《高中物理奧林匹克競賽專題--原子核和基本粒子》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《高中物理奧林匹克競賽專題--原子核和基本粒子（23頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
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）：）：原子核符號原子核符號u.mep0072761 u.mn0086651 電電中中性性kg.u2710660565511 核子核子XAZ相應(yīng)的元素符號相應(yīng)的元素符號與與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、電子和中子符號質(zhì)子、電子和中子符號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量為原子核的自旋角動量為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 核自旋角動量空間量子化核自旋角動量空間量子化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，自旋為零。原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是偶數(shù)時，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，原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是奇數(shù)時， 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，自旋為原子核的核子數(shù)是奇數(shù)時，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的庫侖排斥力。抵消核子之間的較強的庫侖排斥力。1.核力是比電磁力強得多的核力是比電磁力強得多的強相
5、互作用力強相互作用力， 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時才明顯。時才明顯。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，認為核子之間通過交換認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所放出的能量。由質(zhì)子和中子形成原子核時所放出的能量。核子在結(jié)合成原子核時，它們之間的核力作用使體核子在結(jié)合成原子核時，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個質(zhì)子和個
7、質(zhì)子和N個中子結(jié)合而成，個中子結(jié)合而成，22)(MccNmZmEnpb npiiNmZmm * 17-2 原子核的放射性衰變原子核的放射性衰變不穩(wěn)定的原子核會自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種核而同時不穩(wěn)定的原子核會自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種核而同時放出射線，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時刻樣品中有時刻樣品中有N0個核，個核， 經(jīng)過一段時間經(jīng)過一段時間t后剩下后剩下N個個核核,在在dt時間內(nèi)有時間內(nèi)有-dN個核發(fā)生衰變個核發(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時刻，每單位時間衰變的原子核數(shù)與該時刻，每單位時間衰變的原子核數(shù)與該時刻原子核總數(shù)的比。越大，衰變越快。時刻原子核總數(shù)的比。越大，衰變越快。2.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所需的時間。所需的時間。210021TeNN 693.02ln21 T平均壽命平均壽命每個原子核衰變前存在的時間的平均值。每個原子核衰變前存在的時間的平均值。 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（放射性強度）射性活度（放射性強度）放射性物質(zhì)在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的核的數(shù)目。放射性物質(zhì)在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的核的數(shù)目。teNNdtdNA 0Bq.Ci1010731國際單位：貝克國際單位：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)遵守角動量守恒和能年泡利根據(jù)衰變前后應(yīng)遵守角動量守恒和能量守恒提出核在發(fā)射粒子的同時應(yīng)發(fā)射一個質(zhì)量量守恒提出核在發(fā)射粒子的同時應(yīng)發(fā)射一個質(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，同時放出一個是原子核內(nèi)中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，同時放出一個電子和與電子相聯(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，同時放出一個是原子核內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，同時放出
11、一個正電子和一個中微子正電子和一個中微子 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 衰變后形成新核時輻射出來的。衰變后形成新核時輻射出來的。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。（自旋角動量以、自旋。（自旋角動量以 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、變衰變原子結(jié)合原子結(jié)合核力核力舉例舉例一切物體一切物體 強子、輕子強子、輕子強子強子強子強子被作用被作用粒子粒子長程，長程， 短程短程10-16長程，長程， 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相對相對強度強度引力作用引力作用弱作用弱作用電磁作用電磁作用強作用強作用四種相互作用的比較四種相互作用的比較10-10特征特征時間時間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： 強相互作用和弱電作用統(tǒng)一強相
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)一有待于驗證。有待于驗證。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，磁矩方向相反。電荷等值異號，磁矩方向相反。按自旋分類按自旋分類(1)玻色子玻色子,(2)費米子費米子1、規(guī)范粒子、規(guī)范粒子2、輕子、輕子3、強子、強子規(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。輕子完全不受強作用力的影響。輕子完全不受強作用力的影響。強子分成介子和重子。強子分成介子和重子。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子的組成粒子?？淇斯灿锌淇耸菑娮拥慕M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符號符號 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( )重子都由三個夸克組成。重子都由三個夸克組成。)uud(P如如介子都由一個夸克和一個反夸克組成。介子都由一個夸克和一個反夸克組成。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
高中物理奧林匹克競賽專題--原子核和基本粒子
