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第七章 原子核物理概论 7.1 原子核物理的对象 1. 人们对微观粒子的认识 19世纪，人们对原子的认识： 世纪，人们对原子的认识： 世纪 最小的、 最小的、硬的颗粒 均匀分布正电荷 ? ? ? ? ? 发现电子后对原子的认识： 发现电子后对原子的认识： 带正电的原子球， 带正电的原子球，电子嵌在其中 1896年， 年 Becquer el发现铀 发现铀 的放射 现象 1897年， 年 Curie 夫妇发 现放射 性元素 钋和镭 1903年， Ruthorford 证 年 明放射射线的两种成分 1919年， Ruthorford 首次实 年 现人工核反应 1911年， Ruthorford 模型 年 卢瑟福模型： 原子由带负电的电子和带正电的原子 核组成，原子的大部分质量和全部的 正电荷集中在原子中极小原子核区域 内，带负电的电子绕和运动。 量子力学建立后人们对原子的认识 “原子”是由带正电的、重而 原子”是由带正电的、 原子 小的“原子核”和围绕它的 小的“原子核” 带负电的“电子云” 带负电的“电子云”组成 1928 年， Dirac 预言 正电 子 1930年，Pauli 年 中微子假说 1931年，Anderson 年 发现正电子 1932年 1932年， Chadw ick发 发 现中子 发现中子后 Heisenberg等人提出原子核由质子和中子组成 等人提出原子核由质子和中子组成 1934年， 年 Joliot Curie 人工放 射性 1934年， Fermi提 出粒子反 粒子产生 湮灭机制 1935年， 年 汤川秀树 提出介子 理论 1947年， 年 Powell发 发 现介子 1955年， 年 Chamberlain 和Segre 发现反质子 1955年，杨振 年 宁和李政道提 出宇称不守恒 1957年，吴健 年 雄等人实验验 证宇称不守恒 1963年 Gell-Mann提出 年 提出 强子结构的夸克模型 夸克提出后 目前对原子的认识 元素的化学性质、 元素的化学性质、光谱特性只与核外电子有关 放射现象只与原子核有关 夸克是强子的组成粒子。夸克共有 种 夸克是强子的组成粒子。夸克共有6种。 夸克种类 （味） 英文 符号 质量 (MeV) 电荷(e) 电荷 自旋( 自旋 ?) 上 up u 5 下 奇异 粲 底 顶 down strange charm bottom top d 10 s 500 -1/3 1/2 c 1500 2/3 1/2 b 4800 -1/3 1/2 t ? 2/3 1/2 2/3 -1/3 1/2 1/2 每种夸克都有相应的反夸克。 每种夸克都有相应的反夸克。 重子都由三个夸克组成。 重子都由三个夸克组成。 如 P ≡ ( uud ) ↑↑↓ 2 2 1 电荷 + ? = 1 3 3 3 1 1 1 1 自旋+ + ? = 2 2 2 2 介子都由一个夸克和一个反夸克组成。 介子都由一个夸克和一个反夸克组成。 如 π + ≡ ( ud ) ↑↓ 2 1 电荷 + = 1 3 3 自旋为零 四种相互作用的比较 引力作用 作用力 长程，∞ 长程， 程/m 举例 天体之间 相对 强度 作用传 递者 弱作用 电磁作用 强作用 短程 <10-16 长程， 长程，∞ 原子结合 1/173 光子 强子 10-20~10-16 短程 10-15~10-16 核力 1 胶子 强子 <10-23 β衰变 10-15 中间 玻色子 10-39 引力子 被作用 一切物体 强子、轻子 强子、 粒子 特征 时间 >10-10 标准模型 世界有什么组成？如何组成？ 世界有什么组成？如何组成？ -----标准模型 标准模型 6 种轻子 6 种夸克 传递力的粒子 上帝的厨房 3. 原子核的组成 1897年， Thomson 发现电子 年 1919年， Ruthorford 发现质子 年 原子核由质子和电子组成 原子核由质子和电子组成 假说带来的问题 He原子核由 个质子和 个电子组成 原子核由4个质子和 原子核由 个质子和2个电子组成 He d ≈ 5 fm h 2 电子动量 p = ? E = p2c2 + m0 c4 ? 124 MeV 2d 无法解释某些核自旋 14N原子核 原子核 14个质子，7个电子组成，核自旋 个质子， 个电子组成 个电子组成， 个质子 为半整数 实验上14N核自旋为整数 核自旋为整数 A Z 核N A=Z+N 1 2 3 1 0 1 1 1 3 H , H, H mn = 1.008665u m p = 1.007277u u = 1.660540 ×10?27 kg = 931.4943MeV 4. 核素图 中子数N为横坐标，原子序数 为纵坐标 中子数 为横坐标，原子序数Z为纵坐标 为横坐标 核素图中稳定核素几乎都落在一条光滑曲线上或者紧靠 曲线的两侧， 曲线的两侧，这个区域被称为核素的稳定区 核子依靠核力聚集成原子核，核力为短程力， 核子依靠核力聚集成原子核，核力为短程力， 存在与相邻核子间 质子间的库伦相互作用影响核子的稳定性的 质子泄 漏线 稳定 核素 中子泄 漏线 1966年 预言 年 预言Z=114附近超重元素岛 附近超重元素岛 1974年 李政道预言 存在稳定元素洲 年 7.2 核的基态特征之一：核质量 核的基态特征之一： 1. 质量差 原子核由质子和中子组成 氕 氘 氚 1 2 3 1 0 1 1 1 3 H , H, H mn = 1.008665 u m p = 1.007277 u mn + m p = 2.015942 u m = 2.013552 u d ?m = m p + mn ? md = 0.002390 u = 2.225 MeV/c 2 p + n ? D + γ ( 2.225 ) H + H → H 2 + 4 eV ?E 4 = ×10?6 = 4.26 ×10?9 A ( 938.3 + 0.511) e + p → H + 13.6 eV 13.6 ×10?6 = 1.45 × 10?7 ( 938.3 + 0.511) p + n → D + 2.225 MeV 2.225 = 0.24% 938.3 1 kg的 p 与 1kg的n生成2kg D 2.8 × 108T 煤 E = 2.2 × 1018 J 136天 2. 结合能 B m = Zm p + Nmn ? 2 c B = ( Zm p + Nmn ? M ) c 2 B 比 结合能 A 氘的比结合能 B = 1.1 MeV A 原子平均结合能曲线 两头的核素比结合能小， 两头的核素比结合能小，中等质量的核素比结合能大 平均比结合能 8MeV 降低核的能量 轻核结合成中等质量的核素 氢弹、 氢弹、恒星 重核结分裂为中等质量的核素 原子弹、 原子弹、核反应堆 3. 半经验质量公式 理论上给出质量公式 1935年 Weizs?cker 依据核的液滴模型给出半经验公式 年 B = BV ? BS ? BC BV 体积能,结合能的主导项 经验规律 R = r0 3 A , r0 ? 1.2 fm
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