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核与粒子物理导论

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目 录引言---------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 §0.1探索物质微观结构的前沿科学------------------------------------------------------------------1 §0.2核及粒子物理研究的对象及内容---------------------------------------------------------------3 §0.3核及粒子物理学研究对象的基本特征---------------------------------------------------------4 §0.4自然单位制------------------------------------------------------------------------------------------6第一章 粒子束的获得---------------------------------------------------------------------------------------11 §1.1放射源-----------------------------------------------------------------------------------------------11 §1.2反应堆-----------------------------------------------------------------------------------------------21 §1.3粒子加速器-----------------------------------------------------------------------------------------23 §1.4宇宙线-----------------------------------------------------------------------------------------------31第二章 粒子束与物质相互作用和粒子的探测---------------------------------------------------------39 §2.1粒子与物质相互作用-----------------------------------------------------------------------------39 §2.2粒子探测器-----------------------------------------------------------------------------------------55 §2.3粒子谱仪系统--------------------------------------------------------------------------------------67第三章 核及粒子的基本特性------------------------------------------------------------------------------81 §3.1核及粒子的质量-----------------------------------------------------------------------------------81 §3.2粒子自旋--------------------------------------------------------------------------------------------89 §3.3核与粒子的电磁矩--------------------------------------------------------------------------------94第四章 核与粒子的非点结构----------------------------------------------------------------------------104 §4.1相互作用的量子场论的描述------------------------------------------------------------------104 §4.2粒子的分类---------------------------------------------------------------------------------------109 §4.3弹性散射－探测核与粒子“荷”的分布----------------------------------------------------112 §4.4轻子是类点粒子---------------------------------------------------------------------------------127第五章 守恒定律及其应用-------------------------------------------------------------------------------137 §5.1对称性与守恒定律------------------------------------------------------------------------------137 §5.2 n-p 对称性和同位旋守恒----------------------------------------------------------------------142 §5.3规范变换不变性⎯相加性量子数守恒------------------------------------------------------150第六章 分立变换对称性和相乘性量子数-------------------------------------------------------------161 § 6.1全同粒子交换对称性---------------------------------------------------------------------------161 § 6.2空间反射变换及空间宇称---------------------------------------------------------------------164 § 6.3电荷共轭变换及宇称------------------------------------------------------------------------177 C §6.4时间反演变换对称性和定理----------------------------------------------------------183 CPT §6.5中性介子衰变和破缺------------------------------------------------------------------189ΚCP 第七章 强子结构的夸克模型----------------------------------------------------------------------------199 §7.1强子态的产生------------------------------------------------------------------------------------199 § 7.2强子谱和强子结构的夸克模型---------------------------------------------------------------204 §7.3重子的味多重态------------------------------------------------------------------------210 )3(SU §7.4介子的多重态---------------------------------------------------------------------------215 )3(SU §7.5强子的质量和强子的磁矩---------------------------------------------------------------------218 § 7.6重味夸克的发现和重夸克偶素---------------------------------------------------------------225§7.7含有重味夸克的强子---------------------------------------------------------------------------230第八章粒子及其相互作用--------------------------------------------------------------------239§8.1,带有电磁荷的粒子的相互作用-量子电动力学（QED）----------------------239§8.2,强相互作用理论—量子色动力学（QCD）----------------------250§8.3，弱相互作用----------------------------------------------------------------265§8.4，弱中性流和电弱统一----------------------------------------------------------------277附录一相对论粒子碰撞运动学------------------------------------------------------------------------292 附录二常用物理常数表----------------------------------------------------------------------------------311 附录三常见物质属性-------------------------------------------------------------------------------------312 附录四常用放射源----------------------------------------------------------------------------------------314 附录五C-G常数表-----------------------------------------------------------------------------------------315 附录六强子命名规则-------------------------------------------------------------------------------------316。

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核物理与粒子物理导论课件02放射性和核的稳定性

核物理与粒子物理导论课件02放射性和核的稳定性


N1 = N1(0)e−λ1t
A1(t) = λ1N1 = λ1N1(0)e−λ1t = A1(0)e−λ1t
对于 B
dN 2 dt
= λ1N1 − λ2N2
对此微分方程求解，容易求得：
N2(t) = λ
λ1 −λ
N1(0)(e−λ1t − e−λ2t )
子体 B 的放射性活ຫໍສະໝຸດ 为A2 (t)=λ2 N 2 (t)
A Z
X→
Z
+A1Y
+
e−
,
A Z
X→Z
−A1Y
+
e+
,
A Z
X
+
e−
→Z
−A1Y
其中 e-和 e＋分别代表电子和正电子。
β − 衰变相当于原子核的一个中子变成了质子；β + 衰变和轨道电
子俘获相当于原子核的一个质子变成了中子。
处于激发态的原子核要向基态跃迁，这种跃迁称为γ 跃迁。 在γ 跃迁中通常要放出γ 射线。因此，γ 射线的自发放射一般是伴 随α或β射线产生的。
第二章 放射性和核的稳定性
§2.0 核与粒子的不稳定性
核基态的不稳定性 — 核转变（β、α） （弱作用和 库仑作用）
激发态的不稳定性 — γ衰变（电磁作用）
共振态衰变 — 粒子发射（强作用或核作 用）
§2.1 放射性衰变的基本规律
1．放射性的一般现象
原子核自发地放射各种射线的现象，称为放射性。能自发地放射 各种射线的核素称为放射性核素(radioactive nucleus)，也叫不稳定的 核素(unstable nucleus)。放射性现象是由原子核的内部变化引起的。
=
λ1λ2 λ2 − λ1
第三章 核及粒子的基本特性

第三章 核及粒子的基本特性


N (t ) = N 0 e − λt
将定态的波函数(3.2)中的 E 0 ( n = 0) 写成 E 0 → E 0 −
(3.3)
iΓ Γ 。具有虚部 − 的复数， Γ 具有与 2 2
81
第三章 核及粒子的基本特性
E 0 相同的量纲。这时，系统态的波函数变成：
Ψ ( x, t ) = Ψ ( x, 0)e
2
( E − E0 ) 2 +
Γ2 4
由规一化条件
∫
−∞
P( E )dE = 1 求出： const = P( E ) =
Γ Ψ ( x,0)
2
Γ Γ 2π [( E − E0 )2 + ( )2 ] 2
(3.7)
图(3.1)给出式（3.7）的分布
82
核与粒子物理导论
图(3.1) Breit-Wigner 分布 这种分布称为 Breit-Wigner 分布。 其分布的半高全宽为 Γ 。 因此， 稳定的粒子或者核素 ， 其质量是定值。而不稳定的粒子（或者核素） ，其质量具有 Breit-Wigner 分布,其分布宽度 Γ 。分布的中心极大对应的能量 E0 为该粒子（或者核素）的质量。 Γ 描述其衰变宽度。由 式（3-6）可知，衰变宽度越大，平均寿命越短,例如，
2.
核素的质量 M a 和质量差额 ∆( Z , A) 核素的质量，用质谱法测到的质量,实际上是该核素对应的同位素原子的质量。通常选用
原子质量单位 amu 来量度核素的质量： amu =
M a (12 C ) 12 12 。 M a ( C ) 是 C 对应的原子质 12
量， 1amu = 931.49432MeV / c 。 各种核素 ( Z , A) ，它们的质量都与 A(amu) 相接近，人们常采用质量差额 ∆( Z , A) 来描 述核素的质量特性，
核物理与粒子物理导论chap_1_4-7 (32)

核物理与粒子物理导论chap_1_4-7 (32)


λl/λ0
0 1
（2）形成因子的影响 另一条件是假设α 粒子在α 衰变前就存在于核内。实际情况可能不是这样，而是α 粒子在衰变过程中才形成的。若设形成α 粒子的概率为 k，那么
λ = knP = k
υ
α k 称为形成因子。 由于 k≤1， 于是依 k 值的不同， 衰变就有可能出现不同程度的禁戒。 而 k 值的大小与原子核结构有密切关系，两者之间的联系规律如何，至今还没有了解清 楚。
F = Texp / Tth
或以衰变常量λ的理论值λth 与实验值λexp 之比来表示
F = λth / λexp
对奇 A 核， 一般在 100~1000 范围； F 奇奇核的 F 则更大， 个别核的禁戒因子高达 1014。 现就理论与实验分歧的原因讨论下面两个问题： （1）角动量的影响 公式是在假设α 粒子带走的轨道角动量 l=0 时推导出来的。如果 l≠0， r>R 时的 V(r)应为库仑势能 Vc(r)与离心势能 Vl(r)之和，即
G=
2 μ ( Z − 2)e 2 2ε 0 h E d
4 e[ μ ( Z − 2 ) R ]1 / 2 − πε 0 h
于是α 粒子穿透势垒的概率成为
⎧ 2 μ ( Z − 2)e 2 4e[ μ ( Z − 2) R ]1 / 2 ⎫ ⎪ ⎪ P = exp ⎨− + ⎬ πε 0 h 2ε 0 h E d ⎪ ⎪ ⎩ ⎭
l (l + 1)h 2 l (l + 1)(hc) 2 l (l + 1) Vl ( R ) = = ≈ 10 2 μR 2 2μ c 2 R 2
(MeV )
ห้องสมุดไป่ตู้
l＝3，Vl(R)≈1 MeV，而库仑势垒一般大于 20 MeV，计算表明，角动量对衰变概率的影 响通常不会改变数量级的大小， 5-4 中列了对 Z＝90， 表 E＝4.5 MeV 时的角动量对α 衰 变概率的影响。 表 5-4 L 角 动 量 对 α 衰 变 概 率 的 影 响 1 0.84 2 0.60 3 0.36 4 0.18 5 0.078 6 0.028
核物理与粒子物理导论chap_1_4-7 (6)

核物理与粒子物理导论chap_1_4-7 (6)

166习 题7-1．原子核69Zn 处于能量为436 keV 的同核异能态时，试求放射γ 光子后的反冲动能E R γ和放射内转换电子后的反冲动能E Re 。

若69Zn 处于高激发态，可能发射中子，试求发射能量为436keV 中子后的反冲能E Rn 。

(已知K 层电子的结合能为9.7keV 。

)7-2．试计算1μg 重的137Cs 每秒放出多少个γ 光子。

(已知137Cs 的半衰期为30.17a ， β衰变至子核激发态的分支比为93%，子核γ 跃迁的内转换系数分别为αK =0.0976， K L =566.，260.0=LM 。

) 7-3．放射源衰变至的激发态，然后接连通过两次γ 跃迁至基态。

由β磁谱仪在曲率半径为20cm 处测得此放射源的内转换K 电子的峰与场强0.02575，0.02166 T 对应。

已知Ti 的K 电子结合能为5.0keV ，试求γ 跃迁的能量。

Sc 4621β−Ti 4622 7-4．实验测得有两组βSb12051()a +电子：0.52 MeV ，=5.5；1.70 MeV ，=4.5。

后者为相应至基态之跃迁。

一条γ 射线，其能量为1.181MeV ，属E 2型。

已知基态的自旋和宇称为0log /fT 12log /fT 12Sn12050()b Sn12050+，试画出衰变纲图，并标出各能级的自旋和宇称。

7-5．设一核有大致等距分布的四条能级，其能级特性从下至上依次为21+，29+，23-，29-。

试画出能级图，标明最可能发生的跃迁类型。

7-6．通过K 俘获衰变至的激发态，后者跃迁至基态时，放出一系列γ 光子或内转换电子。

由β 磁谱仪测得22条内转换电子谱线（见下表）。

试确定所放出的γ 光子的能量，并画出的能级图。

(已知K ，L ，M 层电子的结合能分别为11.9、1.5和0.2keV 。

) Se 7534As7533As 7533内转换电子能量(keV)（带*者发生在K 层)23.2 95.3 186.9 293.4 24.4 96.5 197.2 303.454.3 109.4* 253.3 390.0 64.6 124.3 263.6 400.5 68.9* 134.7 268.2 85.0 136.0 278.5 7-7．对于下列γ 跃迁，已知跃迁类型和始态的能级特性，试求末态的能级特性：（i ）；(ii)；(iii) ；(iv) ；(v) 。