大学物理第17章,原子核与基本粒子

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。

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。

习题十七17-1 按照原子核的质子一中子模型，组成原子核X AZ 的质子数和中子数各是多少？核内共有多少个核子？这种原子核的质量数和电荷数各是多少？答：组成原子核X AZ 的质子数是Z ，中子数是Z A -．核内共有A 个核子．原子核的质量数是A ，核电荷数是Z ．17-2 原子核的体积与质量数之间有何关系？这关系说明什么？答：实验表明，把原子核看成球体，其半径R 与质量数A 的关系为310A R R =，说明原子核的体积与质量数A 成正比关系．这一关系说明一切原子核中核物质的密度是一个常数．即单位体积内核子数近似相等，并由此推知核的平均结合能相等．结合能正比于核子数，就表明核力是短程力．如果核力象库仑力那样，按照静电能的公式，结合能与核子数A 的平方成正比，而不是与A 成正比．17-3 什么叫原子核的质量亏损？如果原子核X AZ的质量亏损是m ∆，其平均结合能是多少？ 解：原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，它们的差额称为原子核的质量亏损．设原子核的质量为x M ，原子核X A Z 的质量亏损为:x n p M m Z A Zm m --+=∆])([平均结合能为A mc A E E 20ΔΔ== 17-4 已知Th 23290的原子质量为u 232.03821，计算其原子核的平均结合能.解：结合能为MeV 5.931])([ΔH ⨯--+=M m Z A Zm E nTh 23290原子u M 03821.232=,90=Z ,232=A ,氢原子质量u m 007825.1H =， u m n 008665.1=MeV1.766.56MeV5.931]03821.232008665.1)90232(007825.190[Δ=⨯-⨯-+⨯=∴E∴平均结合能为 MeV614.723256.1766Δ0===A E E17-5什么叫核磁矩？什么叫核磁子（N μ）？核磁子N μ和玻尔磁子B μ有何相似之处？有何区别？质子的磁矩等于多少核磁子？平常用来衡量核磁矩大小的核磁矩I μ'的物理意义是什么？它和核的g 因子、核自旋量子数的关系是什么？解：原子核自旋运动的磁矩叫核磁矩，核磁子是原子核磁矩的单位，定义为：227m A 10.05.51.18361π4⋅⨯===-B p N m eh μμ式中pm 是质子的质量．核磁子与玻尔磁子形式上相似，玻尔磁子定义为e B m ehπμ4=，式中e m 是电子的质量．质子的磁矩不等于N μ．质子的磁矩N P μμ79273.2=．平常用来衡量核磁矩大小的是核磁矩在外磁场方向分量的最大值I μ'，它和原子核g 因子、自旋量子数的关系是N I II g μμ='． 17-6 核自旋量子数等于整数或半奇整数是由核的什么性质决定？核磁矩与核自旋角动量有什么关系？核磁矩的正负是如何规定的？解：原子核是由质子和中子组成．质子和中子的自旋均为21．因此组成原子核的质子和中子数的奇、偶数决定了核自旋量子数为零或21的奇、偶倍数．核磁矩与自旋角动量的关系是：IpI I P m e g 2=μ I μ的正负取决于I g 的正负．当I μ与I P 平行时I μ 为正，当I μ 与I P 反平行时，I μ为负．17-7 什么叫核磁共振？怎样利用核磁共振来测量核磁矩？解：原子核置于磁场中，磁场和核磁矩相互作用的附加能量使原子核能级发生分裂．当核在电磁辐射场中时，辐射场是光子组成的，当光子的能量hv 等于核能级间隔时，原子核便吸收电磁场的能量，称为共振吸收，这一现象称为核磁共振．在磁场中核能级间隔为：B g E N I μ=∆共振吸收时，B g E h N I μυ=∆=通常用核磁矩在磁场方向分量的最大值I μ'来衡量磁矩的大小,N I I I g μμ='，则有BIh Iμυ'=∴B h II υμ='，已测出I ，υ，现测得B 就可以算出I μ'．17-8 什么叫核力？核力具有哪些主要性质？答：组成原子核的核子之间的强相互作用力称为核力．核力的主要性质：(1)是强相互作用力，主要是引力．(2)是短程力，作用距离小于m 1015-,(3)核力与核子的带电状况无关．(4)具有饱和性． 17-9 什么叫放谢性衰变？α，β，γ射线是什么粒子流？写出U 23890的α衰变和Th 23490的β衰变的表示式.写出α衰变和β衰变的位移定则.解：不稳定的原子核都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．α射线是带正电的氦核He 42粒子流，β射线是高速运动的正、负电子流，γ射线是光子流．e e υ~Pa Th He Th 012349123490422349023892++→+→-α衰变和β衰变的位移定则为：α衰变 He Y X 4242+→--A z A z β衰变的位移定则为：e A z A z υ~e Y X 0++→-+e A z A zυ++→+-e Y X 01117-10 什么叫原子核的稳定性？哪些经验规则可以预测核的稳定性？答：原子核的稳定性是指原子核不会自发地从核中发出射线而转变成另一种原子核的性质． 以下经验规则可预测核的稳定性：(1)原子序数大于84的核是不稳定的．(2)原子序数小于84的核中质子数和中子数都是偶数的核稳定．(3)质子或中子数等于幻数2、8、20、28、50、82、126的原子核特别稳定．(4)质子数和中子数之比1=p n 的核稳定．比值越大，稳定性越差．17-11 写出放射性衰变定律的公式.衰变常数λ的物理意义是什么？什么叫半衰期21T ？21T 和λ有什么关系？什么叫平均寿命τ？它和半衰期21T 、和λ有什么关系？解：tN N λ-0e=，衰变常数N tN d /d -=λ．的物理意义是表示在某时刻，单位时间内衰变的原子数与该时刻原子核数的比值．是表征衰变快慢的物理常数．原子核每衰变一半所需的时间叫半衰期．λT 2ln 21=平均寿命τ是每个原子核衰变前存在时间的平均值．λτ1=2ln 21τ=T ．17-12 测得地壳中铀元素U 23592只点0.72%，其余为U 23892，已知U 23892的半衰期为4.468×109年，U 23592的半衰期为7.038×108年，设地球形成时地壳中的U 23892和U 23592是同样多，试估计地球的年龄.解：按半衰期λλ693.02ln ==T对年：/110847.910038.7693.0693.0U 10181123592-⨯=⨯==T λ对年：/110551.110468.4693.0693.0U 1092223892-⨯=⨯==T λ按衰变定律tN N λ-=e 0，可得ttt N N N N )(00211221e e e λλλλ---==则地球年龄：1221ln λλ-=N N t 年9101094.510)847.9551.1(28.9972.0ln⨯=⨯-=-17-13 放射性同位素主要应用有哪些？答：放射性同位素主要在以下几个方面应用较广泛：医学上用于放射性治疗和诊断；工业上用于无损检测；农业上用放射性育种；考古学、地质学中用于计算生物或地质年代；生物学中作示踪原子等等．17-14 为什么重核裂变或轻核聚变能够放出原子核能？答：轻核和重核的平均结合能较小，而中等质量)60~40(=A的核平均结合能较大，因此将重核裂变成两个中等质量的核或轻核聚变成质量数较大的核时平均结合能升高，从而放出核能．17-15 原子核裂变的热中子反应堆主要由哪几部分组成？它们各起什么作用？答：热中子反应堆的主要组成部份有堆芯、中子反射层、冷却系统、控制系统、防护层．堆芯是放置核燃料和中子减速剂的核心部份，维持可控链式反应，释放原子核能．冷却系统与换能系统合二为一，再通过冷却系统将堆芯释放出的核能输送到堆芯以外．控制系统是通过控制棒插入堆芯的长度，控制参加反应的中子数，使反应堆保持稳定的功率．中子反射层是阻挡中子从反应堆中逸出．防护层是反应堆的安全屏障．17-16 试举出在自然界中存在负能态的例子.这些状态与狄拉克真空，结果产生1 MeV的电子，此时还将产生什么？它的能量是多少？答：例如物体在引力场中所具有的引力势能；正电荷在负电荷电场中的静电能，都是自然界中的负能态．这些负能态是能够观测到的，具有可观测效应．狄拉克的负能态是观测不到的，没有可观测效应．17-17 将3MeV能量的γ光子引入狄拉克真空，结果产生1MeV的电子，此时还将产生什么？它的能量是多少？答：把能量大于电子静能两倍MeV022.122=>cmE的γ光子引入真空，它有可能被负能量电子的一个电子所吸收，吸收了这么多能量的电子有可能越过禁区而跃迁到正能量区，并表现为一个正能量的负电子-e；同时，留下的空穴表现为一个正能量的正电子+e．这一过程称为电子偶的产生，可写为-++→eeγ按题意，根据能量守恒，正电子的能量为MeV 217-18 试证明任何能量的γ光子在真空中都不可能产生正、负电子对.答：证明：设由γ光子转化成的一对正负电子其动量分别为1p和2p，在电子的质心系中应有21=+pp并且正负电子的总能量应大于22cme．按照相对论，光子动量与能量的关系为pcE=，动量等于零而能量不等于零的光子是不存在的．显然γ光子转换成正负电子，同时满足能量守恒和动量守恒是不可能的，即在真空中无论γ光子能量多大，都不可能产生正负电子对．但是γ光子与重原子核作用时便可转化为正负电子对．。

原子核物理学的基础原子核物理学是研究原子核结构、性质和相互作用的学科。

它是现代物理学的重要分支之一，对于我们理解宇宙的本质和发展具有重要意义。

本文将介绍原子核物理学的基础知识，包括原子核的组成、结构和相互作用等方面。

一、原子核的组成原子核是原子的核心部分，由质子和中子组成。

质子带正电荷，中子不带电荷。

质子和中子统称为核子。

原子核的质量主要由质子和中子的质量决定，而原子核的电荷则由其中的质子数决定。

原子核的质量数A等于质子数Z与中子数N之和，即A=Z+N。

二、原子核的结构原子核的结构是由质子和中子的排列组合决定的。

根据泡利不相容原理，每个能级上的核子只能容纳两个，且自旋方向相反。

原子核中的质子和中子分别占据不同的能级。

原子核的能级结构类似于原子的能级结构，但由于核子之间的相互作用较强，能级间的能量差距较大。

三、原子核的相互作用原子核中的质子和中子之间存在着强相互作用力，这是维持原子核稳定的主要力量。

强相互作用力是一种非常强大的力量，它能够克服质子之间的电磁斥力，使得原子核能够稳定存在。

除了强相互作用力外，原子核中的质子和中子之间还存在着弱相互作用力和电磁相互作用力。

四、原子核的衰变原子核在一些特定条件下会发生衰变，即核子的数量和结构发生改变。

常见的核衰变方式包括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，即两个质子和两个中子组成的氦核。

β衰变是指原子核中的一个中子转变为一个质子和一个电子，或者一个质子转变为一个中子和一个反电子中微子。

γ衰变是指原子核放出γ射线，即高能光子。

五、原子核的能量原子核的能量是由核子的质量和相互作用力决定的。

根据爱因斯坦的质能关系，E=mc²，质量和能量之间存在着等价关系。

原子核的能量可以通过核反应和核聚变等方式进行转化。

核反应是指原子核之间的相互作用，包括核裂变和核聚变。

核裂变是指重核分裂成两个或多个轻核的过程，核聚变是指轻核融合成一个或多个重核的过程。