17原子核和基本粒子概论
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大学物理第17章,原子核与基本粒子
3、自旋。（自旋角动量以 为单位）
4、平均寿命。
二、粒子相互作用极其统一模型
四种相互作用的比较
引力作用
作用力 长程，
程/m
弱作用
短程 <10-16
电磁作用
长程，
强作用
短程 10-15~10-16
举例 天体之间 衰变 原子结合
核力
相对 强度
媒介
10-39 引力子
10-15
中间 玻色子
1/173 光子
核自旋角动量空间量子化
L Z m I , m I I, (I 1 ) , 1 2或 0
质子的磁矩 p2.792em p 2.79 N
核磁子
N
e 2m p
中子的磁矩 n1.91 N
原子核有磁矩
JgJ 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。
AddN tNN0et
t=0，N=N0，A=N0
A A0et 国际单位：贝克 (Bq) 1Bq表示每秒发生一次核衰变的放射源的活度。 常用单位：居里( Ci) 1C i 3.710 10Bq
二、几种主要的衰变方式
三种衰变：衰变、衰变、衰变
1) 衰变是原子核放射出粒子(即氦核)
Z AX A Z 42Y24He
物质的基本单元 原子
质子、中子、电子 夸克
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。
质子（P）： e mp 1.0072u76 核子 中子（n）：电中m 性 n1.008u665
1u1.660516 0527k5g
原子核符号
4、平均寿命。
二、粒子相互作用极其统一模型
四种相互作用的比较
引力作用
作用力 长程，
程/m
弱作用
短程 <10-16
电磁作用
长程，
强作用
短程 10-15~10-16
举例 天体之间 衰变 原子结合
核力
相对 强度
媒介
10-39 引力子
10-15
中间 玻色子
1/173 光子
核自旋角动量空间量子化
L Z m I , m I I, (I 1 ) , 1 2或 0
质子的磁矩 p2.792em p 2.79 N
核磁子
N
e 2m p
中子的磁矩 n1.91 N
原子核有磁矩
JgJ 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。
AddN tNN0et
t=0，N=N0，A=N0
A A0et 国际单位：贝克 (Bq) 1Bq表示每秒发生一次核衰变的放射源的活度。 常用单位：居里( Ci) 1C i 3.710 10Bq
二、几种主要的衰变方式
三种衰变：衰变、衰变、衰变
1) 衰变是原子核放射出粒子(即氦核)
Z AX A Z 42Y24He
物质的基本单元 原子
质子、中子、电子 夸克
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。
质子（P）： e mp 1.0072u76 核子 中子（n）：电中m 性 n1.008u665
1u1.660516 0527k5g
原子核符号
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
17原子核和基本粒子PPT课件
15
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。
5
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。
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。
5
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。
大学物理17 原子核基本知识简介
每个核子的结合能 / MeV
质量数 比结合能 B/A 随质量数 A 的变化
讨论 (1) 在A 小于30 的原子核中，比结合能的数值就其总的趋势 来讲是随 A 的增大而增大，但有明显的起伏。 (2) 质量数大于 30 的原子核中，比结合能随 A 的变化不大， 近似为常数。这个近乎不变的特征是核子只与邻近核子 作用(即核力具有饱和性)的一个证据。 (3) 轻核和重核的比结合能都小于中等质量原子核的比结合 能，这一事实是核能得以利用的基础。
核物质的平均密度
核物质均匀分布！
V A:
m Au 3u 17 3 2 . 3 10 kg / m 3 V 4 R 3 A 4 R0 0 3 各种原子核，核物质密度相同！
白矮星 中子星 10 9 ～ 1011 kg / m3 10 kg / m
18 3
核物质密度非常大！
如：1 1 H (氢核,质子) 或：60 Co 原子核的分类 核素
131
60 27
238
Co
I
U
质子数、中子数相同且能量完全相同的原子核的集合体叫做核 素。 同种元素有一种或多种核素。
同位素 质子数相同的核素叫做同位素。
1 2 3 H , H , 1 1 1H
16 8 18 O ,ຫໍສະໝຸດ 17 O , 8 8O第19章 原子核基本知识简介
放射性元素
放射性元素（确切地说应为放射性核素）能够自发地从 原子核内部放出粒子或射线，同时释放出能量，这种现象 叫做放射性，这一过程叫做放射性衰变。某些物质的原子 核能发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到，只能用 专门的仪器才能探测到的射线。物质的这种性质叫放射 性。
单位， u
1 u 1.660 540 2 1027 kg
【量子物理学】原子核与基本粒子
第四章 原子核与粒子
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
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
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）。
第三章原子核 粒子
(2) gI 是一个纯数，可能为正，也可能为负，分别表示磁矩 与核自旋平行和反平行两种情况。 (3) 核磁矩在给定方向的投影可能取值为 gImIµ 。其投影的 N 最大可能值为 ' I g I I N 。
(4) 质子的磁矩几乎是核磁子的三倍，而中子具有负磁矩，
数值约为核磁子的两倍。这表明不能把质子和中子看成 是无内部结构的粒子。 (5) 氘核的磁矩虽然非常接近于质子磁矩和中子磁矩之和， 但并不完全相等，其它原子核的磁矩也是如此，都不等 于组成它的所有核子磁矩之和。这一事实说明核内各核
E
d
(m X mY m e )c ( M
2
X
M Y )c
2
M
X
MY
原子核内一个质子转化为中子，同时放出一个正电子和一个 中微子。只在人工放射物中出现。
A Z
X
A
Z 1
Y 1e e
0
2 X
衰变能
E d (m X mY m e )c ( M
当放射性物质发生衰变时，除了放出粒子外，还要放出一个中性粒 子，其静止质量几乎为0，故称为中微子。
衰变能：
E d E e E E 子 E e E
1956年，从实验上发现了中微子。
衰变能可以在电子和中微子间任意分配！
☆ 当时已知的基本粒子只有电子和质子。1932年中子发现，
T ln2 λ
τ
1 λ
T ln 2
说明 (1) 平均寿命为衰变常量的倒数，是半衰期的 1.44 倍 (2) 经过时间 后，剩下的原子核数约为原来的 37％
3.4 原子核反应
放射性核衰变是不稳定核的自发转变，核反应是用具有 一定能量的粒子轰击一个原子核，使其放出某种粒子而 转变为新原子核的过程 。研究核反应的重要目的之一是 获取核能（裂变能，聚变能）。 一、 核反应的一般规律
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。
第17章原子核物理简介
原子核内，核子之间的距离都在 1015m 以内，因而质子 之间有很强的静电斥力，这种斥力有拆散原子核的趋势；另 一方面，把原子核拆散成质子和中子需要耗费巨大的功。可 见在核子之间一定还存在一种比静电斥力更强的相互作用力， 以使质子和中子集结在一起，形成稳定的核，这种力称为核 力。
无论是质子与质子、中子与中子或质子与中子之间都有核力相互作用， 而且任意两个核子之间的核力大致相等。
迈耶和金森提出了类似于原子能级 那样的壳层模型（1963年诺贝尔奖）， 该模型给出的核子的能级，如图所示。
由图可知，对于质子或中子数为2,8, 20,28,50,82,126的核称为幻数核， 分布有核子的最高能级到其上边没有 核子的能级的差都比较大。说明这些 幻数核都特别稳定，这一结果与实验 相符。
质子和中子是如何结合组成原子核的呢？到目前为止, 原 子核的结构还没有精确、全面的理论描述，因此, 只能利用一 些模型来近似说明。
液滴模型最初是由玻尔根据核力 和液体的分子力的相似而提出的。
核子距离很小→斥力，使得核液不可压缩 核子距离很大→引力，使得核液维持一定形状 类似于普通的液滴由于表面张力而聚成球形。
E / A mc2 / A —— 描述原子核结合的紧密
以为平均结合能纵坐标，核子数为横坐标，可得两者的关系， 如图所示：
从右图可以看出，对应于中等 原子量元素的核，核子的平均结合 能最大，且近似地均等于 8.6MeV， 因此最稳定。 而对于轻核和重核， 每个核子的平均结合能都比上述数 值小，因此当轻核聚合成中等质量 的核或重核分裂成中等质量的核时, 都有大量能量放出，这种能量称为 原子核能，简称原子能。
2.291017 kg m3
从上述原子核密度近乎相同的事实表明，无论原子核中核子 数目有多少，每一个核子在核内几乎都占有相同大小的体积。
原子核和基本粒子简介
1 2 3
第5页 共28页
• 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。
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
第6页 共28页
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
第16页 共28页
18.4 原子核能的利用
重核的裂变:
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.
第20页 共28页
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
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
第8页 共28页
放射源
第5页 共28页
• 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。
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
第6页 共28页
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
第16页 共28页
18.4 原子核能的利用
重核的裂变:
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.
第20页 共28页
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
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
第8页 共28页
放射源
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
自旋为零
平均寿命 每个原子核衰变前存在的时间的平均值。
原子核的寿命：
1 N0
0
1 t ( dN ) N0
0
tNdt
0
te t dt
平均寿命：
1
T1 2 ln 2
平均寿命与半衰期的关系：
3.射性活度（放射性强度） 放射性物质在单位时间内发生衰变的核的数目。
所以在一切原子核中，核物质的密度近似相等。
m 1017 kg m 3
二、原子核的自旋和磁矩
原子核的自旋角动量为 L I ( I 1) I 核自旋量子数 I可以是整数，也可以是半整数。 核自旋角动量空间量子化 1 LZ m I , m I I ,( I 1) , 或0 2 e 2.79 N 质子的磁矩 p 2.79 2m p e 核磁子 N 2m p n 1.91 N 中子的磁矩 J gJ N J 原子核有磁矩
同量异位素:质量数A相同而质子数Z不同的核素。 同质异能素:具有相同质量数A和中子数N,但能态不 同的核素。 质子、电子和中子符号
1 1 1 H ( 1P ) 0 1 1 0
e
n
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 A1 3
R0 1.20 1015 m
由质子和中子形成原子核时所放出的能量。
Eb mi c 2 Mc 2
i
原子核由Z个质子和N个中子结合而成，
m
i
i
Zm p Nmn
2 2
Eb ( Zm p Nmn )c Mc
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
原子物理中的粒子物理学与基本粒子
原子物理中的粒子物理学与基本粒子粒子物理学是研究物质最基本组成部分的学科，它的研究对象是基本粒子。
在原子物理中，我们可以借助粒子物理学的知识来更深入地了解原子内部的组成和相互作用。
本文将介绍原子物理中的粒子物理学以及一些常见的基本粒子。
一、粒子物理学的概述粒子物理学是物理学的一个分支，研究物质的最基本单位和其相互作用。
它致力于揭示宇宙的基本构造和规律，解答关于物质世界奥秘的根本问题。
粒子物理学通过观察和研究微观粒子的性质，寻找它们之间的相互作用规律，探索揭示宇宙的奥秘。
二、基本粒子的分类基本粒子是构成物质的最基本单位，包括了费米子和玻色子两类。
1. 费米子：费米子遵循了费米-狄拉克统计，具有半整数自旋。
常见的费米子有电子、中子和质子等。
其中，电子是最轻的基本粒子之一，带有负电荷，质量极小。
2. 玻色子：玻色子遵循了玻色-爱因斯坦统计，具有整数自旋。
常见的玻色子有光子、声子和希格斯玻色子等。
光子是电磁辐射粒子，也是光的传播媒介。
三、粒子物理学在原子物理中的应用粒子物理学为原子物理提供了深入的理论和实验基础，它对原子内部的结构和相互作用提供了新的认识。
1. 原子核结构：粒子物理学的研究结果揭示了原子核的构成。
中子和质子作为原子核的基本构成，通过相互作用形成了稳定的原子核。
2. 轨道结构：粒子物理学的研究也帮助我们了解了原子内部电子的排布方式和运动规律。
电子通过量子力学的描述，分布在不同能级的轨道上。
3. 相互作用：粒子物理学的研究还揭示了原子内部粒子之间的相互作用机制，如电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用等。
这些相互作用决定了原子的稳定性和性质。
四、粒子物理学的发展与挑战粒子物理学的发展离不开不断推陈出新的实验技术和理论突破。
目前，粒子物理学家们正在进行更加深入和精确的实验研究，希望找到更多的基本粒子、相互作用模式和新的物理规律。
然而，粒子物理学也面临一些挑战。
其中之一是对基本粒子的探索需要更高的能量和更精密的实验设备。
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mi Zmp Nmn
i
Eb ( Zmp Nmn )c2 m0c2
例：计算 5 Li 核和 6 Li 核的结合能，已知 5 Li 原子 的质量为 m0 5.012539u ，6 Li 原子的质量为 m0 6.015121u ，氢原子的质量为 mH 1.007825u 。 解：由 Eb ( Zmp Nmn )c2 m0c2可得
1. 古物年鉴
例. 已知 40 K 衰变为 40 Ar的半衰期是 1.28 1年09。
Eb,5 ( 3 1.007825 2 1.008665 5.012539) 931.5 26.3MeV
Eb,6 ( 3 1.007825 3 1.008665 6.015121) 931.5 32.0MeV
平均结合能(比结合能)：
原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的
比值。
Eb
Eb A
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 dt
N
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。
2.半衰期和平均寿命
半衰期: 原子核衰变到 N = N0 / 2 所需的时间。
1 2
N0
N e T1 2 0
T1
2
ln 2
同量异位素:质量数A相同而质子数Z不同的核素。
同质异能素:具有相同质量数A和中子数N,但能态不 同的核素。
质子、电子和中子符号
1 1
H
(
11P
)
10e
01n
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 A1 3
R0 1.201015 m
所以在一切原子核中，核物质的密度近似相等。
平均结合能越大， 原子核越稳定。
17-2 原子核的放射性衰变
不稳定的原子核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。 一、放射性衰变的一般规律 1.指数衰减规律
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t～t+dt 时间内有-dN 个核发生衰变
dN Ndt 或 dN dt
N0et
t=0，N=N0，A=N0
A A0et
国际单位：贝克 (Bq) 1Bq表示每秒发生一次核衰变的放射源的活度。
常用单位：居里( Ci) 1Ci 3.7 1010 Bq
例. 226 Ra的半衰期为1600年，1克纯 226 Ra 经过400 年和6000年时的活度分别是多少？
解： 样品的最初核数为
物质的基本单元 原子
质子、中子、电子 夸克
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。
质子（P）： e m p 1.007276u
中子（n）：电中性 mn 1.008665u 1u 1.66056551027 kg
核子
原子核符号
0.693
平均寿命
每个原子核衰变前存在的时间的平均值。
原子核的寿命：
1
t(dN )
1
tNdt
tetdt
N0 0
N0 0
0
平均寿命：
1
平均寿命与半衰期的关系：
T1 2 ln 2
1.44T1 2
3.射性活度（放射性强度） 放射性物质在单位时间内发生衰变的核的数目。
A
dN dt
N
核力的特征：
1.核力是比电磁力强得多的强相互作用力， 主要是吸引力。
2.核力是短程力，核子间距离小于10-15m时才明显。 3.核力与核子带电状况无关。 4.核力具有饱和性。
1935年，日本物理学家汤川秀树提出核力的介子理论， 认为核子之间通过交换介子而发生核力作用。
四、 原子核的结合能和平均结合能
n
1.91 N 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。
三、核力的基本性质
核子之间的相互作用力，抵消核子之间的 较强的库仑排斥力。
m 1017 kg m3
二、原子核的自旋和磁矩
原子核的自旋角动量为 L I(I 1)
I 核自旋量子数 I可以是整数，也可以是半整数。
核自旋角动量空间量子化
LZ mI , mI
质子的磁矩 p
I ,( I 2.79
1), 1 或0
e 2m p
2
2.79 N
核磁子Leabharlann Ne 2m p中子的磁矩 原子核的磁矩
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。
原子核结合能： 由质子和中子形成原子核时所放出的能量。
Eb mic2 m0c2
i
原子核由Z个质子和N个中子结合而成，
N0
1 226
6.023 1023
2.66 1021
0.693
T1 2
0.693 1600 3.154 107
1.37 1011 s1
ln 2
A400 N0e 1.37 1011 2.66 1021 e T1 2
0.83Ci
A1600 0.073Ci
二、几种主要的衰变方式
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
同中子异荷素:具有相同中子数N 、不同质子数Z 的核素。
三种衰变：衰变、衰变、衰变
1) 衰变是原子核放射出粒子(即氦核)
A Z
X
Y A4
Z 2
24He
A Z
X
母核
中微子的发现
Y A4
Z2
子核
1930年泡利根据衰变前后应遵守角动量守恒和能 量守恒提出核在发射粒子的同时应发射一个质量 几乎为零的中性粒子，称中微子。
2) 衰变是核电荷改变而核子数不变的核衰变.
-衰变是原子核内中子转变成质子，同时放出一个
电子和与电子相联系的反中微子 01n11P10e ~
A Z
X
Z
A1Y
10e
~
+衰变是原子核内质子转变成中子，同时放出一个
正电子和一个中微子
1 1
P
01n10e
3) 衰变
A Z
X
Z
A1Y
10e
e
射线是光子流，是在衰变或衰变后形成新核时
辐射出来的。
三、放射性的应用
i
Eb ( Zmp Nmn )c2 m0c2
例：计算 5 Li 核和 6 Li 核的结合能，已知 5 Li 原子 的质量为 m0 5.012539u ，6 Li 原子的质量为 m0 6.015121u ，氢原子的质量为 mH 1.007825u 。 解：由 Eb ( Zmp Nmn )c2 m0c2可得
1. 古物年鉴
例. 已知 40 K 衰变为 40 Ar的半衰期是 1.28 1年09。
Eb,5 ( 3 1.007825 2 1.008665 5.012539) 931.5 26.3MeV
Eb,6 ( 3 1.007825 3 1.008665 6.015121) 931.5 32.0MeV
平均结合能(比结合能)：
原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的
比值。
Eb
Eb A
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 dt
N
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。
2.半衰期和平均寿命
半衰期: 原子核衰变到 N = N0 / 2 所需的时间。
1 2
N0
N e T1 2 0
T1
2
ln 2
同量异位素:质量数A相同而质子数Z不同的核素。
同质异能素:具有相同质量数A和中子数N,但能态不 同的核素。
质子、电子和中子符号
1 1
H
(
11P
)
10e
01n
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 A1 3
R0 1.201015 m
所以在一切原子核中，核物质的密度近似相等。
平均结合能越大， 原子核越稳定。
17-2 原子核的放射性衰变
不稳定的原子核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。 一、放射性衰变的一般规律 1.指数衰减规律
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t～t+dt 时间内有-dN 个核发生衰变
dN Ndt 或 dN dt
N0et
t=0，N=N0，A=N0
A A0et
国际单位：贝克 (Bq) 1Bq表示每秒发生一次核衰变的放射源的活度。
常用单位：居里( Ci) 1Ci 3.7 1010 Bq
例. 226 Ra的半衰期为1600年，1克纯 226 Ra 经过400 年和6000年时的活度分别是多少？
解： 样品的最初核数为
物质的基本单元 原子
质子、中子、电子 夸克
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。
质子（P）： e m p 1.007276u
中子（n）：电中性 mn 1.008665u 1u 1.66056551027 kg
核子
原子核符号
0.693
平均寿命
每个原子核衰变前存在的时间的平均值。
原子核的寿命：
1
t(dN )
1
tNdt
tetdt
N0 0
N0 0
0
平均寿命：
1
平均寿命与半衰期的关系：
T1 2 ln 2
1.44T1 2
3.射性活度（放射性强度） 放射性物质在单位时间内发生衰变的核的数目。
A
dN dt
N
核力的特征：
1.核力是比电磁力强得多的强相互作用力， 主要是吸引力。
2.核力是短程力，核子间距离小于10-15m时才明显。 3.核力与核子带电状况无关。 4.核力具有饱和性。
1935年，日本物理学家汤川秀树提出核力的介子理论， 认为核子之间通过交换介子而发生核力作用。
四、 原子核的结合能和平均结合能
n
1.91 N 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。
三、核力的基本性质
核子之间的相互作用力，抵消核子之间的 较强的库仑排斥力。
m 1017 kg m3
二、原子核的自旋和磁矩
原子核的自旋角动量为 L I(I 1)
I 核自旋量子数 I可以是整数，也可以是半整数。
核自旋角动量空间量子化
LZ mI , mI
质子的磁矩 p
I ,( I 2.79
1), 1 或0
e 2m p
2
2.79 N
核磁子Leabharlann Ne 2m p中子的磁矩 原子核的磁矩
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。
原子核结合能： 由质子和中子形成原子核时所放出的能量。
Eb mic2 m0c2
i
原子核由Z个质子和N个中子结合而成，
N0
1 226
6.023 1023
2.66 1021
0.693
T1 2
0.693 1600 3.154 107
1.37 1011 s1
ln 2
A400 N0e 1.37 1011 2.66 1021 e T1 2
0.83Ci
A1600 0.073Ci
二、几种主要的衰变方式
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
同中子异荷素:具有相同中子数N 、不同质子数Z 的核素。
三种衰变：衰变、衰变、衰变
1) 衰变是原子核放射出粒子(即氦核)
A Z
X
Y A4
Z 2
24He
A Z
X
母核
中微子的发现
Y A4
Z2
子核
1930年泡利根据衰变前后应遵守角动量守恒和能 量守恒提出核在发射粒子的同时应发射一个质量 几乎为零的中性粒子，称中微子。
2) 衰变是核电荷改变而核子数不变的核衰变.
-衰变是原子核内中子转变成质子，同时放出一个
电子和与电子相联系的反中微子 01n11P10e ~
A Z
X
Z
A1Y
10e
~
+衰变是原子核内质子转变成中子，同时放出一个
正电子和一个中微子
1 1
P
01n10e
3) 衰变
A Z
X
Z
A1Y
10e
e
射线是光子流，是在衰变或衰变后形成新核时
辐射出来的。
三、放射性的应用