra 发射14C 的动能E k 和库仑势垒V C ；（ii ）53m Co 发射质子的动能E k 和库仑势垒V C 。
5-9．利用结合能的半经验公式，推导出原子核发射质子的衰变能随Z ，A 变化的关系式。
5-10．为什么能量低于2MeV 和高于9MeV 的α 放射性很少见？5-11．为什么基态偶偶核α 衰变时能量最大的α 粒子强度最大？而奇A 核的就不一定？ 5-12．有没有α 稳定线？为什么？112。
核物理与粒子物理导论chap_1_4-7 (4)
226习 题9-1．试求的反应能Q 和阈能E Ben)Li(p,7473th 。
9-2．试求中子与16O ，17O 核作用时发生（n ，2n ）反应的阈能E 1和E 2，并解释两个阈能值的巨大差别。
9-3．用能量为1.51MeV 的氘引起反应11B （d ，α ）9Be 中，在θ=°90方向测得α 粒子能量为6.37MeV ，试求反应能Q 。
9-4．210Po 的α 粒子（）在MeV 3.5=αE 9Be 靶上可以产生（α，n ）反应，试求出射___________________________① C.H. Dasso and A. Vitturi ．Phys. Rev. C50(1994)R12② M.S. Hussein et al ．Phys. Rev. C46(1992)377角θ=°90时的中子能量E n 。
9-5．反应10B （n ，α）7Li 用来记录慢中子，试求α 粒子的动能E α 和反冲核的动能E R 。
9-6．引起反应7Li （p ，α ）4He 的质子能量为1MeV 时，如果两个α 粒子相对于入射质子方向对称飞开，试求每一α 粒子的动能E α 和出射角θ 。
9-7．试求镭一铍中子源的最大中子能量E m 。
已知镭源的α 粒子的最大能量为7.69MeV 。
9-8．快中子照射铝靶时，能发生反应27Al(n ，p)27Mg ，Al min 46.9Mg 272127→=−T β。
已知铝靶面积为2×5cm 2，厚为1cm ，靶面垂直于中子束，铝靶经通量密度为107cm -2⋅s -1的快中子长期照射后，经过20.4min ，还有4.18×102Bq 的放射性，试求该反应的截面σ 。
9-9．用20μA 的3.5MeV 的质子束轰击厚为50mg ⋅cm -2的7Li 靶，通过7Li （p ，n ）7Be 反应产生放射性核素7Be 。
设反应截面为300mb ，试求轰击2h 后的放射性活度A 。
核与粒子物理导论_习题解答
附录F ，习题解答 习题00.1, 根据粒子康普顿波长的定义：21()()1c c cm mc mc MeV m-=== 和基本常数值，带入左边的公式。
把求出结果依次填表 0.2, 类点的带电粒子（Ze ，m ）相距为该粒子的康普顿波长的库伦能和静止能量之比：2()c cE mc Z α= 0.3, 404.410G c V V -=⨯0.4, 由式（0.11）可计算（式中的m 用系统的折合质量,i Hi Hm M m M μ=+代替。
1201();2c i Ki a μαεμα-==0.5,222332124115[]()[];7.7910[][][]6.58210[][][]0.19710[]c cm c MeV m s MeV s m c MeV m σσττ------=⨯⨯=⨯⨯=⨯⨯ 习题11,1911年居里夫人制备的第一个国际标准镭放射源，含(226-Ra )mg 74.16。
求当时源的放射性活度以及目前该标准源还含有多少mg 的(226-Ra )，放射性活度是多大?(226-Ra 的半衰期为1600年)解：活度A ＝λNλ＝τ－1=ln2/T 1/2=0.693/1600x3.1557x107=1.37x10-11s -1. N=(16.74x10-3/226)x6.023x1023=4.461x1019. A=1.37x10-11x4.461x1019=6.11x108Bq=0.016CiM(t)=M0exp[-λ(t-t0)]=M02-[(t-t0)/T1/2] ;t-t0=2008-1911=89M(2008)=16.74x2-(89/1600)=16.74x0.9622=16.11mg1. 由于宇宙线的轰击,地球环境中含有痕量放射性核素,(14-C )和(40-K )。
它们的特性列表如下:研究表明,生存在地球上的人通过新陈代谢人体内含有炭比例18％,含钾比例2.0％(均为质量比)。
核与粒子物理导论2
(
E0
i
2
)t
23
g ( E )
(2
1
)2
(
x,
0)e
i
(
E0
i
2
)t
eiEt
dE
0
(x, 0)
2
(E
i E0 )
i 2
(2.22)
上式代表在态(2.19)式中，具有能量为E的几率密度振幅。其几率密度P(E)：
P(E)
g
(E)g(E)
const.
2
(2.1)
1 eV 1.6021765 1019 J
6.582118891016[eV s] k 8.617342105[eV K 1]Fra bibliotek(2.2)
7
粒子物理中的很多重要的物理量都可以 用上述的基本常数表示：
电磁耦合常数，
e2 4 0c
(2.3)
Thomson截面，
粒子或者粒子系统所带的电荷均是基本电量的 整 数 倍。
讨论一个质量为m、带有一个基本电荷的粒子，在一个具
有无限大质量的单位点电荷的库仑场中,当粒子和单点电
荷距离为粒子的康普顿波长时，其库仑能和粒子的静止
能量比为
r
R
e2
c mc
e2
(2.11)
m
4 0 cmc2
40 c
是一个普适常数，与粒子的质量无关，这个参数正是 电磁相互作用的精细结构常数：
与在 t = 0 时刻在空间点 x 发现该状态的几率一 样。由这种态构成的一群全同的粒子，假定在 t子=数0 仍时然刻不有变N0，个即粒：子，即在 t 时刻，其总的粒
核物理与粒子物理导论教学大纲-上海交通大学
《核物理和粒子物理导论》课程教学大纲一、课程基本信息1、课程代码：PH3372、课程名称（中文）：核物理与粒子物理导论课程名称（英文）：An Introduction to Nuclear and Particle Physics3、学时/学分：48/34、先修课程：基础力学、电磁学、高等数学、数学物理方法、原子物理学5、面向对象：物理系三年级或同等基础各专业学生6、开课院（系）、教研室：物理与天文系粒子与核物理研究所7、教材、教学参考书：教材：低能及中高能原子核物理学，程檀生钟毓澍编著，北京大学出版社，1997。
参考书：a.Das and T. Ferbel, Introduction to Nuclear and Particle Physics (2nd Edition),(World Scientific, New Jersey, 2003)b.Particle Physics, by Nai-Sen Zhang (Science Press, 1986) (《粒子物理学》，章乃森著，科学出版社，1986)二、课程性质和任务本课程教学目的是使学生掌握核物理与粒子物理的基本概念，了解核物理与粒子物理的一些最新发展动向。
本课程属专业选修课程，适用物理系三年级或以上各专业学生。
在整个课程讲解之中，强调基本的物理概念，并将随时插入目前国际上相关领域的研究进展和前沿问题，以使学生通过本课程的学习，对核物理与粒子物理相关的研究领域现状有一个了解。
三、教学内容和基本要求第一章：概述1）物质的结构层次2）核物理与粒子物理的发展简史3）自然单位第二章：原子核的基本性质1）综述2）原子核的组成及稳定性3）原子核的大小及密度分布4）原子核的自旋和宇称5）原子核的结合能第三章：原子核的结构和衰变1）费米气体模型2）壳模型3）集体模型4）放射性核的衰变的一般规律5）α衰变6）β衰变7）γ衰变第四章：原子核的反应1）综述：核力简介2）反应截面3）光学模型4）复合核模型5）直接反应6）核的裂变和聚变7）重离子反应第五章：极端条件下的原子核物理1）综述2）热核3）远离β稳定线核4）超重元素5）高自旋态及(巨)超形变核6）超核物理简介第六章：强子的基本性质1）粒子物理发展概述2）自然界中的基本相互作用3）粒子的分类4）对称性和守恒定律第七章：量子色动力学简介1）夸克和胶子的颜色自由度2）渐进自由3）色禁闭4）手征对称5）格点QCD第八章：强子结构模型1）强子的夸克模型2）强子的夸克势模型3）强子的口袋模型第九章：标准模型简介(2h)1）Yang-Mills规范场2）标准模型中的相互作用3）标准模型中的粒子第十章：高能碰撞器物理选讲(2h)1）加速器和探测器2）RHIC物理3）LHC物理对课程讲解的内容，尤其是基本的物理概念，要求能够理解并基本掌握，能够完成老师布置的作业。
许咨宗核与粒子物理学导论
许咨宗核与粒子物理学导论中国历史上，天文、数学、物理学是三大科学的基本学科，其中物理学的研究有巨大的影响力，因为它所涵盖的内容非常广泛。
在研究物理学的过程中，许咨宗(Huguenot)核与粒子物理学受到了特别的关注。
许咨宗核与粒子物理学是一门开放的，专注于研究粒子物理学的学校科学，它旨在帮助学生更好地理解粒子物理学的基础概念，以及更清楚地了解宇宙中各种粒子的特性和结构。
它结合了天文学、数学和物理学的知识，系统地讨论了物理世界的基本概念，运动学，力学，电磁学，量子力学，热力学，天体物理学和粒子物理学。
许咨宗核与粒子物理学的研究一般分为四大类：一是对粒子的物理组成的研究，二是研究粒子的能量和物理性质的研究，三是研究粒子的相互作用，四是研究各类粒子的统计物理学方法。
粒子物理学家在研究粒子物理学时，经常会把宇宙中的粒子分为三大类：强子、中微子和小中子。
这三大类粒子的特性有很大的不同，它们对于了解宇宙中各种物质的研究是非常重要的。
强子具有最大的质量和最小的半衰期，而中微子比强子要小得多，但其半衰期也比强子要长。
小中子有比强子更小的质量，其半衰期比中微子要长的多。
研究粒子物理学有几种方法：首先，粒子物理学家可以使用实验来观察宇宙中的物质；其次，他们可以使用理论模型来预测粒子的运动轨迹和性质；最后，他们还可以使用计算机模拟来深入研究不同粒子之间的作用。
此外，粒子物理学家还可以使用矩阵方法来描述粒子物理学中的微观过程。
矩阵方法可以用来计算粒子之间的相互作用，以及粒子与空间结构之间的相互作用。
最后，许咨宗核与粒子物理学在细胞生物学方面也有广泛的应用，因为粒子物理学可以帮助认识生物体内的一些重要机制，如细胞的结构、能量的传递和细胞的信号传导等，这些机制对于生物体的发育、繁殖和生存都具有重要的意义。
因此，许咨宗核与粒子物理学的研究也在医学、环境保护、航空航天技术等领域发挥着重要作用。
综上所述，许咨宗核与粒子物理学是天文学、数学和物理学三门学科研究宇宙中物体结构和性质的重要学科，可以说它对人们理解宇宙的基本构造和运行机制都有巨大的帮助。
物理类导论：粒子与高能核物理
• …… ……
AGS
PHOBOS
RHIC
PHENIX STAR
BRAHMS
AGS
TANDEMS
Geneva LHC
SPS
HEHIC
六、实验可观测量及其新近结果
Projectile Begin collision
Compression Thermalization
假定
g( p, r) P( p)r(r)
r(r)
exp(
r2 2R2
t2
2
2
)
C(q, q0 ) 1 exp( q2 R2 q02 2 )
R 源半径， 源寿命
q | p1 ─ p2 | , q0 | E1 ─ E2 |
RHIC的HBT之谜（1）
R side
R out
K. Adcox et al., Phys. Rev. Lett. 88, 192302 (2002)
t (fm/c)
n B (fm-3)
n B (fm-3)
14 12 10 8 6 4 2 0 -2 0 2 4 6 8 10
t (fm/c)
14 12 10 8 6 4 2 0 -2 0 2 4 6 8 10
t (fm/c)
n B (fm-3)
• 1974年,美国劳伦兹伯克利国 家实验室(LBL), Bevalac, E=1～2 AGeV, T=50～80
Au Au, sNN 200 GeV
➢p+p
✓2-jets
➢Peripheral Au+Au
✓2-jets
➢Central Au+Au
? 1-jet!
《核与粒子物理导论》课程教学大纲
该课程重点介绍实验观测到的核与粒子的基本特性，它们之间相互作用的基本规律；在核子的层次上讲解原子核的结构，在部分子的层次上讲解强子的结构。
使学生对当今人类探索物质结构的前沿有较好的认识。
要求学生对课程讲解的内容，尤其是基本的物理概念，能够理解并基本掌握，能够完成老师布置的作业。
课外要求学生多利用网络了解国际上与本课程相关的学术动态，参与相关的科学研究课题，培养科学研究能力。
三、先修课程高等数学、原子物理、量子力学、力学、电磁学、数学物理方法四、课程教学重、难点重点：核与粒子的基本性质、放射性和稳定性、衰变、原子核反应。
难点：相互作用、核结构、标准模型。
五、课程教学方法与教学手段六、课程教学内容绪论（2学时）第一章核与粒子的基本性质（5学时）1．教学内容（1）原子核的电荷；（2）质量和半径；（3）原子核的自旋；（4）原子核的磁矩；（5）原子核的电四极矩；（6）原子核的宇称；（7）原子核的统计性质；（8）原子核的同位旋；（9）夸克与轻子。
2．重、难点提示（1）原子核的自旋、磁矩和宇称；（2）原子核的电四极矩、同位旋、夸克和轻子。
第二章放射性和稳定性（5学时）1．教学内容（1）核与粒子的不稳定性;（2）放射性衰变的基本规律;（3）原子核的结合能。
2．重、难点提示（1）激发态和共振态的衰变；（2）原子核的液滴模型。
第三章相互作用( 4 学时)1．教学内容（1）强相互作用和弱相互作用;（2）核力及其基本性质。
2．重、难点提示（1）强相互作用；（2）核力的基本性质。
第四章衰变（4学时）1．教学内容（1）α衰变;（2）β衰变;（3）γ衰变;（4）选择定则。
2．重、难点提示（1）衰变的基本理论；（2）中微子的基本性质。
第五章核结构模型（4学时）1．教学内容（1）费米气体模型;（2）原子核的壳模型;（3）集体模型。
核与粒子物理导论4
27
* Fermi 双参数荷分布
参数 a, c及其意义
(r)
0
1 exp r c
a
参数c: 荷的半密度半径 a(t): ～表层形状“皮”
t = (4ln3)a 4.4a
28
实验给出核素荷分布的重要信息(根据e(Z,A)散射数据)
initial
f
d dEtotal
d 3 p1d 3 p2
(2 )3(n1)
d 3 pn1 2Ek
(3.8)
final
在目空量前间子已密场发度论展也中各不种是，计人首算工先机可画程以出序轻与库易过用进程来行相推的关导的，和费也求曼必解图须求，Mif助然。于后同计按样算费求机曼解来规多实则粒现计子算。末M态if相，
0
sin qr
80a3 (1
q2a2 )2
(1 q2a2 )2
22
*高斯分布
( r )2
(r) e b
3
0 ( 2b3)
F
(q2
)
b2
e4
q2
23
*矩形分布
(r) r R
ρ(r)
0 Rr
3
0 4 R3
R
r
F(q2 ) 3 [sin qR qR cos qR] (qR)3
q2
(Ec
Ea )2
(
pc
pa
)2
2
p2 (1
cos
)
4
p2
sin2 ( )
2
pθ q -p
核物理与粒子物理导论课件12原子核的亚核子物理
自由轻子的质量列在表中。中微子的质量只是给出了上限， 不排斥其为0。尽管许多物理学家相信中微子有非0的质量， 但在实验上确定非常困难，原因是中微子既不参与强相互作 用，也不参与电磁相互作用，很难进行精确测量。
νe
< 8 eV/c2
e
0.51 MeV/c2
νμ
< 0.25 MeV/c2 μ
105.6 MeV/c2
ντ
<35 MeV/c2
τ
1776.9 ± 0.5
MeV/c2
传递相互作用的粒子(场粒子) :整数自旋，被称为规范玻色 子。
相互作用 引力作用 电磁作用 弱作用
强作用
相互作用和规范玻色子
作用于
规范玻色子
所有粒子
引力子（无质量、自旋2）
所有带电粒子
光子（无质量、自旋1）
夸克、轻子、电弱规 W±、Z0（重粒子也可分为三代：
Q
Li
⎜⎜⎝⎛νe e ⎟⎟⎠⎞
⎜⎜⎝⎛μν μ ⎟⎟⎠⎞
⎜⎜⎝⎛τν τ ⎟⎟⎠⎞
0 -e
1 1
代1
2
3
可以分别定义电轻子数Le、μ轻子数Lμ和τ轻子数 Lτ ，至今的实验观测表明它们各自守恒。
每一种轻子都对应一种反轻子(Q、Li反号） ，因此共有 12种轻子。
由夸克组成的重子数不为0的粒子称为重子，比如质子 （uud）和中子（udd）的B=1。
由夸克和反夸克组成的粒子B=0，称为介子。 实验观测到重子数是守恒的。
｛ 重子
强子（参与强相互作用） 介子
至今的实验表明，任何带色的粒子都不能是自由粒子，而 是被束缚在整体上无色的强子内部，这就是所谓的色禁闭或夸 克禁闭现象。正是这种现象，使夸克的组合方式受到许多限 制。也是由于夸克的禁闭，使得自由夸克质量的定义变得不明 确，我们到后面再来讨论这个问题。
核物理与粒子物理导论chap_1_4-7 (10)
53
习题
3-1．如果已知质子在某种介质中的射程和能量关系曲线，试求出某一能量的氘、氚在同种介质中的射程值。
3-2．利用NaI（Tl）γ谱仪测24Na（Eγ＝2.76MeV）γ谱，预测所测γ谱的大概形状。
3-3．计算4000Bq的210Po源（Eα＝5.30MeV），当发射的α粒子完全被阻止在一充Ar电离室的灵敏区内时，计算其产生的平均电流。
3-4．试估算耗尽层厚度为5mm Si探测器中，完全收集电离电荷的最短时间？
3-5．用一个Si（Au）探测器（基质材料电阻率ρ＝2000Ω⋅cm）测5.3MeV α粒子的能谱。
外加偏压为0时，有无脉冲信号输出？逐渐升高偏压，输出脉冲幅度有何变化？探测器的能量分辨率会有什么变化？实际上应选择什么样的偏压值?
3-6．假定在Si和Ge探测器中除产生电子⎯空穴对数目的涨落不同外，其余因素对全能峰FWHM的贡献皆为5keV。
若带电粒子在Si和Ge探测器中获得全能峰总的FWHM＝（50）1/2keV，试求相应的带电粒子能量？。
核与粒子物理导论期终复习要点(2007
《核与粒子物理导论》期终复习要点(2007，12)第二章，相对论运动学正确运用洛仑兹变换解决实验室系和动量中心系相对论性粒子碰撞运动学的变换关系：1，多粒子系统的不变质量；2，粒子反应过程的阈能；3，运用能动量守恒解决碰撞末态粒子在两个特定参考系中能量、动量之间的关系；4，。
完成并搞懂本章指定的习题第三章，核与粒子的基本特性3－1，理解不稳定粒子的总能量用(Е0－iГ/2)表示的物理含义。
长寿命粒子（例如Ф介子）和短寿命粒子（例如J粒子）衰变末态粒子的不变质量谱的形状有什么区别？3－2，原子光谱的精细和超精细劈裂的物理机理？它们劈裂的间隔的量级各约为多大？3－3，原子核的自旋与原子光谱的超精细劈裂有那些关系？3－4，如何通过核磁共振的方法来测量原子核的磁矩，原子的磁矩和原子核磁矩分别用什么标准磁子来表示？它们之间的大小有什么差别?3－5,原子核的电四极矩与原子核的形状有什么联系？3－6，实验测量中子电偶极矩的装置和原理，为甚么到现在人们还对粒子电偶极矩的测量有极大的兴趣。
对其测量有何重要的物理意义？3－7，完成并搞懂本章指定的习题第四章，核与粒子的非点结构4－1，粒子分为哪三大类，说明它们在结构、相互作用和自旋方面各有什么特征？举出每类粒子的基本成员。
4－2画出量子场论中描述类点粒子相互作用的基本图示，写出相互作用传播子因子的基本形式。
说明图示的物理意义和传播子因子中各参数的物理意义。
说明亚原子的三种相互作用过程的截面或者衰变几率的差别以及这种差别的内在的物理原因。
4－3，核结构的形状因子的定义，实验上如何测量形状因子？什么是弹性散射？探测核与粒子的电磁形状因子的最佳探针是什么？4－4，类空散射过程的四动量传递平方的定义，微分截面的定义，弹性散射对极角的依赖关系?4－5，质子和中子的磁矩的实验值是多大（用核磁子表示）其g－因子分别取什么值？它给人们关于核子结构的什么启示？4－6，电子与原子核的弹性散射为人们提供原子核电荷分布的哪些重要信息（电荷密度分布、电荷分布的方均根半径。
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原子核物理 卢希庭等 粒子物理 章乃森
USTC/Xu Z.Z
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Maser Laser
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Fission and Fission Energy
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Politics is harder than Physics -- A. Einstein
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L3-Largest Spectr.
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e + e → f f ( f = e, μ ,τ , qi )
+ −
Introduction to Nuclear and Particle Physics
主讲 许咨宗、伍健 2005、秋
核与粒子物理导论
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亚原子物理简介
Cosmos and Micro-cosmos Sub-atom Physics—the frontier for exploring micro-structure of matter Nucleus and Particles-the Lab. For Interaction research Research Platform,Spectrometers and Accelerators The garden for growing new thoughts and Hi-Tech
From cfA
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Our Milky Way
30kpc in dia. , 2×1011 stars
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Andromeda galaxy
2.9E6 lys from us.Several handr. Billions of Stars USTC/Xu Z.Z
The more particles come
The more Energy
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Accelerators in CERN
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Largest in World
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Underground
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RHIC/BNL
n,
2
E,
p
n~ A ,E =h , p = k ν
h
λ
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理论物理、光电效应
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电子衍射
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Quantum Mechanics
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Atom Model
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∂ i ψ = ΗΨ ∂t
(iγ μ∂μ − m)Ψ = 0
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Atom has a core
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Nuclear Structure
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Nucleon structure
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相对论时空观的建立
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对称性及其破缺
Space Inversion Symmetry Broken
教材和参考书
核与粒子物理导论（许咨宗，讲义） Introduction to High Energy Physics D.H.Perkins 粒子物理与核物理讲座 高崇寿、曾谨言 Subatom Physics Hans Fraunfield 亚原子物理 汉斯 弗朗费尔德 原子核物理进展 丁大钊等
Sub-atom
the frontier for exploring micro-structure of matter
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Structure of Matter
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Most Fundamental Particles
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3 families of construction blocks
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授课内容
实验方法（附录＋1、2章）；核与粒子的基 本特性（3章）；核与粒子的非点结（4 章） 对称性与守恒定律（5、6章） 强子结构的quark 模型；粒子及其相互作用 （7章＋8章？） 原子核的结构模型；原子核的衰变及原子核 反应 亚原子物理与其他学科的交叉
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P − 破缺
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NOV. -Revolution
J /ψ
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Electro－Weak Unification
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High Technology
原子过程的研究，激光技术的发展 原子核过程的研究，核能的利用 推动其他领域的技术革命和技术革新
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Discover X-ray
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Discover Electron
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Discover Radioactivity
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Energy Quanta
18
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Wave-Particle Duality
A, ω = 2πν, λ
~ 10 −10 m
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4 interactions in Cosmos
USTC/Xu Z.Z
Lab. for Interaction research
R ~ 10−18 m( weak )
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Research Platform
Accelerators:
High energy particle probes
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Cosmos and Micro-cosmos
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Evolution of Cosmos
USTC/Xu Z.Z
Large Scale Structure
Out to a distance of 150 Mpc (pc=3.086×1016m). Galaxy positions are plotted as white points.it’s said there are 1011 galaxies in Cosmos
Spectrometers :
Record and Transfer the signals of interactions between particles
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Why High Energy
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Create New Particles
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PET
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Open Questions
4种相互作用力的统一？ 粒子质量的来源？Higgs 粒子？ 部分子禁闭？ 对称性的破缺？ 粒子物理与宇宙学的交叉
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Keep Eyes On。。。
Belle and Barbar for CP violation CDF and D0 at FNL for Top and Higgs RHIC for QGP LHC for Higgs and QGP 2007 Neutrino Experiments in the world
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Scales
≥10 eV
10
108 ~1010 eV Q+L 4 8 10 ~10 eV Particles 10 ~10 eV 10−5 ~100 eV
Condense M
≥ 10 −9 m
1 4
Nucleus
~ 10 −14 m
≤ 10 −18 m ~ 10 −15 m
atom
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Au + Au → X + Y +
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The Garden for growing new Philosophy and HiTech
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New philosophy
从经典物理到量子物理 建立科学的原子结构理论 建立唯像的原子核结构模型 中子、质子不是基本粒子 相对论时空观的建立 对称性的破缺 相互作用力的统一