1、關于原子核與粒子物理第一張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月7.1 原子核的基本性質1. 核質量原子核的質量 =原子的質量 -核外電子的質量通常采用質量單位 忽略電子的結合能2. 核電荷Z稱核電荷數(shù)。第二張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 核的大小核的密度實驗表明核體積與核子數(shù)成正比第三張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月4.核的組成-質子和中子質子1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子 1919年, Rutherford用 粒子轟擊14N，發(fā)現(xiàn)了質子。 人類首次實現(xiàn)原子核的人工轉變（點金術）。原子核的符號表示：AZXN ， A=N+Z 為核子數(shù)（i） Z相同N不同的核素稱為同

2、位素（ii） N相同Z不同的核素稱為中子異核素（iii） A相同Z不同的核素稱為同量異位素中子和質子統(tǒng)稱為核子,可理解為核子的兩個不同狀態(tài)。中子第四張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月5.原子核的自旋和磁矩 核自旋 核自旋是所有核子的自旋角動量和軌道角動量的矢量和 ,在空間某一方向的投影： 量子數(shù)可以是整數(shù)或半整數(shù)核自旋磁量子數(shù)1A為奇數(shù)的核(奇A核) 2Z、N都為偶數(shù)的核(偶-偶核)3Z、N都為奇數(shù)的核(奇-奇核)原子核也有磁矩, 核磁矩比電子的磁矩小得多，因此產生的超精細結構譜線也比精細結構譜線間距小得多。測量原子核磁矩的重要方法之一是核磁共振6. 原子核的磁矩電子自旋磁矩：第五張，

3、PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月7.2 原子核力和結合能 在認識原子核之前人們只知道自然界有兩種相互作用力：引力和電磁力。是什么力使核子竟然不顧庫侖斥力緊密結合？ 1. 核力的基本性質(ii)短程性(i)強相互作用核力的強度比庫侖力大一百倍第六張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月(iii) 電荷無關性和飽和性 實驗表明每個核子只與它相鄰 的幾個核子有相互作用。2. 原子核的結合能 核由中子和質子組成，但核質量不等于核內中子和質子質量之和。 例如，氘核 由一個中子和一個質子組成第七張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 說明中子和質子組成氘核時會釋放2.225MeV的能量。逆過程

4、也成立，用同樣的能量輻照氘核，將一分為二飛出中子和質子。事實上，自然界中物體總質量比組成它的個別質量之和小是普遍現(xiàn)象。例如，一個電子和一個質子組成氫原子時會釋放13.6eV。原子結合能eV，原子核結合能MeV 核的質量虧損原子核的結合能核的結合能核子結合成原子核時釋放的能量 平均結合能第八張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月e-e-e-e-AB 現(xiàn)代物理學認為：電磁相互作用是帶電粒子間交換“虛光子”而產生的交換力。3. 核力的介子理論(1)A30的輕核，平均結合能表現(xiàn)出周期性的變化，凡A等于4的倍數(shù)的核，平均結合能有最大值。(2)中等核(A=30-120)的平均結合能較大，輕核和重核的平

5、均結合能較小獲得核能的途徑有兩個：重核裂變和輕核聚變 特點：1947年發(fā)現(xiàn)介子第九張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 液滴模型實驗依據(jù)：7.3原子核結構模型（1）核力具有飽和性，核子只與它周圍幾個核子作用，如同液體中的分子。（2）核密度不隨核子數(shù)變化，核具有不可壓縮性，如同液體密度是常數(shù)一樣。2. 殼層模型 在自然界中， Z或N (=2,8,20,28,50,82,126-幻數(shù))的核特別穩(wěn)定，含量明顯比其附近核素的含量多，Z或N顯示周期變化。 1949年，Mayer和Jensen在勢阱中加入了自旋-軌道耦合項，從而成功地解釋了幻數(shù)的存在，1965年獲諾貝爾獎。 3. 集體模型 19

6、52年Bohr和Mottelson提出描述核集體振動和轉動的“幾何模型”，1975年獲諾貝爾獎。第十張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月7.4 原子核放射衰變1. 放射性衰變規(guī)律 1896年，法國物理學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾礦物能自發(fā)地發(fā)射穿透力很強并能使照相底版感光的不可見射線。 1898年，居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了釙和鐳 放射性衰變：核素自發(fā)地放射出某種射線而變成另一種核素的過程放射性物質放出的射線主要有三種： 1射線：氦核2射線：正負電子3射線：光子第十一張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 放射性衰變遵守：電荷守恒、質量數(shù)守恒、質量和能量守恒、動量守恒等。 (1). 指數(shù)衰變規(guī)律 代表一

7、個原子核在單位時間內發(fā)生衰變的幾率，稱為衰變常數(shù) 第十二張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月(2). 半衰期核衰變到原來數(shù)目一半時所需時間稱半衰期(3)平均壽命 一個原子核在衰變前存在的時間叫壽命，所有原子核壽命的平均值稱為平均壽命。第十三張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月例1：某核的衰變常數(shù)為，試求它的半衰期和平均壽命。放射性活度放射性活度的單位為Bq(貝克)，1Bq=1次衰變/秒1居里(Ci)= 次衰變/秒= Bq例2: 估算地球年齡第十四張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 衰變衰變能衰變條件 例：判斷 是否發(fā)生衰變。第十五張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6

8、月3. 衰變衰變連續(xù)能譜引發(fā)的困難 1930年，泡利（Pauli）指出：“只有假定在 衰變過程中，伴隨每一個電子有一個輕的中性粒子（中微子）一起被發(fā)射出來，才能解釋連續(xù) 譜?！敝形⒆蛹僬f 1956年，從實驗上發(fā)現(xiàn)了中微子。 當衰變物只有兩個時，能量可由動量守恒完全確定，而衰變物有三個時，能量可以任意分配。 是守恒定律的問題還是存在第三者？第十六張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月衰變的三種類型及衰變條件i 衰變： 衰變能衰變條件ii衰變： iii電子俘獲（K俘獲，L俘獲）原子核俘獲一個核外軌道上的電子轉變?yōu)榱硪粋€核的過程 衰變的本質：衰變時一個中子轉變?yōu)橘|子或反之，而軌道俘獲其本質就是俘

9、獲軌道電子而轉變?yōu)橹凶?。第十七張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月4. 衰變 原子核通過發(fā)射光子從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)的過程 第十八張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月7. 原子核反應原子核反應：用具有一定能量的粒子轟擊一個原子核，使其放出某種粒子而轉變?yōu)樾略雍说倪^程。(1) 歷史上第一個人工核反應 () 第一個在加速器上實現(xiàn)的核反應 核反應中的守恒定律:電荷數(shù)、質量數(shù)、動量、能量守恒.此外,還有角動量、宇稱、統(tǒng)計性、同位旋等量守恒。 第十九張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月一個鈾核:相當2.5噸煤完全燃燒放出的能量 核裂變：1939年，哈恩和史特拉斯曼發(fā)現(xiàn)：利用中子轟擊

10、U時，產物中存在Ba。隨后，梅特納和弗里什指出：U在中子的轟擊下，裂變?yōu)閮蓚€中等質量核素。1947年，錢三強和何澤惠發(fā)現(xiàn)了核裂變的三分裂現(xiàn)象，其發(fā)生幾率約為二分裂的千分之三。一克鈾:第二十張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 U分離技術是制造原子彈的關鍵技術，一個U原子可以提供2.5中子，可以維持鏈式反應！臨界質量：體積太小中子容易逃逸，無法維持反應。裂變反應堆第二十一張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月二、裂變機制液滴模型 核內的質子、中子在不停地運動。核子之間有核力，質子之間有庫侖斥力。當啞鈴形的兩端之間的庫侖斥力大于中間收縮部分核子間總的核力時，形變不能恢復，原子核分裂成兩塊

11、，放出中子，同時釋放能量。第二十二張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月庫侖勢壘：144KeV5.6 108K聚變溫度：約108K（1億度），等離子體狀態(tài)原子核聚變第二十三張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月1.聚變能約為裂變能的四倍2.聚變的原料是氘. 裂變的原料是鈾氫彈方案：高效炸藥+裂變原料+氘化鋰氫彈是不可控的熱核反應裂變彈的能量分配：爆震與沖擊波： 50% 熱輻射： 35%剩余輻射： 10% 早期輻射： 5%純聚變不產生剩余輻射。第二十四張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月引力約束聚變關于太陽： 引力約束等離子體。每天燃燒的氫，相當于每秒爆炸900億顆百萬噸級的氫彈。

12、碳循環(huán)周期 6x106年，質子循環(huán)周期 3x109年。太陽外層溫度6000K, 中心溫度15,000,000K。太陽內部主要有兩種熱核反應： 第二十五張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月1氫鏈反應： 2碳氫循環(huán)第二十六張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 激光約束聚變受控核聚變 在直徑為0.4mm的小球內充以30-100大氣壓的氘氚混合氣體，用強激光（1012-1014W)均勻照射，使氘氚混合氣體的密度達到液體密度的一千到一萬倍，溫度達到108K而引發(fā)聚變。第二十七張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 磁約束聚變 超過萬度以上的氣體是不能用任何材料所構成的容器約束。具有閉合磁

13、力線的磁場是一種可能的選擇。設計 “磁籠” 成為難點 。70年代，蘇聯(lián)科學家發(fā)明的“托克馬克”方案逐漸顯示出優(yōu)點，成為聚變能研究的主流途徑。 托克馬克裝置又稱環(huán)流器， 磁籠由環(huán)形封閉磁場組成。 第二十八張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月核武器原子彈： 用235U或239Pu等重原子核的鏈式裂變反應原理制成的核武器。利用炸藥實現(xiàn)臨界狀態(tài)。.第二十九張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 氫彈：用氘、氚等輕原子核的熱核聚變反應原理制成核武器。氫彈沒有填料的限制 核試驗：大氣核試驗、地下核試驗、計算機模擬核試驗第三十張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月反應堆第三十一張，PPT共五十

14、七頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十二張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月核能利用 蘇美50年代，英法60年代。中國晚四十年起步，1991年12月浙江秦山核電站發(fā)電。 據(jù)1995年資料顯示，我國核能利用占總能比（1.3%）遠低于法國（75%），日本（36%），韓國（30%），臺灣（31%），甚至低于印度。2005年，我國核電不到（2%）。據(jù)估計，2050年我國能源需求將達到相當50億噸煤標準，而目前我國年耗15億噸煤，水資源不到2億噸煤，缺口極大。第三十三張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 在所有的核聚變反應中，氘和氚的核聚變反應相對比較易于實現(xiàn)。 氘在海水中儲量極為豐富，一公升海水

15、里提取出的氘，在完全的聚變反應中可釋放相當于燃燒300公升汽油的能量，有人估計若把海水中的氘都提出來，可用幾百億年。 聚變能具有資源無限，不污染環(huán)境，不產生高放射性核廢料等優(yōu)點，是人類未來能源。人類已經能控制和利用核裂變能，但由于很難將兩個帶正電的核靠近產生聚變反應，控制和利用核聚變能則需要歷經更長的、非常艱苦的研發(fā)歷程。第三十四張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 國際熱核聚變實驗堆（ITERInternational Thermonuclear Experimental Reactor ）計劃 ITER總投資50億美元（1998年值），歐盟貢獻46%，美、日、俄、中、韓、印各貢獻約9

16、%，計劃35年，是目前世界上僅次于國際空間站的又一個國際大科學工程計劃 。1985年，前蘇聯(lián)領導人戈爾巴喬夫和美國總統(tǒng)里根在日內瓦 峰會上倡議由美、蘇、歐、日共同啟動ITER計劃 。 1998年，美國出于政治原因宣布退出ITER計劃，歐、日、俄 三方則繼續(xù)堅持合作 2001年完成ITER工程設計。2002年，歐、日、俄表示歡迎中國與美國參加ITER計劃。2003年1月初中國宣布參加， 1月末美國宣布重新返計劃。2005年韓國加入，同年6月，六方一致同意把ITER建在法國核技術研究中心Cadarache。 2006年印度加入。第三十五張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 ITER計劃集成了

17、當今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學和技術成果。國際上對ITER計劃的主流看法是：建造和運行ITER的科學和工程技術基礎已經具備，成功的把握較大，預期本世紀中葉可實現(xiàn)聚變能商業(yè)化。 ITER計劃的實施結果將決定人類能否從根本上解決能源問題。 第三十六張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月8粒子物理 實驗研究：（1）宇宙線 （2）加速器 目前世界上的高能對撞機（1）歐洲核子中心: 質子-質子對撞， 270+270GeV(1982）; T+T （2006）; 正負電子對撞，80+80GeV（1989）。 (2) 中國高能所（1988）：正負電子對撞， 2.8+2.8GeV (3) 美國（19

18、86）：質子對撞1000+1000GeV。第三十七張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月8.1 粒子分類和相互作用1.相互作用第三十八張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2Particle classification1.規(guī)范粒子 （場量子）Gouge bosons光子 Photon 中間玻色子 Intermediate boson 膠子Gluon 引力子Graviton2. 輕子 Leptons-不參與將相互作用的費米子電子及伴生中微子重電子及伴生中微子超重電子及伴生中微子3. 強子 （Hadrons）-參與將相互作用的粒子 介子Mesons(玻色子) ，由正反兩個夸克組成 重子

19、Baryons (費米子)由三個夸克組成第三十九張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月夸克模型:1964年，Gell-Mann and George Zweig提出夸克模型?？淇耸亲孕秊?/2的費米子UpDownStrangeCharmedBottomTopIn 1974, the discovery of J/ led to charmed quark . In 1977 and 1994, bottom(or beauty) quark and top (or truth) quark were found respectively. 第

20、四十一張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十二張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月Red, Blue, Green QCD ( Quantum chromodynamics ) 量子色動力學第四十三張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月夸克層次的粒子分類.規(guī)范玻色子-13種2.費米子-48種Higgs 粒子和引力子迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn)第四十四張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 發(fā)現(xiàn)黑哥 2011年全球科學界發(fā)生兩件大事 第一件，中微子被發(fā)現(xiàn)有超光速的跡象。動搖愛因斯坦相對論的基礎，百年來的物理學可能要重寫。 第二件，黑格斯（higgs）粒子被發(fā)現(xiàn)有存在的跡象。 黑格斯

21、粒子也被叫“上帝粒子”，叫法源于一位諾獎（1988）得主萊德曼寫的高能物理科普讀物上帝粒子。名字有終極的意思，即粒子物理能發(fā)現(xiàn)的最后一個粒子。 所謂 higgs 機制是指規(guī)范對稱性自發(fā)破缺時，整體對稱性自發(fā)破缺產生的零質量標量粒子被矢量場吃掉，使原本是零質量的矢量場在破缺后得到質量，這些是在相對論量子場論框架下做的。第四十五張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 希格斯粒子是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子，是至今尚未在實驗中觀察到的最后一種未被發(fā)現(xiàn)的粒子。 標準模型是當今粒子物理學的主流理論，它是描述強作用力、弱作用力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論，它沒有

22、描述重力。 當1995年美國費米實驗室宣布發(fā)現(xiàn)了頂夸克時，標準模型所預言的61個基本粒子中的60個都已經得到了實驗數(shù)據(jù)的支持與驗證，看上去對物質微觀結構的探索已經到達了它的尾聲第四十六張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 希格斯玻色子的一個LHC圖像：希格斯玻色子衰減為兩個強子和電子噴出物 大型強子對撞機(Large Hadron Collider，簡稱LHC) 為尋找Higgs而設計的，位于法國與瑞士邊界處。環(huán)形加速器周長27公里，投資數(shù)十億歐元，擁有來自世界各地的6000余位專家。第四十七張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月最接近諾貝爾獎的中國發(fā)現(xiàn) 2012年3月8日，大亞灣中

23、微子實驗組宣布，發(fā)現(xiàn)了中微子的“第三種振蕩”，有望破解“反物質消失之謎”。中微子振蕩實際上是不同中微子之間的轉換，稱為“味振蕩”（flavor oscillation）?？茖W家觀測太陽中微子和大氣中微子在傳輸過程中的值是理論值的三分之一到一半左右。 已經發(fā)現(xiàn)了“太陽中微子振蕩”和“大氣中微子振蕩”兩種模式。發(fā)現(xiàn)中微子第三種振蕩模式，結果是諾貝爾級的，如果觀測實驗早出現(xiàn)十來年，一定可以獲得諾獎。 1988年，因發(fā)現(xiàn)中微子獲諾獎。 1995年，因為1956年在實驗中首次觀測到中微子，而與子的發(fā)現(xiàn)者分享諾獎。 2002年，戴維斯和小柴昌俊獲諾獎。美國戴維斯從六十年代起對太陽中微子進行了三十多年的觀測

24、，提出了“太陽中微子震蕩”。八十年代是日本的鼎盛時期，日本人砸錢修了一個“超級神岡探測器”。1996年開始觀測，1998年發(fā)現(xiàn)了“大氣中微子震蕩”并證實了“太陽中微子震蕩”。 據(jù)說國際普遍不看好第三種震蕩，大亞灣的科學家打算花三年時間觀測到結果，沒想到只花了55天就得到了5.2倍標準偏差結果。第四十八張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月大亞灣實驗項目三號實驗大廳，于2011年12月24日開始運行 第四十九張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 項目于2007年10月動土，250名研究人員來自中國、美國、俄羅斯、捷克、香港和臺灣等六個國家和地區(qū)的34家科研單位。建了總長3公里的隧道和3

25、個地下實驗大廳。其中，中國投資1.5億元人民幣，負責基礎設施建設和建造一半探測器，美國能源部負責建造另一半探測器。 之前決定振蕩過程六個參數(shù)中的四個已經得到，大亞灣項目是針對第五個重要參數(shù)13混合角。 如果一個針對性測值是零的話，意味著物質與反物質衰變速度一樣，即現(xiàn)在物質和反物質應該是一樣多，反物質必然隱藏在我們尚未找到的某個地方。如果不是零，那么就表明兩者的衰變速度不同，在宇宙誕生近150億年后的現(xiàn)在，反物質很可能已經衰變掉，所以我們再也沒有可能找到反物質世界。實驗參與者Robert McKeown接受美國科學雜志采訪時說，這很可能是中國至今最重要的物理學成果。第五十張，PPT共五十七頁，創(chuàng)

26、作于2022年6月大統(tǒng)一理論grand unified theory 以場論為基礎統(tǒng)一描述弱相互作用、電磁相互作用和強相互作用的理論。20世紀60年代，格拉肖、溫伯格和薩拉姆提出了弱相互作用和電磁相互作用的統(tǒng)一理論簡稱電弱統(tǒng)一理論。70年代初，強相互作用的理論研究取得了重大進展，出現(xiàn)了量子色動力學，為大統(tǒng)一理論的研究提供了較堅實的基礎。第五十一張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 電弱統(tǒng)一理論是 SU(2)U(1)的規(guī)范理論，該模型引入四個規(guī)范矢量粒子，通過黑格斯機制造成對稱性自發(fā)破缺，使其中一個保持為無質量的規(guī)范粒子，對應傳遞電磁作用的光子，其余三個W和Z0獲得了質量，成為傳遞弱作用的

27、中間玻色子。1983年實驗上發(fā)現(xiàn)了W和Z0，其質量與標準模型預言的一致，給了這一模型強有力的支持。 第五十二張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 標準模型雖取得了很大的成功，但不少科學家認為它很可能不是粒子物理學最基本的理論，多年來科學家們一直在努力建立一種超越標準模型的新理論。 1973年，美國科學家帕提和薩拉姆提出了統(tǒng)一描述夸克和輕子的帕提-薩拉姆模型，預言了質子的衰變。 1974年，美國科學家喬治和格拉肖提出了把強、弱、電三種相互作用統(tǒng)一的SU（5）大統(tǒng)一理論。該理論預言了質子的衰變。 測定質子的壽命成為大統(tǒng)一理論能否成立的關鍵。由于質子壽命很長，估計為1031年左右，即一年期間在1031 個質子中會有一個質子蛻變。為了消除宇宙射線的干擾，整個實驗要在地底深處進行。 1983年前后，美國、印度、日本等國的科學家做了一些探測質子衰變的實驗。 第五十三張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于202