大学物理第17章,原子核与基本粒子
原子核与基本粒子
mI 有多个取值，该附加能量大小与核磁矩的空间取 向有关。由于核磁矩有多种可能的取向，对应地形成多 个附加能量，从而使原来的一个能级分裂形成一系列核 磁能级。
外场 无外场
E
m = 1/ 2 E + E′ ′I E = −(1/ 2)γ ℏB
∆E
mI = −1/ 2 E ′ = (1/ 2)γ ℏB 无外场
外场
∆E ∆E
E
E + E′
mI = −1 E ′ = γ ℏB mI = 0 E ′ = 0 mI = 1 E ′ = −γ ℏB
I = 1/ 2 I =1 ∆E = γ ℏB 当用电磁波照射核时，原子核将吸收如下频率电磁波
ν电 = ∆E / h = γ ℏB / h = γ B / 2π
这种在外磁场中，核吸收特定频率电磁波的现象称为核 核 磁共振（经典理解： 磁共振（经典理解：外来电磁波频率与核的固有频率相 等发生共振）。 等发生共振）。 对于氢核即质子， ν 电 = γ p B / 2π 如1T磁场，氢核发生核磁共振的入射电磁波频率 为42.56MHz（波长约7m)即短波无线电波长。
16 8
同量异位素—质量数A相同而质子数Z不同的核素 同量异位素 同质异能素—具有相同质量数 和中子数 同质异能素 具有相同质量数A和中子数 但能态不 具有相同质量数 和中子数N,但能态不 同的核素。 同的核素。 质子、 质子、电子和中子也常用核素符号表示 1 1 0 1 H(1p) −1e 0n 1
LIz = mI ℏ
mI = ± I , ±( I − 1), ⋅⋅⋅, ±1/ 2或0
mI 称为核自旋磁量子数，有 2 I + 1 取值。
原子核带有电荷且有自旋运动，故有核磁矩。常以 核磁子为单位表示。 eℏ m p为质子质量 核磁子 µN = 2mp eℏ 质子的磁矩 µ p = 2.79 = 2.79µN 2mp 中子的磁矩 µ n = −1.91µ N 与自旋角动量相反
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
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。
原子核结构和基本粒子相互作用
原子核结构和基本粒子相互作用原子核结构和基本粒子相互作用是物理学领域的重要课题，它揭示了我们身边物质的微观组成和性质。
本文将介绍原子核的结构、基本粒子的特性以及它们之间的相互作用。
首先，让我们了解一下原子核的结构。
原子核是由质子和中子组成的，质子带正电荷，中子没有电荷。
原子核的直径约为10^-14米，而整个原子的直径约为10^-10米，因此原子核占据了整个原子的很小的部分。
原子核的质量主要是由质子和中子的质量所贡献的，它们总是以一种特定的方式组织在一起，保持着相对稳定的结构。
质子和中子是由更基本的粒子构成的，这些基本粒子被称为夸克。
质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由一个上夸克和两个下夸克组成。
夸克是最小的已知粒子，它们具有一定的电荷和质量，并且会通过一种称为强相互作用的力相互作用在一起。
强相互作用是一种非常强大的力，它是保持夸克在原子核中紧密地结合在一起的主要力。
除了强相互作用外，原子核中还存在着另一种重要的相互作用，即电磁相互作用。
电磁相互作用是一种电荷之间的相互作用，包括正电荷之间的斥力和正负电荷之间的吸引力。
这种相互作用使得质子之间保持着一定的距离，并且还决定了原子核的整体电荷。
除了强相互作用和电磁相互作用之外，还存在着弱相互作用和引力相互作用。
弱相互作用是一种只在非常短的距离上起作用的力，它是一种介于强相互作用和电磁相互作用之间的相互作用力。
引力相互作用是一种质量之间的相互作用，它是所有物质之间普遍存在的一种力。
原子核中的质子和中子之间的相互作用由强相互作用和电磁相互作用共同决定。
强相互作用使得质子和中子在原子核中紧密结合在一起，而电磁相互作用使得质子之间保持一定的间距，使原子核保持稳定。
如果原子核中的质子数量超过一定限制，电磁相互作用的排斥力将会变得非常强大，导致原子核变得不稳定。
通过对原子核结构和基本粒子相互作用的研究，科学家们能够更好地理解物质的性质，并且可以应用于许多实际应用。
大学物理原子核物理与粒子物理学
大学物理原子核物理与粒子物理学原子核物理与粒子物理学是大学物理学科中的重要分支之一。
本文将从原子核物理和粒子物理这两个方面进行讨论，首先介绍原子核物理的基本概念和研究内容，然后转向粒子物理的相关知识和发展历程。
一、原子核物理原子核是构成物质的基本粒子之一，它由质子和中子组成。
原子核物理主要研究原子核的结构、性质与相互作用。
原子核物理在核能源、核技术以及医学诊断和治疗等方面具有重要的应用价值。
1.1 原子核的结构原子核由质子和中子组成，质子带有正电荷，中子不带电荷。
原子核的结构可以用核子数和中子数来描述，在同位素的不同核素中，质子数和中子数的比例不同。
1.2 原子核的性质原子核具有很高的密度和巨大的能量，是原子的稳定核心。
原子核的质量集中在一个极小的空间内，而质子之间相互排斥，需要强相互作用力维持原子核的稳定性。
1.3 原子核的相互作用原子核之间存在相互作用力，主要包括静电作用力和强相互作用力。
静电作用力是负责核内粒子之间的排斥力，而强相互作用力是保持核内粒子结构相对稳定的主要力。
二、粒子物理学粒子物理学研究微观世界的基本粒子，以及它们之间的相互作用和性质。
粒子物理学对于理解宇宙的起源、宇宙组成和基本力的统一理论等方面有着重要的贡献。
2.1 基本粒子粒子物理学将基本粒子分为两类：费米子和玻色子。
费米子包括质子、中子、电子、中微子等，它们符合费米-狄拉克统计，满足泡利不相容原理。
而玻色子包括光子、希格斯玻色子等，它们符合玻色-爱因斯坦统计。
2.2 粒子之间的相互作用粒子之间的相互作用可以通过四种基本相互作用来描述：引力、电磁力、弱相互作用和强相互作用。
这四种相互作用决定了物质的性质和基本力的运作机制。
2.3 粒子物理的发展历程粒子物理学的发展经历了多个重要阶段，从射线的发现、质子和中子的发现，到粒子加速器的建立和基本粒子的进一步研究，最终形成了今天的标准模型。
三、应用与展望原子核物理与粒子物理学在科学研究和技术应用方面具有广泛的前景和潜力。
基本粒子
目录一粒子的发现简史1 物质的构成—原子学说 (2)2 原子的内部结构——发现原子核 (2)3 原子的内部结构——发现电子 (2)4 原子核的内部结构——发现质子 (2)5 电子自旋 (2)6 原子核的内部结构——发现中子 (3)7 原子核内的相互作用——发现介子 (3)二基本粒子的分类1 夸克的研究简史 (4)2 夸克和轻子有没有再深的内部结构 (6)3 基本粒子的主要特征 (7)三强弱电理论1 弱相互作用理论——弱电统一理论 (8)2 强相互作用理论——量子色动力学 (8)摘要：基本粒子是构成物质的最基本单位，是一个历史性名词。
现在人们已经了解到了如下的物质结构层次: 物质是由原子组成的，原子由原子核和绕核运动的电子构成,而原子核又是一个由质子和中子组成的具有复杂结构的整体，现代粒子物理学又发现中子、质子等重子仍然有着内部结构，它们由各种不同的夸克组成。
本文就粒子的发展简史和基本粒子的分类及其发现过程做一简要介绍关键词：夸克粒子轻子强子正文：一粒子的发展简史1 物质的构成—原子学说原子的概念，是由2400年前的希腊哲学家德谟克利特和中国战国时代的哲学家惠施提出来的。
惠施说“至小无内，谓之小一”，意思是最小的物质是不可分的。
这个最小的单元，也就是德谟克利特称为原子的东西。
但是他们都没能说明原子或“最小的单元”具体是什么。
之后的两千多年间，原子这个概念，只停留在哲学思想的范畴。
2 原子的内部结构——发现原子核在早期的放射性研究中，卢瑟福已经发现放射性物质所发出的射线实际属于不同的种类，他把带正电的命名为α射线，把带负电的命名为β射线，把那些不受磁场影响的电磁波称为γ射线。
1910年，卢瑟福用α粒子轰击原子，发现了原子核的存在。
从而建立了原子的有核模型。
3 原子的内部结构——发现电子1897年，汤姆逊在实验中发现了电子，1911年卢瑟福由α粒子大角度弹性散射实验，又证实了带正电的原子核的存在。
这样，就从实验上证明了原子的存在，以及原子是由电子和原子核构成的理论。
物理学中的原子核物理知识点
物理学中的原子核物理知识点原子核物理是物理学的一个重要分支，研究原子核的性质、组成和相互作用等问题。
在这篇文章中，我们将介绍一些关于原子核物理的知识点，以帮助读者更好地了解这一领域。
一、原子核的组成原子核是由质子和中子组成的。
质子带正电，中子不带电。
质子和中子都属于强子，即它们受到强相互作用力的影响。
二、原子核的相对质量和电荷原子核的相对质量是以质子为单位的，质子的相对质量为1。
中子的相对质量也约等于1。
原子核的电荷由其中的质子数量决定。
三、原子核的稳定性和放射性原子核的稳定性取决于核内质子和中子的比例以及核内相互作用力的平衡情况。
若核内质子和中子的比例不合适，或者核内相互作用力失去平衡，核就会失去稳定性，变得放射性，释放出射线。
四、原子核的衰变原子核衰变是指不稳定的原子核通过放射性衰变过程，转变成其他核的过程。
常见的核衰变包括α衰变、β衰变和γ衰变。
α衰变是指原子核放出一个α粒子（一个氦原子核）、β衰变是指原子核放出一个β粒子（一个电子或正电子）、γ衰变是指原子核放出γ射线而不改变核内的质子或中子数量。
五、核裂变和核聚变核裂变是指重核（如铀、钚等）被中子轰击后分裂成两个或更多的轻核，释放出巨大的能量。
核聚变是指轻核（如氘、三氚等）在高温高压条件下融合成重核，同样释放出巨大的能量。
核裂变和核聚变是核能利用和核武器的基础原理。
六、核反应和核能核反应是指原子核之间的相互作用，包括核裂变、核聚变和其他核变化过程。
核反应释放出的能量被称为核能，是一种非常强大的能量。
七、核力和库仑力原子核内的质子相互之间存在着排斥力，即库仑力。
而质子和中子之间存在着吸引力，即核力。
核力是一种强相互作用力，仅仅作用于极短的距离，而库仑力则作用于任意距离。
核力使得原子核中的质子和中子能够相互结合，保持原子核的稳定性。
八、原子核模型目前，原子核的模型主要有液滴模型和壳模型。
液滴模型将原子核看作是一个液滴，用来解释原子核的形状和核的振荡现象。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
A Z
X
Hale Waihona Puke A(质量数) Z N Z 电荷数(质子数,原子序数)
半衰期:原子核衰变到N=N0/2所需的时间。
12N0 N0eT12
T1
2
ln20.693
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
N0
t(dN )
1
0
N0
0tNdt0
tetdt
平均寿命：
1
平均寿命与半衰期的关系： T1 2
ln 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。
四、 原子核的结合能和平均结合能
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 mic2M2c
i
原子核由Z个质子和N个中子结合而成，
Z A X Z A 1 Y 1 0e~
+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
11P01n10e
Z AX Z A 1Y1 0ee
3) 衰变 射线是光子流， 是在衰变或衰变后形成新核时辐射出来的。
17-4 粒子及其相互作用
一、粒子基本性质 1、质量。（常用静能 m 0c 2 表示） 2、电量。（常以电子电量e为单位）
2、轻子 轻子完全不受强作用力的影响。 3、强子 强子分成介子和重子。
按质量分类 (1)轻子,(2)介子(3)重子
* 17-5 夸克模型
夸克是强子的组成粒子。夸克共有6种。
mi Zm pNm n
i
E b(Zp m Nnm )c2M2 c
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
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
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。
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。
1 胶子
被作用 粒子
一切物体
强子、轻子
特征 时间
>10-10
强子 10-20~10-16
强子 <10-23
相互作用的统一 弱电统一理论： 弱作用与电磁作用的统一 大统一理论： 强相互作用和弱电作用统一 超大统一理论： 四种相互作用的统一 有待于验证。
三.粒子的分类 正反粒子
两者质量、自旋、平均寿命完全相同。 电荷等值异号，磁矩方向相反。 按自旋分类(1)玻色子,(2)费米子 按参与相互作用的性质分类 1、规范粒子 规范粒子是传递作用力的粒子。
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dt时间内有-dN个核发生衰变
dNNdt 或dNdt
N
表征衰变快慢的常 衰数 变（ 常数）
t=0，N=N0
NN0et
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
ZAX母核
Y A4
Z2
子
核
中微子的发现
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 0 1n 1 1P1 0e~
174N
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
11H 12H 13H
同中子异荷数:具有相同中子数N 、不同质子数Z的核素。
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 1H(1 1P) 1 0e 0 1n
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
RR0A13
R01.2 01 015m
所以在一切原子核中，核物质的密度近似相等。
m110k 7 gm3
二、原子核的自旋和磁矩
原子核的自旋角动量为 L I(I1)
I 核自旋量子数 I可以是整数，也可以是半整数。