國內外經典教材名師講堂程守洙《普通物理學》第十五章原子核物理和粒子物理簡介主講老師：宋鋼一、原子核的基本性質

1、原子核的電荷和質量

原子核帶有正電荷

Z是原子核的電荷數（即質子數），等于核外電子數，也是化學元素的原子序數。原子核的質量等于原子的質量減去核外電子的質量，與原子的質量相差極小。

原子質量單位(u)：選碳的同位素基態原子靜止質量的1/12為一個原子質量單位（u）：

以“原子質量單位”(u)計算原子的質量時，原子質量都接近于一個整數，這個整數稱為原子核的質量數，或稱核子數，以A表示。

質量數A和電荷數Z是原子核的特征物理量。若用X表示化學元素符號，則原子核表示為。

Z和A都相同的原子核稱為某種核素。

Z相同而A不同的原子核稱為同位素。

如氫有三種同位素：

氫核、氘核（或重氫）、氚核

2、原子核的大小和形狀

原子核的半徑<10-15m

實驗指出，核的體積正比于質量數A。若把原子核看作球體，則。

或

如

若原子核是球體，它所帶的電荷是均勻分布的。

用精密光譜儀分析發現原子光譜中有來源于原子核電四極矩的超精細結構，說明原子核的電荷分布大多應為旋轉橢球體，而核物質分布與電荷分布類似。

一般橢球的長軸與短軸之比不超過5/4，與球體偏離不大，可把這些原子近似地看作球體。有些原子核本身就是球體，如。

各種原子核應有基本相同的核子密度和核物質密度。

3、原子核的組成

氫原子核有最小的電荷數和質量數。

1919年，盧瑟福用

粒子轟擊氮核，結果產生一個氧核和一個氫核。斷定氫核是構成其他原子核的帶電的基本粒子，并定名為質子，用符號p表示。質子的質量為。

1930年，玻特和貝克用

粒子轟擊鈹核，發現有一種不帶電的粒子射線放出來，后來命名為中子，用符號n表示。中子是一種構成其他原子核的不帶電的另一個基本粒子，其質量與質子相近，為。宇宙中還發現了由大量中子聚合而成的中子星。

中子在原子核中是構成核的穩定粒子，但在核外并不穩定，一個核外的自由中子的平均壽命約為15分鐘，它具有放射性，衰變成一個質子、一個電子和一個反中微子。因此自由中子是有放射性的。

質子和中子統稱為核子，原子核由Z個質子和（A﹣Z）個中子構成。

4、核力和介子

研究發現，是一種叫做核力的強相互作用力使得質子與中子聚集在一起。

具有下列性質：

1.核力比電磁力強100多倍，是強相互作用力。

2.核力是短程力。有效距離為幾個fm(約2fm)之內。

3.核力具有“飽和”性質，即一個核子只能和它緊鄰的核子有核力相互作用。

4.核力與核子的帶電狀況無關。

電磁相互作用是帶電粒子交換光子而產生的。1935年，日本物理學家湯川秀樹提出了核力的介子理論，并于1947年得到證實。

核力的本質：核力是一種交換力，核子間的相互作用是一個核子放出一個

介子（質量是電子的270倍），然后被另一個核子吸收而形成的。

介子有三種荷電狀態：

+

、0

、-

中子與中子間和質子與質子間交換

0

介子；

質子與中子間交換

+或-介子；質子放出

0介子，同時被另一質子吸收，每一核子的電荷不變

中子放出

0介子，同時被另一中子吸收，每一核子的電荷不變。

質子放出一個

+介子被中子吸收，同時質子轉化為中子，中子轉化為質子。

中子放出一個

-介子被質子吸收，同時中子轉化為質子，質子轉化為中子。5、核子和核的自旋與磁矩

與原子中的電子相似，核子也具有“軌道”角動量和自旋角動量。質子和中子的自旋量子數都是1/2。

原子核的總角動量等于所有核子的“軌道”角動量和自旋角動量的矢量和，習慣上稱為核的自旋角動量，簡稱核自旋。

實驗指出，偶偶核（質子數Z和中子數N都

是偶數）的自旋量子數都是零，如等。

奇奇核（Z和N都是奇數）的自旋量子數都是整數，如的是0，的是3，的是5等。

奇偶核（Z和N一個奇數一個偶數）的自旋量子數都是半整數，如的是1/2，的是3/2，的是5/2等。

質子的磁矩：

中子的磁矩：

核磁子

6、核磁共振

拉比首創用核磁共振法測定原子核的磁矩：

以純水為樣品，水分子中電子的磁矩相互抵消，氧原子和的磁矩為0，故水分子的磁矩就等

于氫核（質子）的磁矩。將水置于外磁場B（約1T）中，由于角動量

的量子化，質子的磁矩有平行和反平行與磁場兩種取向，對應低和高兩種能態。

氫核在外磁場中的能級

在熱平衡時，處于低能態上的質子數稍多于高能態上的質子數。

如果再加上一高頻電磁波(100MHz的量級),其頻率滿足時，質子將吸收電磁

波的能量，在兩能態間發生共振躍遷，稱為核

磁共振。

實驗時，保持外磁場B不變而連續改變入射電磁波的頻率；或給定電磁波的頻率而調節磁場的強弱。

應用：研究分子的結構

利用氫核的核磁共振進行醫療診斷，核磁共振成像技術。

二、原子核的結合能裂變和聚變

實驗測定，原子核的質量mX總是小于所有核子質量之和，這一差值稱為原子核的質量虧損。

m=Zmp+(A-Z)mn-mX

由質能關系，可得原子核的結合能

E=(m)c2=[Zmp+(A-Z)mn-mX]c2=EB

質子和中子組成核的過程中必有能量E釋放出來。反之，要使原子核再分解為單個的質子和中子就必須吸收E的能量。

如：氘核EB=2.23eV，氘核吸收2.23eV的能量分解為質子和中子。

E

和EB常用原子的質量表示：

m=ZmH原子+(A-Z)mn-mX原子

EB

=(m)c2=[ZmH原子+(A-Z)mn-mX原子]c2

每個核子的平均結合能，稱為比結合能：

比結合能越大，原子核越穩定。

最輕核和最重核的比結合能較小。

大多數中等質量核的比結合能較大，且近似相等(都在8MeV左右)。這說明中等質量的核最穩定。

利用核能，理論上要把自由狀態的質子和中子結合成中等質量的核，這樣放出的結合能最多。但自由中子不易得到，且自由中子是放射性的，半衰期較短。因此，要利用原子核的結合能，實際可取的方法是使重核裂變或輕核聚變。

2、重核的裂變

用能量為1eV以下的慢中子轟擊鈾核時，鈾核會分裂為兩個質量相近的中等質量的核，同時放出一至三個快速中子。這種重核分裂為中等質量核的過程稱為重核的裂變。如：

裂變后形成的中等質量核具有過多的中子，通過一系列的衰變，這些中等質量的核才轉化為穩定核。

在鈾核裂變赤程中能放出多于2個中子，如果分裂時發出的中子全部被別的鈾核吸收，又引起新的裂變，這樣，裂變的數目將按指數規律增大，結果形成發散的鏈式反應。3、輕核的聚變

聚變：兩個質量較小的原子核（輕核）在一定條件上聚合為質量較大的原子核的過程。

如：

兩個原子核互相接近產生聚變反應時，由于原子核間存在很大的庫侖斥力，原子核碰撞動能必須克服兩原子核間的電勢能Ep

聚變反應都需要超高溫條件,稱為熱核反應。

實現可控熱核反應的條件：

(1)高溫，使氘核離化成等離子體，能克服庫侖勢壘。(2)高等離子體密度，以保證足夠高的碰撞頻率。(3)足夠長的約束時間，以保證核聚變反應有效進行。

三、原子核的放射性衰變

絕大多數原子核的同位素不穩定，會自發地衰變為另一種同位素，同時放射出各種射線，這種現象稱為放射性衰變（radioactivedecay）。

1、放射性衰變定律

1)、原子核的衰變服從一定的統計規律：

設在t

t+dt時間內有dN個原子核發生

衰變，dN與當時存在的原子核數N成正比，與時間dt成正比。

負號表示原子核數目在減小，積分后得

N0為t=0時刻原子核的數目。

衰變常量：

表示一個原子核在單位時間內發生衰變的概率。

半衰期T1/2：放射性同位素衰變其原子核數的一半所需的時間。

平均壽命

：

2、放射性強度

放射性物質在單位時間內衰變的原子核數定義為該物質的放射性強度或放射性活度：

放射性強度的單位是Ci（居里）和Bq（貝可勒爾）。

單位時間內衰變一個核的放射性強度就是1Bq。3、放射性衰變

1）

衰變：原子核自發放出粒子即氦核。

如：

一般表示為

粒子受到的勢壘遠高于衰變時產生的

粒子的動能，必須按量子力學的勢壘貫穿理論才能解釋衰變，這是量子力學用于核內的首次成功的嘗試。

2）

衰變：核電荷改變而核子數不變的衰

變，包括

-衰變、+衰變和電子俘獲。

-衰變：放出電子、反中微子（1930年，泡利）

費米的

-

衰變理論（1934年）：

衰變：放出正電子、中微子

電子俘獲：原子核俘獲一個最內層電子，使核內的一個質子變為中子，并放出中微子。

3）

衰變：當原子核發生、衰變時，往往衰變到另一原子核的激發態。處于激發態的原子核不穩定，要向低能態躍遷，放出

光子，稱為

衰變。4、放射性同位素的應用

示蹤原子的應用，射線的應用，放射衰變規律的應用。

四、粒子物理簡介

1、粒子的發現概況

1897年湯姆孫發現電子

1905年愛因斯坦提出了光子

1919年盧瑟福發現質子

1932年查德威克發現中子

1930-2年狄拉克預言正電子、安德遜發

現正電子

到目前為止，已經發現了質子、中子、電子和它們的反粒子，

子、

介子、K介子及中微子、共振態粒子等共400多種粒子。

2、粒子的分類

1）輕子：不參與強相互作用的粒子。

自旋量子數1/2，為費米子。包括電子、

子、

子及其相應的中微子，分三代：

2）強子：參與強相互作用的粒子。

根據自旋分為介子(meson)和重子(baryon)。

介子的自旋為0，是玻色子；重子的質量大于質子質量，自旋為3/2(除超子外)，是費米子。

3）.媒介子或場量子或規范玻色子：傳遞相互作用的粒子。包括光子，中間玻色子W+、W-、Z0，膠子，引力子。

3、粒子的相互作用和守恒定律

宇宙間的一切物質的相互作用歸結為以下四種。

粒子間的相互作用主要是電磁的、強的

（包括核力）和弱的相互作用。

1967年，溫伯格–薩拉姆–格拉肖提出了電弱統一理論，認為弱相互作用是通過交換中間玻色子W+、W-

、Z0來實現的，這些玻色子于1983年在CERN的質子–反質子對撞機上相繼被發現。

粒子的相互作用過程遵循一些普遍的守恒定律，如能量守恒定律、動量守恒定律、角動量守恒定律和電荷泡利關于中微子的預言就是運用這些守恒定律的結果。守恒定律等。

此外還有其他的守恒定律，例如宇稱守恒定律、同位旋守恒定律、輕子數和重子數守恒等。

4、強子的夸克模型

實驗證明，除輕子還未發現有任何結構外，核子、超子、介子即所有的強子都還有內部結

構。

1932年，施特恩測得質子的磁2.79

p

，后來又測得中子的磁矩為-1.91

p

（而不是零），中子不帶電，可磁矩卻不為零，說明中子還有內部結構。

1956年，R.Hofstadter用高速電子轟擊質子的實驗，發現質子存在一定的電荷分布。后來又發現中子也存在一定的電荷分布。1964年，蓋爾曼（M.Gell-Mann）等人提出強子由夸克（quark）組成，認為所有強子都是由夸克組成，存在三種夸克，分別稱為上夸克、下夸克、奇異夸克，用u（up）、d（down）、s（strange）表示。三種夸克都有相應的反夸克，表示為。

夸克所帶的電荷是分數電荷：

u夸克的電荷為，d夸克和s夸克的電荷為。

夸克的自旋都是。

夸克模型認為：所有重子都是由三個夸克組成，所有介子都是由一個夸克和一個反夸克組成。

1974年，丁肇中和里希特（B.Richter）獨立地發現了新粒子，分別稱為J粒子和粒子，現稱為J/

粒子，質量為3100MeV/c2

，自旋為1。由此引入了第四種夸克——粲夸克c（charm）。

以后又引入了第五種夸克底夸克b（bottom）和第六種夸克頂夸克t（top）。到1995年為止，理論上預言的6種“味道”（flavor）夸克都被實驗發現了。

夸克模型和三代輕子

每種夸克又有3種“顏色”，記為R、G、B，用來代表夸克的一種內稟性質。夸克通過強相互作用交換膠子（gluon）結合成強子。

實驗上沒有觀測到單個自由的夸克。理論認為夸克受到被稱為色荷的強力的束縛，不可能從核子中單個地分離出來，這種奇特性質被稱為夸克禁閉

五、宇宙學簡介

1、哈勃定律宇宙膨脹說

1914年，施里弗發現“星云”的譜線都存在多普勒紅移，稱為宇宙紅移。表明這些“星云”在朝遠離我們的方向運動。多普勒頻移：

1929年