原子核物理與基本粒子簡介.ppt

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,16.1 原子核的基本性質(zhì) 16.2 核力和核結(jié)構(gòu) 16.3 原子核的結(jié)合能 裂變和聚變 16.4 放射性衰變 16.5 粒子物理簡介,第16章 原子核物理和粒子物理簡介,BEPCⅡ儲存環(huán),,本章教學(xué)要求,了解原子核的基本性質(zhì)，理解核力與核結(jié)構(gòu)的特點； 理解原子核的結(jié)合能、核裂變與聚變及其與核能和平開發(fā)利用的關(guān)系，了解核放射性衰變及其特點； 了解粒子物理的基本知識。,一、原子核的組成,1932年查德威克發(fā)現(xiàn)了中子。,1911年盧瑟福建立了原子核的概念。,海 森 伯提出了原子核是由質(zhì)子和中子組成的假設(shè)。,16.1 原子核的基本性質(zhì),二、原子核的電荷和質(zhì)量,原子核帶電量為 +Ze，電荷數(shù) Z 為核內(nèi)質(zhì)子數(shù)。,原子質(zhì)量單位 u 為一個處于基態(tài)的 中性原子質(zhì)量 1/12,同位素 具有相同原子序數(shù)的核素。,例： 。,同中子異位素 具有相同中子數(shù)的核素。,例： 。,電荷數(shù),質(zhì)量數(shù),原子核的半徑可近似地表示為,白矮星密度 10 9 ～ 2?1011 kg / m3,中子星密度 1018 kg / m3,核物質(zhì)平均密度 ～ 2?1017 kg / m3,三、原子核的形狀和大小,I 稱為核自旋量子數(shù),四、原子核的自旋和磁矩,1. 核自旋,(1) I 只能取整數(shù)或半整數(shù)。,討論,,(2) 原子核基態(tài)的自旋量子數(shù)有如下規(guī)律：,偶-偶核的自旋量子數(shù)都等于零；,奇-奇核的自旋量子數(shù)都等于非零整數(shù)；,奇A 核的自旋量子數(shù)都等于半整數(shù)。,在給定方向的投影為,(3) 核自旋,mI 為原子核的磁量子數(shù)，取值 I, (I–1), … , – (I–1), –I。,2. 原子核的磁矩,,N 稱為核磁子, gI 稱為原子核 g 的因子,(1),討論,,與核自旋平行和反平行兩種情況。,(4) 質(zhì)子的磁矩幾乎是核磁子的 3 倍，而中子具有負(fù)磁矩，,最大可能值為 。,(3) 核磁矩在給定方向的投影可能取值為 gImIN 。其投影的,數(shù)值約為核磁子的 2 倍。這表明不能把質(zhì)子和中子看成,是無內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粒子。,(2) gI 是一個純數(shù)，可能為正，也可能為負(fù)，分別表示磁矩,(5) 氘核的磁矩雖然非常接近于質(zhì)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，都不等于組成它的所有核子磁矩之和。這一事實說明核內(nèi)各核子間存在著復(fù)雜的相互作用。,核力是短程強(qiáng)作用力,核力與核子的電荷無關(guān),核力是具有飽和性的交換力,核力與自旋有關(guān),核力中除了有心力外，還包含有微弱的非有心力成分,一、核力及其性質(zhì),1. 液滴模型,核結(jié)合能的半經(jīng)驗公式，與實驗結(jié)果符合得相當(dāng)好。,成功的說明了原子核裂變現(xiàn)象。,1935年魏茨澤克根據(jù)液滴模型提出了一個關(guān)于原子,二、核結(jié)構(gòu)模型,成功應(yīng)用實例,16.2 核力和核結(jié)構(gòu),成功地描寫原子核整體行為，抓住了核子間相互作用最重要的特性 — 核力的短程性和飽和性。,把原子核當(dāng)作一個整體，沒有說明原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無法解釋原子核諸如能級結(jié)構(gòu)、角動量等特性。,缺點,優(yōu)點,“幻數(shù)”核 質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)等于 2, 8, 20, 28, 50, 82 和中子數(shù),為 126 時的原子核。,成功的解釋了原子核幻數(shù)、基態(tài)的自旋和宇稱以及衰變等。,2. 殼層模型,成功應(yīng)用實例,獨立地在一個靜止的平均勢場中運(yùn)動的假設(shè)過于簡化。,不能解釋遠(yuǎn)離雙幻核區(qū)域的 ? 原子核磁矩、核電四極矩以,及 ? 躍遷概率等問題。這表明殼層模型中關(guān)于各核子彼此,不足,3. 集體模型,在50年代初，丹麥物理學(xué)家玻爾等人提出了在考慮單粒子,獨立運(yùn)動的同時，還必須考慮原子核發(fā)生轉(zhuǎn)動和振動等集,體運(yùn)動的新模型 —— 集體模型，或稱為綜合模型。,16.3 原子核的結(jié)合能 裂變和聚變,一、原子核的結(jié)合能,原子核質(zhì)量小于組成核的所有核子靜止質(zhì)量之和，二者之差,1. 原子核質(zhì)量虧損,—— 一個中性輕原子質(zhì)量， ——中性原子核質(zhì)量。二者相減，Z 個電子質(zhì)量抵消。,2. 原子核的結(jié)合能,把原子核拆散所需做功的最小數(shù)值,0 4 8 12 16 20 24 28 50 100 150 200 250,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2H,6Li,3He,8Be,7Li,4He,11B,12C,20Ne,16O,24Mg,,30,(MeV),EB / A,A,1. 比結(jié)合能總趨勢隨A增加而增大，但有起伏。,2. 比結(jié)合能變化不大，結(jié)合能大致和A成正比。,3.中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能大，輕核、重核比結(jié)合能較小,兩個輕原子核聚集成稍重原子核或重原子核分裂為兩個中等質(zhì)量原子核由于比結(jié)合能增大，可釋放出能量。,3. 原子核的比結(jié)合能,例 吸收一個中子，一個可能的反應(yīng)過程,二、核裂變與核聚變,1. 原子核裂變,一個重原子核分裂為兩個過兩個以上中等質(zhì)量原子核，同時釋放出極大能量。,釋放出約200MeV的能量，同時放出兩三個中子。如果其中至少有一個中子能誘發(fā)另一個 裂變，就能使裂變自持地進(jìn)行下去，形成裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。,說明,,(1) 在1942年12月費(fèi)米建立了第一座可控核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)堆。,(2) 化學(xué)反應(yīng)中一個原子能夠提供的化學(xué)能不到10 eV，與一個核裂變能相比小10-7 倍。 1kg 的 235U 全部裂變釋放出可利用的核能，約相當(dāng)于 2500 t 標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所放出熱能。,已提純的 235U, 準(zhǔn)備再加工為實彈彈頭,核電站 工作原理圖,四個常見的重要輕核聚變反應(yīng),以上四個反應(yīng)的總效果是,3. 原子核的聚變,(1) 1kg 的氘核聚變時，放出的能量是 1 kg 鈾裂變時放出能量的 4 倍，相當(dāng)于104 t 煤燃燒放出的能量。,說明,,兩個輕核聚合成為一個稍重原子核的過程。,,,(2) 依靠核聚變?nèi)〉媚芰康睦佑校禾柲?引力約束核聚變)和氫彈(慣性約束核聚變)。,(3) 慣性約束和磁約束聚變是受控?zé)岷朔磻?yīng)的兩種主導(dǎo)方式。,圖示為用于激光核聚變實驗的六路真空靶室，實驗中采用大功率( ~ 1014 W ) 釹玻璃激光器。,用于激光核聚變靶室的氘氚混合燃料彈丸，它是微小球體，直徑約幾個毫米。,一、放射系,镎系中，镎的半衰期最長，為 2.14l0 6 年，由于其比地球年齡短得多，因此天然不存在镎系。,16.4 放射性衰變,1. 指數(shù)衰變律,二、放射性衰變的基本規(guī)律,在 t 到 t + dt 時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)與t時未衰變的原子數(shù) N 成正比，與時間 dt 成正比，為,(1) 放射性衰變遵從指數(shù)規(guī)律；,積分得,說明,,衰變常量? 單位時間內(nèi)原子核發(fā)生衰變的概率。,(2) N0為 t=0時原子核數(shù)目；,(3) 由第一式得,,,,,,,,,0 T 2T 3T 4T,N/N0,1.0 0.5,t,半衰期T 原子核數(shù)衰變到原來數(shù)目一半所需的時間,平均壽命? 表示每個原子核衰變前存在 時間的平均值。,2. 半衰期和平均壽命,(1) 平均壽命為衰變常量的倒數(shù)，是半衰期的 1.44 倍；,(2) 經(jīng)過時間 ? 后，剩下的原子核數(shù)約為原來的 37％。,說明,,0 T 2T 3T 4T,N/N0,1.0 0.5,t,在 t 到 t+dt 時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)為 ?Ndt，其總壽命為 t?Ndt 。所有原子核的總壽命為 ，平均壽命為,,3. 放射性活(強(qiáng))度 I,一個放射源在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù),1 Ci ＝3.71010 Bq,1 Bq ＝1 次核衰變／秒,I0 =?N0 為t = 0 時放射源的強(qiáng)度,其中,常用單位居里 (Ci)，國際單位貝克勒 (Bq),三、 測年法,宇宙射線中的中子與大氣中的 發(fā)生反應(yīng),— 碳放射性同位素, 半衰期5730年,大氣中的 是穩(wěn)定的，生物體一旦死亡， 得不到補(bǔ)充，體內(nèi)的 就會按放射性規(guī)律減少。通過測量 的放射性活度就可確定生物體與外界停止碳交換的年代。,一、粒子的分類,1. 按自旋分類,16.5 粒子物理簡介,2. 按相互作用分類,(1) 規(guī)范玻色子,規(guī)范玻色子是傳遞相互作用的粒子,光子傳遞電磁相互作用，W? 和 Z0 傳遞弱相互作用，膠子傳遞強(qiáng)相互作用。引力子傳遞引力相互作用，理論上預(yù)言它的自旋是 2 。,(2)輕子（共12種）,中微子系中性粒子，質(zhì)量為零，只參與弱相互作用。,說明,,輕子參與引力相互作用、電磁相互作用和弱相互作用,(3) 強(qiáng)子,強(qiáng)子參與所有四種相互作用,二、四種基本相互作用,1. 四種基本相互作用的性質(zhì),弱電統(tǒng)一理論,電磁相互作用和弱相互作用被看作是一種相互作用。相互作用過程中，如果交換的是W + 、 W – 和 Z0 粒子，就是弱相互作用過程；如果交換的是光子，就是電磁相互作用過程。,三、基本相互作用和守恒定律,注： “-” 表示不守恒； “+” 表示守恒,例如,重子數(shù) 1 1 0 0 守恒,輕子數(shù) 0 0 -1 1 守恒,強(qiáng)子結(jié)構(gòu)夸克模型 (1964年 ),粲夸克 c 底夸克 b 頂夸克 t,四、強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型,介子 夸克和反夸克組成,重子 三個夸克組成,1. 質(zhì)子 (uud),電荷,重子數(shù),奇異數(shù),自旋,同位旋,2. 奇異粒子（uus）,電荷,重子數(shù),奇異數(shù),自旋,3.π+ 介子,重子數(shù),電荷,奇異數(shù),自旋,同位旋分量,