高中物理奧林匹克競(jìng)賽專題--原子核和基本粒子

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1、物質(zhì)的基本單元物質(zhì)的基本單元原子原子質(zhì)子、中子、電子質(zhì)子、中子、電子夸克夸克17-1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)一、原子核電荷、質(zhì)量和密度一、原子核電荷、質(zhì)量和密度原子核由質(zhì)子和中子組成。原子核由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子（質(zhì)子（P）：）：中子（中子（n）：）：原子核符號(hào)原子核符號(hào)u.mep0072761 u.mn0086651 電電中中性性kg.u2710660565511 核子核子XAZ相應(yīng)的元素符號(hào)相應(yīng)的元素符號(hào)與與ZX 電荷數(shù)電荷數(shù)( (質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù), ,原子序數(shù)原子序數(shù)) )Z ( (質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)) )NZA ON1681471、原子核的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)、原子核的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)同位素同

2、位素:具有具有相同的質(zhì)子數(shù)相同的質(zhì)子數(shù)而而中子數(shù)不同中子數(shù)不同的核素。的核素。質(zhì)子、電子和中子符號(hào)質(zhì)子、電子和中子符號(hào)OOO188178168ne)P(H10011111 HHH312111核素核素:具有具有相同質(zhì)子數(shù)相同質(zhì)子數(shù)Z和和相同中子數(shù)相同中子數(shù)N的核素。的核素。同量異位素同量異位素:質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)A相同相同而而質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)Z不同不同的核素。的核素。同中子異荷數(shù)同中子異荷數(shù):具有具有相同中子數(shù)相同中子數(shù)N 、不同質(zhì)子數(shù)不同質(zhì)子數(shù)Z的核素。的核素。同質(zhì)異能素同質(zhì)異能素:具有具有相同質(zhì)量數(shù)相同質(zhì)量數(shù)A和中子數(shù)和中子數(shù)N,但能態(tài)不但能態(tài)不同同的核素。的核素。原子核的體積總是正比于它的質(zhì)量數(shù)原子

3、核的體積總是正比于它的質(zhì)量數(shù)A310ARR mR1501020. 1 31710 mkgm 所以在一切原子核中，核物質(zhì)的密度近似相等。所以在一切原子核中，核物質(zhì)的密度近似相等。2、原子核的形狀、大小及密度、原子核的形狀、大小及密度二、原子核的自旋和磁矩二、原子核的自旋和磁矩原子核的自旋角動(dòng)量為原子核的自旋角動(dòng)量為I可以是整數(shù)，也可以是半整數(shù)?？梢允钦麛?shù)，也可以是半整數(shù)。)1( IIL核核自自旋旋量量子子數(shù)數(shù) I021,)1(,或或 IImmLIIZ原子核有磁矩原子核有磁矩pNme2 核自旋角動(dòng)量空間量子化核自旋角動(dòng)量空間量子化JgNJJ 核磁子核磁子質(zhì)子的磁矩質(zhì)子的磁矩Nppme 79.227

4、9.2 中子的磁矩中子的磁矩Nn 91.1 1.質(zhì)子和中子的自旋質(zhì)子和中子的自旋2.原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是偶數(shù)時(shí)，自旋為零。原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是偶數(shù)時(shí)，自旋為零。21 I3.原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是奇數(shù)時(shí)，原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是奇數(shù)時(shí)， 自旋為非零整數(shù)。自旋為非零整數(shù)。4.原子核的核子數(shù)是奇數(shù)時(shí)，自旋為原子核的核子數(shù)是奇數(shù)時(shí)，自旋為1/2的奇數(shù)倍。的奇數(shù)倍。核自旋的確定：核自旋的確定：三、核力的基本性質(zhì)三、核力的基本性質(zhì)核子之間的相互作用力，核子之間的相互作用力，抵消核子之間的較強(qiáng)的庫(kù)侖排斥力。抵消核子之間的較強(qiáng)的庫(kù)侖排斥力。1.核力是比電磁力強(qiáng)得多的核力是比電磁力強(qiáng)得多的強(qiáng)相

5、互作用力強(qiáng)相互作用力， 主要是吸引力主要是吸引力。2.核力是核力是短程力短程力，核子間距離小于，核子間距離小于10-15m時(shí)才明顯。時(shí)才明顯。3.核力與核子核力與核子帶電狀況無關(guān)帶電狀況無關(guān)。4.核力具有核力具有飽和性飽和性。核力的特征：核力的特征：1935年，日本物理學(xué)家湯川秀樹提出年，日本物理學(xué)家湯川秀樹提出核力的介子理論核力的介子理論，認(rèn)為核子之間通過交換認(rèn)為核子之間通過交換 介子而發(fā)生核力作用。介子而發(fā)生核力作用。四、四、 原子核的結(jié)合能和平均結(jié)合能原子核的結(jié)合能和平均結(jié)合能原子核的質(zhì)量原子核的質(zhì)量M總是小于組成該原子核的核子的質(zhì)總是小于組成該原子核的核子的質(zhì)量之和，它們之間的差額稱為

6、原子核的量之和，它們之間的差額稱為原子核的質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損。原子核結(jié)合能：原子核結(jié)合能：由質(zhì)子和中子形成原子核時(shí)所放出的能量。由質(zhì)子和中子形成原子核時(shí)所放出的能量。核子在結(jié)合成原子核時(shí)，它們之間的核力作用使體核子在結(jié)合成原子核時(shí)，它們之間的核力作用使體系能量降低，從而釋放出能量，相應(yīng)質(zhì)量減少了。系能量降低，從而釋放出能量，相應(yīng)質(zhì)量減少了。AEEbb 平均結(jié)合能平均結(jié)合能(比結(jié)合能比結(jié)合能)：原子核的結(jié)合能與原子核內(nèi)所包含的總核子數(shù)的比值。原子核的結(jié)合能與原子核內(nèi)所包含的總核子數(shù)的比值。平均結(jié)合能越大，平均結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定。原子核越穩(wěn)定。22MccmEiib 原子核由原子核由Z個(gè)質(zhì)子和個(gè)

7、質(zhì)子和N個(gè)中子結(jié)合而成，個(gè)中子結(jié)合而成，22)(MccNmZmEnpb npiiNmZmm * 17-2 原子核的放射性衰變?cè)雍说姆派湫运プ儾环€(wěn)定的原子核會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種核而同時(shí)不穩(wěn)定的原子核會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種核而同時(shí)放出射線，這種變化叫放出射線，這種變化叫放射性衰變放射性衰變。一、放射性衰變的一般規(guī)律一、放射性衰變的一般規(guī)律t=0時(shí)刻樣品中有時(shí)刻樣品中有N0個(gè)核，個(gè)核， 經(jīng)過一段時(shí)間經(jīng)過一段時(shí)間t后剩下后剩下N個(gè)個(gè)核核,在在dt時(shí)間內(nèi)有時(shí)間內(nèi)有-dN個(gè)核發(fā)生衰變個(gè)核發(fā)生衰變NdtdN NdtdN 或或衰衰變變常常數(shù)數(shù)）表表征征衰衰變變快快慢慢的的常常數(shù)數(shù)（ 1.指數(shù)衰減規(guī)律指數(shù)衰減規(guī)

8、律t=0，N=N0teNN 0放射性衰變定律放射性衰變定律NdtdN t時(shí)刻，每單位時(shí)間衰變的原子核數(shù)與該時(shí)刻，每單位時(shí)間衰變的原子核數(shù)與該時(shí)刻原子核總數(shù)的比。越大，衰變?cè)娇?。時(shí)刻原子核總數(shù)的比。越大，衰變?cè)娇臁?.半衰期和平均壽命半衰期和平均壽命半衰期半衰期:原子核衰變到原子核衰變到N=N0/2所需的時(shí)間。所需的時(shí)間。210021TeNN 693.02ln21 T平均壽命平均壽命每個(gè)原子核衰變前存在的時(shí)間的平均值。每個(gè)原子核衰變前存在的時(shí)間的平均值。 00001)(1NdttNdNtN 1 0dtett 原子核的壽命：原子核的壽命：平均壽命：平均壽命：221lnT 平均壽命與半衰期的關(guān)系：平

9、均壽命與半衰期的關(guān)系：3.射性活度（放射性強(qiáng)度）射性活度（放射性強(qiáng)度）放射性物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核的數(shù)目。放射性物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核的數(shù)目。teNNdtdNA 0Bq.Ci1010731國(guó)際單位：貝克國(guó)際單位：貝克 (Bq)t=0，N=N0，A= N0teAA 01Bq表示每秒發(fā)生一次核衰變的放射源的活度。表示每秒發(fā)生一次核衰變的放射源的活度。常用單位：居里常用單位：居里( Ci)HeYXAZAZ4242 1) 衰變衰變是原子核放射出是原子核放射出 粒子粒子(即氦核即氦核)母核母核XAZ子子核核 YAZ42三種衰變：三種衰變： 衰變衰變、 衰變衰變、 衰變衰變二、幾種主要的衰變方

10、式二、幾種主要的衰變方式中微子的發(fā)現(xiàn)中微子的發(fā)現(xiàn)1930年泡利根據(jù)衰變前后應(yīng)遵守角動(dòng)量守恒和能年泡利根據(jù)衰變前后應(yīng)遵守角動(dòng)量守恒和能量守恒提出核在發(fā)射粒子的同時(shí)應(yīng)發(fā)射一個(gè)質(zhì)量量守恒提出核在發(fā)射粒子的同時(shí)應(yīng)發(fā)射一個(gè)質(zhì)量幾乎為零的中性粒子，稱中微子。幾乎為零的中性粒子，稱中微子。 衰變衰變是核電荷改變而核子數(shù)不變的核衰變是核電荷改變而核子數(shù)不變的核衰變.-衰變衰變是原子核內(nèi)中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，同時(shí)放出一個(gè)是原子核內(nèi)中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，同時(shí)放出一個(gè)電子和與電子相聯(lián)系的反中微子電子和與電子相聯(lián)系的反中微子 011110 ePn +衰變衰變是原子核內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，同時(shí)放出一個(gè)是原子核內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，同時(shí)放出

11、一個(gè)正電子和一個(gè)中微子正電子和一個(gè)中微子 enP011011 011 eYXAZAZeAZAZeYX 011 3) 衰變衰變 射線射線是光子流，是光子流， 是在是在 衰變或衰變或 衰變后形成新核時(shí)輻射出來的。衰變后形成新核時(shí)輻射出來的。17-4 粒子及其相互作用粒子及其相互作用一、粒子基本性質(zhì)一、粒子基本性質(zhì)1、質(zhì)量。（常用靜能、質(zhì)量。（常用靜能 表示）表示）20cm2、電量。（常以電子電量、電量。（常以電子電量e為單位）為單位）3、自旋。（自旋角動(dòng)量以、自旋。（自旋角動(dòng)量以 為單位）為單位）4、平均壽命。、平均壽命。二、粒子相互作用極其統(tǒng)一模型二、粒子相互作用極其統(tǒng)一模型天體之間天體之間 衰

12、變衰變?cè)咏Y(jié)合原子結(jié)合核力核力舉例舉例一切物體一切物體 強(qiáng)子、輕子強(qiáng)子、輕子強(qiáng)子強(qiáng)子強(qiáng)子強(qiáng)子被作用被作用粒子粒子長(zhǎng)程，長(zhǎng)程， 短程短程10-16長(zhǎng)程，長(zhǎng)程， 短程短程10-1510-16作用力作用力程程/m引力子引力子中間中間玻色子玻色子光子光子膠子膠子媒介媒介10-3910-151/1731相對(duì)相對(duì)強(qiáng)度強(qiáng)度引力作用引力作用弱作用弱作用電磁作用電磁作用強(qiáng)作用強(qiáng)作用四種相互作用的比較四種相互作用的比較10-10特征特征時(shí)間時(shí)間10-2010-16相互作用的統(tǒng)一相互作用的統(tǒng)一弱電統(tǒng)一理論弱電統(tǒng)一理論： 弱作用與電磁作用的統(tǒng)一弱作用與電磁作用的統(tǒng)一大統(tǒng)一理論大統(tǒng)一理論： 強(qiáng)相互作用和弱電作用統(tǒng)一強(qiáng)相

13、互作用和弱電作用統(tǒng)一超大統(tǒng)一理論超大統(tǒng)一理論： 四種相互作用的統(tǒng)一四種相互作用的統(tǒng)一有待于驗(yàn)證。有待于驗(yàn)證。三三.粒子的分類粒子的分類正反粒子正反粒子 兩者質(zhì)量、自旋、平均壽命完全相同。兩者質(zhì)量、自旋、平均壽命完全相同。 電荷等值異號(hào)，磁矩方向相反。電荷等值異號(hào)，磁矩方向相反。按自旋分類按自旋分類(1)玻色子玻色子,(2)費(fèi)米子費(fèi)米子1、規(guī)范粒子、規(guī)范粒子2、輕子、輕子3、強(qiáng)子、強(qiáng)子規(guī)范粒子是傳遞作用力的粒子。規(guī)范粒子是傳遞作用力的粒子。輕子完全不受強(qiáng)作用力的影響。輕子完全不受強(qiáng)作用力的影響。強(qiáng)子分成介子和重子。強(qiáng)子分成介子和重子。按參與相互作用的性質(zhì)分類按參與相互作用的性質(zhì)分類按質(zhì)量分類按質(zhì)

14、量分類(1)輕子輕子,(2)介子介子(3)重子重子* 17-5 夸克模型夸克模型夸克是強(qiáng)子的組成粒子?？淇斯灿锌淇耸菑?qiáng)子的組成粒子?？淇斯灿?種。種。每種夸克都有相應(yīng)的反夸克。每種夸克都有相應(yīng)的反夸克?？淇朔N類夸克種類（味）（味）上上下下奇異奇異粲粲底底頂頂英文英文up down strange charm bottom top符號(hào)符號(hào) u d s c b t質(zhì)量質(zhì)量(MeV)5 10 500 1500 4800 ?電荷電荷(e)2/3 -1/3 -1/3 2/3 -1/3 2/31/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2自旋自旋( )重子都由三個(gè)夸克組成。重子都由三個(gè)夸克組成。)uud(P如如介子都由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成。介子都由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成。eeee 313232電電荷荷21212121自自旋旋)du( 如如eee 3132電電荷荷自自旋旋為為零零