1、物质的基本单元物质的基本单元原子原子质子、中子、电子质子、中子、电子夸克夸克17-1 原子核的基本性质原子核的基本性质一、原子核的质子一、原子核的质子中子模型中子模型原子核由质子和中子组成。原子核由质子和中子组成。质子（质子（P）：）：中子（中子（n）：）：原子核符号原子核符号u.mep0072761 u.mn0086651 电中性电中性kg.u2710660565511 核子核子XAZ相应的元素符号相应的元素符号与与电荷数电荷数质量数质量数ZXZNZA ON168147具有具有相同的质子数相同的质子数而而中子数不同中子数不同的原子核称为的原子核称为同位素同位素。质子、电子和中子符号质子、电子
2、和中子符号原子核的体积总是正比于它的质量数原子核的体积总是正比于它的质量数OOO188178168ne)P(H10011111 310ARR m.R15010201 31710292 mkg. HHH312111在一切原子核中，核物质的密度是一个常数。在一切原子核中，核物质的密度是一个常数。二、核自旋和磁矩二、核自旋和磁矩原子核有自旋，自旋角动量为原子核有自旋，自旋角动量为核自旋可以是整数，也可以是半整数。核自旋可以是整数，也可以是半整数。1.质子和中子的自旋质子和中子的自旋2.原子核的质子数和中子数都是偶数时，自旋为零。原子核的质子数和中子数都是偶数时，自旋为零。 21h)I(IPI 核核自
3、自旋旋）核核自自旋旋角角动动量量量量子子数数（ I21 I3.原子核的质子数和中子数都是奇数时，原子核的质子数和中子数都是奇数时， 自旋为非零整数。自旋为非零整数。4.原子核的核子数是奇数时，自旋为原子核的核子数是奇数时，自旋为1/2的奇数倍。的奇数倍。核自旋的确定：核自旋的确定：原子核有磁矩，以原子核有磁矩，以核磁子核磁子为单位。为单位。质子的磁矩质子的磁矩说明：说明：中子的自旋角动量与磁矩方向相反。中子的自旋角动量与磁矩方向相反。中子内部有一定的正负电荷分布，但正负电量相等，中子内部有一定的正负电荷分布，但正负电量相等， 因此不显电性。因此不显电性。pNmeh 4 227100505518
4、361mA.BN Np. 7927822 中子的磁矩中子的磁矩Nn. 9131651 原子核磁矩与核自旋角动量的关系原子核磁矩与核自旋角动量的关系原子核磁矩在某一特殊方向的投影原子核磁矩在某一特殊方向的投影投影最大值投影最大值 2122h)I(ImegPmegpIIpII 因因子子原原子子核核的的 ggI NIIIMgz 核核磁磁量量子子数数 IMNI)I(Ig 1 I),I(,I ,IMI 11 NIIIg “核磁共振核磁共振”测定核磁矩测定核磁矩原子核在磁场中有原子核在磁场中有2I+1个可能的能量个可能的能量当当 cosBEI Eh 10 ,MI 核核磁磁量量子子数数的的选选择择定定则则B
5、MgBNIIIz Bg)E(NI 核核能能量量改改变变BghNI BN电磁铁电磁铁S样品样品接接高高频频电电源源交交变变磁磁场场调节磁铁的励磁电流，使调节磁铁的励磁电流，使样品的原子核从磁场吸收能量，发生能级跃迁。样品的原子核从磁场吸收能量，发生能级跃迁。原子核从磁场中强烈吸收能量，原子核从磁场中强烈吸收能量，称为核磁共振。称为核磁共振。原子核在磁场中有原子核在磁场中有2I+1个核磁能级，个核磁能级，在核磁共振中会出现在核磁共振中会出现2I+1个共振峰。个共振峰。BIBIIgBghININI BhII 或或B吸吸收收离离子子的的顺顺磁磁共共振振峰峰水水中中 Mn612 I25 I三、核力三、核
6、力核子之间的相互作用力，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。抵消核子之间的较强的库仑排斥力。1.核力是比电磁力强得多的强相互作用力，核力是比电磁力强得多的强相互作用力， 主要是吸引力。主要是吸引力。2.核力是短程力，核子间距离小于核力是短程力，核子间距离小于10-15m时才明显。时才明显。3.核力与核子带电状况无关。核力与核子带电状况无关。4.核力具有饱和性。核力具有饱和性。核力的特征：核力的特征：1935年，日本物理学家汤川秀树提出核力的介子理论，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认为核子之间通过交换 介子而发生核力作用。介子而发生核力作用。
7、四、原子核的结合能四、原子核的结合能原子核的质量总是小于组成该原子核的核子的质量原子核的质量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之和，它们之间的差额称为原子核的质量亏损质量亏损。xnpMm)ZA(Zmm 原原子子核核的的质质量量xMeHpmmmexZmMM)Zm(Mm)ZA()mm(ZmeneH- Mm)ZA(ZmnH-核子在结合成原子核时，它们之间的核力作用使体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。系能量降低，从而释放出能量，相应质量减少了。 质量亏损质量亏损1u，相应能量改变为，相应能量改变为Z个质子和个质子和(
8、A-Z)个中子结合成原子核时，释放能量个中子结合成原子核时，释放能量eV.J.ucE5931104924411102 AEE 0eVMm)ZA(ZmmcEnH931.5-2 平均结合能：平均结合能：原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的比值。原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的比值。原子核结合能：原子核结合能：由质子和中子形成原子核时所放出的能量。由质子和中子形成原子核时所放出的能量。平均结合能越大，平均结合能越大，原子核越稳定。原子核越稳定。17-2 原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变一、原子核的稳定性一、原子核的稳定性原子核不会自发地改变其质子数、中子数和原子核不会自发地改变其
9、质子数、中子数和它的基本性质。它的基本性质。稳定原子核稳定原子核和和不稳定不稳定（或放射性）（或放射性）原子核原子核1、原子核中的质子数等于和大于、原子核中的质子数等于和大于84的原子的原子核是不稳定的。核是不稳定的。2、具有少于、具有少于84个质子的原子核，质子数和中个质子的原子核，质子数和中子数均为偶数时，其核稳定。子数均为偶数时，其核稳定。稳定性的预测：稳定性的预测： 4、中子数和质子数之比、中子数和质子数之比n/p=1时原子核稳定，时原子核稳定， 比值越大，稳定性越差。比值越大，稳定性越差。二、原子核衰变二、原子核衰变PbOHe2088216842三种射线：三种射线： 射线、射线、 射
10、线、射线、 射线射线不稳定的原子核会自发地转变成另一种核而同时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，这种变化叫放出射线，这种变化叫放射性衰变放射性衰变。3、质子数或中子数等于、质子数或中子数等于2，8，20，28，50，82，126的原子核特别稳定。的原子核特别稳定。幻数幻数 射线射线是是 粒子流，是带正电的氦核粒子流，是带正电的氦核 射线射线是高速运动的电子流，分是高速运动的电子流，分 +和和 -两种两种HeRnRa422228622688eeNiCo 0160286027 -衰变是原子核内中子转变成质子，同时放出一个电子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
11、联系的反中微子和与电子相联系的反中微子eePn 011110 +衰变是原子核内质子转变成中子，同时放出一个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正电子和一个中微子eenP 011011 射线射线是光子流，是光子流， 是在是在 衰变或衰变或 衰变后形成新核时辐射出来的。衰变后形成新核时辐射出来的。放射性衰变过程遵守放射性衰变过程遵守电荷守恒电荷守恒、质量数守恒质量数守恒、能量守恒能量守恒、动量守恒动量守恒、角动量守恒角动量守恒。HeYXAZAZ4242eAZAZeYX 011eAZAZeYX 011三、放射性衰变定律三、放射性衰变定律t时刻样品中有时刻样品中有N个核，在个核
12、，在dt时间内有时间内有dN个发生衰变个发生衰变NdtdN dtNdN 或或衰衰变变常常数数）表表征征衰衰变变快快慢慢的的常常数数（ t=0，N=N0teNN 0放射性衰变定律放射性衰变定律NdtdN t时刻，每单位时间衰变的原子核数与该时刻，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。时刻原子核总数的比。越大，衰变越快。半衰期半衰期原子核衰变到原子核衰变到N=N0/2所需的时间。所需的时间。210021TeNN 6930221.lnT平均寿命平均寿命每个原子核衰变前存在的时间的平均值。每个原子核衰变前存在的时间的平均值。0Ndtt)dN( tL 10NL 000NdteN
13、tt原子核的寿命：原子核的寿命：平均寿命：平均寿命：221lnT 平均寿命与半衰期的关系：平均寿命与半衰期的关系：放射性活度（放射性强度）放射性活度（放射性强度）一个放射源在单位时间内发生的核衰变次数。一个放射源在单位时间内发生的核衰变次数。teNNdtdNI 0Bq.Ci1010731国际单位：贝克勒尔国际单位：贝克勒尔(Bq)t=0，N=N0，I= N0teII 01Bq表示每秒发生一次核衰变的放射源的活度。表示每秒发生一次核衰变的放射源的活度。常用单位：居里常用单位：居里( Ci)17-3 原子核能的利用原子核能的利用一、原子核能的几种释放模式一、原子核能的几种释放模式1、原子核的衰变、
14、原子核的衰变半衰期为半衰期为87.84年年MeV.He)(U)(Pu65422349223894铀铀钚钚2、原子核的裂变、原子核的裂变自发裂变自发裂变：由重核自发地裂变成两个碎块，：由重核自发地裂变成两个碎块， 同时放出约为同时放出约为200MeV的能量。的能量。MeV)(U20023592 两两个个成成份份不不同同的的碎碎块块铀铀半衰期为半衰期为1.8 1018年年核裂变核裂变：在中子作用下，核裂变成两个碎块，：在中子作用下，核裂变成两个碎块， 同时放出同时放出2个或个或3个中子。个中子。MeVnU200321023592个个中中子子个个或或两两个个碎碎块块3、原子核的聚变、原子核的聚变由轻
15、原子核聚合成质量较大的原子核。由轻原子核聚合成质量较大的原子核。MeV.nHMeV.HHHH25304103211312121二、原子核能的利用二、原子核能的利用1、核反应堆、核反应堆nKrBanU1097361375610235922MeV.MeV.E75193593120800 链链式式反反应应利用中子诱发重核裂变从而释放原子核能利用中子诱发重核裂变从而释放原子核能u).(u).(m20086719212969061136 0086710439235 u.20800nUnnnnnnUU核反应堆核反应堆人工方法控制链式反应使原子核能和平利用的设备。人工方法控制链式反应使原子核能和平利用的设备
16、。利用减速剂（慢化剂）将裂变的快中子减速为热中子利用减速剂（慢化剂）将裂变的快中子减速为热中子主要组成部分：主要组成部分： 堆芯、中子反射层、冷却系统、控制系统堆芯、中子反射层、冷却系统、控制系统2、受控核聚变、受控核聚变将氘核加热，使氘核在无规则运动中相互碰撞，将氘核加热，使氘核在无规则运动中相互碰撞，使氘核热运动动能能克服相互接触时的库仑势能使氘核热运动动能能克服相互接触时的库仑势能发生聚变反应，称为发生聚变反应，称为热核反应热核反应。17-4 粒子物理简介粒子物理简介一、粒子特征一、粒子特征 四种相互作用和粒子分类四种相互作用和粒子分类基本粒子基本粒子：质子、光子、中子、电子：质子、光子
17、、中子、电子正电子的发现正电子的发现1932年安德逊在记录宇宙射线的年安德逊在记录宇宙射线的云雾室中发现正电子云雾室中发现正电子正电子与电子有相同的质量，带正电。正电子与电子有相同的质量，带正电。20cmE 20cmE0E空空穴穴空空穴穴狄拉克海狄拉克海（真空区）（真空区）电子偶电子偶产生产生电子偶电子偶湮灭湮灭光光子子 光光子子 电电子子电电子子正反粒子正反粒子 两者质量、自旋、平均寿命完全相同。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。电荷等值异号，磁矩方向相反。中微子的发现中微子的发现1930年泡利根据衰变前后应遵守角动量守恒和能年泡利根据衰变前后应遵守角动量守恒和
18、能量守恒提出核在发射粒子的同时应发射一个质量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。几乎为零的中性粒子，称中微子。粒子的特征的描述粒子的特征的描述1、质量。（常用能量表示）、质量。（常用能量表示）2mcE 2、电量。（常以电子电量、电量。（常以电子电量e为单位）为单位）3、自旋。（自旋角动量以、自旋。（自旋角动量以 为单位）为单位）4、平均寿命。、平均寿命。天体之间天体之间 衰变衰变原子结合原子结合核力核力举例举例一切物体一切物体 强子、轻子强子、轻子强子强子强子强子被作用被作用粒子粒子长程，长程， 短程短程10-16长程，长程， 短程短程10-1510-16作
19、用力作用力程程/m引力子引力子中间中间玻色子玻色子光子光子胶子胶子作用传作用传递者递者10-3910-151/1731相对相对强度强度引力作用引力作用弱作用弱作用电磁作用电磁作用强作用强作用四种相互作用的比较四种相互作用的比较10-10特征特征时间时间10-2010-16粒子的分类粒子的分类（按参与相互作用的性质）（按参与相互作用的性质）1、规范粒子、规范粒子2、轻子、轻子3、强子、强子规范粒子是传递作用力的粒子。规范粒子是传递作用力的粒子。轻子完全不受强作用力的影响。轻子完全不受强作用力的影响。强子分成介子和重子。强子分成介子和重子。二、强子的夸克结构二、强子的夸克结构夸克是强子的组成粒子。
20、夸克共有夸克是强子的组成粒子。夸克共有6种。种。每种夸克都有相应的反夸克。每种夸克都有相应的反夸克。夸克种类夸克种类（味）（味）上上下下奇异奇异粲粲底底顶顶英文英文up down strange charm bottom top符号符号 u d s c b t质量质量(MeV)5 10 500 1500 4800 ?电荷电荷(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( )重子都由三个夸克组成。重子都由三个夸克组成。)uud(P如如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。1313232电电荷荷212
21、12121自自旋旋)du( 如如13132电电荷荷自自旋旋为为零零三、相互作用的统一三、相互作用的统一弱电统一理论弱电统一理论： 弱作用与电磁作用的统一弱作用与电磁作用的统一能量很高能量很高时，传递弱力的媒介粒子与光子时，传递弱力的媒介粒子与光子一样静质量为零，由于内部某种对称性使一样静质量为零，由于内部某种对称性使弱力和电磁力成为同一种力。弱力和电磁力成为同一种力。能量较低能量较低时，内部某种对称性被破坏，使某些时，内部某种对称性被破坏，使某些传递力的媒介粒子获得很重的质量，传递的力传递力的媒介粒子获得很重的质量，传递的力就变得很弱，即弱力。有一种媒介粒子仍保持就变得很弱，即弱力。有一种媒介粒子仍保持静止质量为零，它传递的就是电磁力。静止质量为零，它传递的就是电磁力。大统一理论大统一理论： 强相互作用和弱电作用统一强相互作用和弱电作用统一超大统一理论超大统一理论： 四种相互作用的统一四种相互作用的统一有待于验证。有待于验证。
