高中物理競(jìng)賽輔導(dǎo)有關(guān)量子的初步知識(shí)基本粒子 原子物理

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1、 有關(guān)量子的初步知識(shí) 3. 1、初期量子理論 20世紀(jì)之初，物理學(xué)家為解釋一些經(jīng)典物理所不能解釋的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，提出了量子理論。量子理論經(jīng)過進(jìn)一步發(fā)展，形成了量子力學(xué)，使量子力學(xué)成為近代物理學(xué)的兩大支柱之一。 3．1．1、 3．1．1、 普朗克量子論 一切物體都發(fā)射并吸收電磁波。物體發(fā)射電磁波又稱熱輻射，溫度越高，輻射的能量越多，輻射中短波成份比例越大。完全吸收電磁輻射的物體發(fā)射電磁輻射的本領(lǐng)也最強(qiáng)，稱這種理想的物體為黑體。研究黑體輻射電磁波長(zhǎng)的能量與黑體溫度以及電磁波波長(zhǎng)的關(guān)系，從實(shí)驗(yàn)上得出了著名的黑體輻射定律。 圖11—6 電子衍射圖樣 圖11—7 倫琴射線衍射圖樣

2、 假設(shè)電磁輻射是組成黑體的諧振子所發(fā)出，按照經(jīng)典理論，諧振子的能量可以連續(xù)地變化，電磁波的能量也是可以連續(xù)變化的，但是理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)定律相矛盾。1900年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出了量子理論：黑體中的振子具有的能量是不連續(xù)的，從而，他們發(fā)射或吸收的電磁波的能量也是不連續(xù)的。如果發(fā)射或吸收的電磁輻射的頻率為v，則發(fā)射或吸收的輻射能量只能是hv的整倍數(shù)，h為一普適常量，稱為普朗克常量，普朗克的量子理論成功地解釋了黑體輻射定律，這種能量不連續(xù)變化的概念，是對(duì)經(jīng)典物理概念的革命，普朗克的理論預(yù)示著物理觀念上革命的開端。 3．1．2、 愛因斯坦光子理論 因?yàn)殡姶挪ɡ碚撘膊荒芙忉尮怆娦?yīng)，在

3、普朗克量子論的基礎(chǔ)上，愛因斯坦于1905年提出了光子概念。他認(rèn)為光的傳播能量也是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份能量稱為一個(gè)光子，即光是由光子組成的，頻率為v光的光子能量等于hv，h為普朗 高中物理競(jìng)賽原子物理學(xué)教程 第三講有關(guān)量子的初步知識(shí) 克常量。光子理論圓滿地解釋了光電效應(yīng)。人們對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)前進(jìn)了一步：光具有波粒二象性。在經(jīng)典物理中，波是連續(xù)的，粒子是分立的，二者不相容。所以，不能把光看作經(jīng)典物理中的波，也不能把光看作經(jīng)典物理中的粒子。故此，有了愛因斯坦光電方程： W為逸出功，γ為光子頻率， m為光電子質(zhì)量。 3、1、3 電子及其他粒子的波動(dòng)性 我們已經(jīng)了解到，玻

4、爾把普朗克的量子論和愛因斯坦的光子理論，應(yīng)用到原子系統(tǒng)上，于1913年提出了原子理論。按照玻爾理論，原子中存在著分立的能級(jí)，電子從某一能級(jí)向另一能級(jí)躍遷時(shí)，發(fā)射或吸收一個(gè)光子。這與經(jīng)典物理的概念也迥然不同。這就啟發(fā)人們：組成原子的粒子，如電子，必然不是經(jīng)典意義下的粒子，所遵從的規(guī)律也不同于經(jīng)典物理的規(guī)律。在光具有波粒二象性的啟發(fā)下，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意提出一個(gè)問題：“在光學(xué)中，比起波的研究方法來，如果說過于忽視粒子的研究方法的話，那么，在粒子的理論上，是不是發(fā)生了相反的錯(cuò)誤，把粒子的圖象想得太過分，而過分忽視了波的圖象呢？”接著，他在1924年提出了一個(gè)假說，認(rèn)為波粒二象性不只是光子才有，一切

5、微觀粒子，包括電子、質(zhì)子和中子，都有波粒二象性。他指出：具有質(zhì)量m和速度v的運(yùn)動(dòng)粒子也具有波動(dòng)性，這種波長(zhǎng)等于普朗克恒量h 與粒子mv動(dòng)量的比，即λ=h/mv。這個(gè)關(guān)系式稱做德布羅意公式。根據(jù)德布羅意公式，很容易算出運(yùn)動(dòng)粒子的波長(zhǎng)。后來又用原子射線和分子射線做類似的實(shí)驗(yàn)，同樣得到了衍射圖樣。質(zhì)子和中子的衍射實(shí)驗(yàn)也做成功了。這就證明了一切運(yùn)動(dòng)的微觀粒子都具有波粒二象性，其波長(zhǎng)與動(dòng)量的關(guān)系都符合德布羅意公式。粒子的波動(dòng)性又稱為德布羅意波或物質(zhì)波。我們不能把電子等微觀粒子視為經(jīng)典的粒子，也不能把物質(zhì)波視為經(jīng)典的波。試驗(yàn)和論理的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，電子等微觀粒子的波動(dòng)性與聲波或電磁波的特性并不完全相同，它

6、們遵從的規(guī)律也不一樣，這就導(dǎo)致了量子力學(xué)的誕生。 3、2 量子力學(xué)初步 3．2．1、 物質(zhì)的二象性 ①光的二象性： 眾所周知，光在許多情況下（干涉、偏振、衍射等）表現(xiàn)為波動(dòng)性，但在有些情況下（如光電效應(yīng)、黑體輻射等）又表現(xiàn)為粒子字。因而對(duì)光完整的認(rèn)識(shí)應(yīng)是光具有波粒二象性。 一個(gè)光子的能量： E=hv v是光的頻率，h是普朗克常數(shù) 光子質(zhì)量： 光子動(dòng)量： ②德布羅意波 德布羅意把光的波粒二象性推廣到實(shí)物粒子。他認(rèn)為，波粒二象性是一切微觀粒子共有的特性。第一個(gè)實(shí)物粒子在自由運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的能量為E、動(dòng)量為p，這樣的自由粒

7、子必定對(duì)應(yīng)一個(gè)振動(dòng)頻率為v、波長(zhǎng)為λ的平面簡(jiǎn)諧波。這兩組特征量之間的關(guān)系仍是 自由的實(shí)物粒子所對(duì)應(yīng)的平面簡(jiǎn)諧波常稱為物質(zhì)波或德布羅意波，它的客觀真實(shí)性已為許多實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 物質(zhì)波的物理意義究竟是什么？波是振動(dòng)狀態(tài)在空間傳播形成的，波在空間某處振動(dòng)狀態(tài)的強(qiáng)弱可用該處振幅的平方米來表征。對(duì)于光波，若某處振幅平方較大，則該處的光較強(qiáng)，光子數(shù)較多，這也意味著光子在該處出現(xiàn)的可能性較大，物質(zhì)波也是如此。物質(zhì)波若在某處振幅的平方較大，則實(shí)物粒子在該處出現(xiàn)的可能性較大，可能性的大小可定量地用數(shù)學(xué)上的概率大來表述，物質(zhì)波各處振幅的平方便與粒子在該處出現(xiàn)的概率聯(lián)系起來，這就是物質(zhì)波的物理意義。 例1、

8、試估算熱中子的德布羅意波長(zhǎng)。（中子的質(zhì)量）熱中子是指在室溫下（T=300K）與周圍處于熱平衡的中子，它的平均動(dòng)能 它的方均根速率，相應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng) 這一波長(zhǎng)與X射線的波長(zhǎng)同數(shù)量級(jí)，與晶體的晶面距離也有相同的數(shù)量級(jí)，所以也可以產(chǎn)生中子衍射。 3．2．2、海森伯測(cè)不準(zhǔn)原理 設(shè)一束自由粒子朝z軸方向運(yùn)動(dòng)，每一個(gè)粒子的質(zhì)量為m，速度為v，沿z軸方向的動(dòng)量P=mv。這一束自由粒子對(duì)應(yīng)一個(gè)平面簡(jiǎn)諧波，在與z軸垂直的波陣面上沿任何一個(gè)方向（記為x方向）的動(dòng)量取精確值。波陣面上各處振幅相同，每一個(gè)粒子在各處出現(xiàn)的概率相同，這意味著粒子的x位置坐標(biāo)可取任意值，或者說粒子的x位置坐標(biāo)不確定范圍為

9、。為了在波陣面的某個(gè)x位置“抓”到一個(gè)粒子，設(shè)想用鑷子去夾粒子。實(shí)驗(yàn)上可等效地這樣去做：在波陣面的前方平行地放置一塊擋板，板上開一條與x軸垂直的狹縫，狹縫相當(dāng)于一個(gè)并合不夠嚴(yán)實(shí)的鑷子。如果狹縫的寬度為△x，那么對(duì)于通過狹縫的粒子可以判定它的x位置不確定范圍為△x?！鱴越小，通過狹縫粒子以x位置就越是確定。然而問題在于物質(zhì)波與光波一樣。通過狹縫即會(huì)發(fā)生衍射，出射波會(huì)在縫的上、下兩側(cè)散開，或者說通過狹縫的粒子既有可能繼續(xù)沿x軸方向運(yùn)動(dòng)，也有可能朝x軸正方向或負(fù)方向偏轉(zhuǎn)地向前運(yùn)動(dòng)。偏向的粒子必對(duì)應(yīng)地取得x方向的非零動(dòng)量，即有，這表明出射粒子在x方向的動(dòng)量不再一致地為，因此x方向動(dòng)量有不確定性，不確定

10、范圍可記為?？p越窄，△x越小，粒子的x位置越接近準(zhǔn)確，但衍射效應(yīng)越強(qiáng)，越大，粒子的x方向動(dòng)量值越不準(zhǔn)確。反之，縫越寬，△x越大，粒子的x位置越不準(zhǔn)確，但衍射效應(yīng)越弱，越小，粒子的x方向動(dòng)量值越準(zhǔn)確。總之，由于波動(dòng)性，使粒子的x位置和x方向動(dòng)量不可能同時(shí)精確測(cè)量，這就是測(cè)不準(zhǔn)原理。 由近代量子理論可導(dǎo)出△x與之間的定量關(guān)系，這一關(guān)系經(jīng)?？山频乇硎鰹椋? h 對(duì)y和z方向，相應(yīng)地有： , 有時(shí)作為估算，常將上述三式再近似取為： 在經(jīng)典力學(xué)中，運(yùn)動(dòng)粒子任意時(shí)刻的位置和動(dòng)量或者說速度都可以精確測(cè)定，粒子的運(yùn)動(dòng)軌道也就可以確定。在量子理論中，運(yùn)動(dòng)粒子在任意時(shí)刻的位置和動(dòng)量或者說

11、速度不能同時(shí)精確測(cè)定，粒子的運(yùn)動(dòng)軌道也就無法確定。微觀世界中，粒子的運(yùn)動(dòng)軌道既然不可測(cè)，也就失去了存在的意義。如在經(jīng)典力學(xué)中，可以說氫原子中的電子繞核作圓軌道或橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。在量子力學(xué)中，只能說粒子在核周圍運(yùn)動(dòng)，某時(shí)刻電子的位置可能在這里，也可能在那里。描述這種可能性的概率有一個(gè)確定的分布。即使在這一時(shí)刻于某一位置“捕捉”到了該電子，也不能預(yù)言下一時(shí)刻該電子會(huì)出現(xiàn)在什么位置，因?yàn)殡娮拥倪\(yùn)動(dòng)沒有可供預(yù)言的軌道。經(jīng)典力學(xué)中一個(gè)粒子可靜止在某一確定的位置，量子力學(xué)則否定了這種可能性。據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理，如果一個(gè)粒子在x、y、z 坐標(biāo)完全確定，即△x=△y=△z=0，那么它的x、y、z方向動(dòng)量均不可為零，否

12、則，與上面給出的關(guān)系式顯然會(huì)發(fā)生矛盾。 例2、實(shí)驗(yàn)測(cè)定原子核線度的數(shù)量級(jí)為。試應(yīng)用測(cè)不準(zhǔn)原理估算電子如被束縛在原子核中時(shí)的動(dòng)能。從而判斷原子核由質(zhì)子和電子組成是否可能。 取電子在原子核中位置的不確定量，由測(cè)不準(zhǔn)原理得 由于動(dòng)量的數(shù)值不可能小于它的不確定量，故電子動(dòng)量考慮到電子在此動(dòng)量下有極高的速度，由相對(duì)論的能量動(dòng)量公式 故 電子在原子核中的動(dòng)能。理論證明，電子具有這么大的動(dòng)能足以把原子核擊碎，所以，把電子禁錮在原子核內(nèi)是不可能的，這就否定了原子核是由質(zhì)子和電子組成的假設(shè)。 3.2.3 量子力學(xué)的基本規(guī)律——薛定諤方程 波函數(shù)是描寫微觀粒子的

13、基本物理量，波函數(shù)所遵從的規(guī)律，就是量子力學(xué)的基本規(guī)律，它將決定粒子函數(shù)的特征，從而決定粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。正像在經(jīng)典力學(xué)學(xué)里，粒子的位置和動(dòng)量描寫粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，牛頓運(yùn)動(dòng)定律決定了粒子的位置和動(dòng)量如何變化，因而牛頓運(yùn)動(dòng)定律是經(jīng)典力學(xué)的基本規(guī)律。 奧地利物理學(xué)家薛定諤（1887~1961）在1926年找到了遵從的規(guī)律，稱為薛定諤方程。在應(yīng)用數(shù)學(xué)形式描述電子的波粒二象性上，他從麥克斯韋電磁理論得到啟發(fā)，認(rèn)為電子的德布羅意波也可以應(yīng)用類似于光波的方式加以描述。這個(gè)方程既描述了電子的波動(dòng)行為，又蘊(yùn)涵著粒子性特征。寫出并求解薛定諤方程，超出本書的范圍。不過，我們可以討論一下有關(guān)結(jié)論。 波函數(shù)必須滿足一

14、些物理?xiàng)l件：作為描寫粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的應(yīng)是時(shí)空坐標(biāo)的單值函數(shù)，變化應(yīng)是連續(xù)的，不能變?yōu)闊o限大，即應(yīng)有界。這樣，薛定諤方程的解，不但成功地解釋了玻爾原子理論所能解釋的現(xiàn)象，而且能夠解釋大量玻爾理論所不能解釋的現(xiàn)象。玻爾的基本假設(shè)，在量子力學(xué)里是從理論上推導(dǎo)出來的必然結(jié)果。原來，在薛定諤方程中，只有原子中電子具有某些不連續(xù)的能量值時(shí)，方程的解才滿足上述物理?xiàng)l件。由薛定諤方程解中得出的氫原子中電子能量的可能值，正好就是玻爾原子理論給出的值。 3.2.4 概率密度與電子云 我們將以原子的穩(wěn)定態(tài)為例，討論一下由波函數(shù)所決定的電子在原子中的概率密度，這波函數(shù)就是由薛定諤方程求解出來的。因?yàn)槭欠€(wěn)定態(tài)

15、，所以和時(shí)間無關(guān)，說明在任何時(shí)候，電子出現(xiàn)在任一處的概率密度都相同。例如，氫原子處在基態(tài)時(shí)，電子經(jīng)常出現(xiàn)的概率最大的地方，是以原子核為中心的一個(gè)球殼，這個(gè)球殼的半徑為米，這個(gè)數(shù)值與玻爾原子理論計(jì)算出來的基態(tài)軌道半徑相同，可見，玻爾的原子軌道只不過電子出現(xiàn)概率最大的地方。 電子核外的運(yùn)動(dòng)情況，通常用電子云來形象地描述。用小黑點(diǎn)的稠密與稀疏，來代表電子核外各處單位體積中出現(xiàn)的概率（即概率密度）的大小，這樣就可以畫出原子的電子云圖。圖11-8是氫原子基態(tài)的電子云。 看一下以核為中心的一層層很薄的球殼中電子出現(xiàn)的概率，在靠近原子核的地方，雖然云霧濃度較大，小黑點(diǎn)稠密，但是靠近原子核的一個(gè)薄球殼中包

16、含的小黑點(diǎn)的總數(shù)不會(huì)很多，即電子出現(xiàn)在這個(gè)球殼中的概率不會(huì)很大，因?yàn)檫@個(gè)球殼的體積較小。在遠(yuǎn) 高中物理競(jìng)賽原子物理教程　第四講基本粒子 高中物理競(jìng)賽原子物理教程　第三講有關(guān)量子的初步知識(shí) 第四講基本粒子 離原子核的地方，球殼的體積雖然較大，但是小黑點(diǎn)稀疏，因而出現(xiàn)在這個(gè)球殼中的概率不會(huì)很大。經(jīng)過計(jì)算知道，在半徑為米的一薄的球殼中電子出現(xiàn)的概率最大，就是玻爾理論中氫原子基態(tài)的軌道半徑。 3.2.5 量子學(xué)的應(yīng)用和發(fā)展 量子力學(xué)建立后，應(yīng)用它計(jì)算氫原子的光譜，獲得巨大成功，其理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合。量子力學(xué)不僅可以正確地解釋氫原子光譜，而且，還可以說明復(fù)雜原子的構(gòu)造，解釋復(fù)

17、雜原子的光譜。這確實(shí)表明，量子力學(xué)是微觀粒子所遵從的規(guī)律。 在量子力學(xué)發(fā)展的早期，就認(rèn)識(shí)到它的應(yīng)用不限于電子，對(duì)其它粒子也一樣適用。1927年，美國(guó)物理學(xué)家康登應(yīng)用量子力學(xué)解釋了α衰變現(xiàn)象。這又稱為隧道效應(yīng)。在α粒子放射體中α粒子被約束在原子核內(nèi)，其能量小于核對(duì)它的結(jié)束能量——?jiǎng)輭?，按照?jīng)典理論，α粒子是不可能穿出原子核的。但是，按照量子力學(xué)，α粒子有穿過勢(shì)壘的概率。這個(gè)概率即使很小，但不為零。對(duì)大量的原子核來說，總會(huì)有一小部分原子核的α粒子，穿透勢(shì)壘而發(fā)射出來。理論計(jì)算為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所證實(shí)。 量子力學(xué)在建立之初，就用于研究分子的結(jié)構(gòu)。美國(guó)物理學(xué)家和化學(xué)家泡利闡明了化學(xué)鍵的本性，就是以量子力學(xué)

18、為依據(jù)的。比如，對(duì),CO等分子，原子之間的相互作用是量子力學(xué)效應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)氫原子互相靠近時(shí)，它們能量的減小在于相互吸引作用 高中物理競(jìng)賽原子物理教程　第三講　有關(guān)量子的初步知識(shí)　第四講基本粒子 而這是由于兩個(gè)原子共享兩個(gè)電子造成的。和電子波函數(shù)的對(duì)稱性密切相關(guān)。量子力學(xué)可以算出分子的平衡距離為米，兩個(gè)氫原子結(jié)合成氫分子時(shí)釋放的能量為4.52電子伏。同樣，量子力學(xué)也解釋了共價(jià)鍵以外的結(jié)合鍵。這里不作具體介紹。 凝聚態(tài)物理，如液體和固體的構(gòu)造理論，其導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能的解釋，也是建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)之上的。比如研究電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榫w點(diǎn)陣的周期性結(jié)構(gòu)。電子受的力也具有空間的周期性，量子力

19、學(xué)能揭示電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，就像一個(gè)原子中的電子可以處在不同的能級(jí)上，在固體中，電子可以在不同的能帶上，能帶有一定的寬度，代表一個(gè)能量范圍。這就是能帶理論。應(yīng)用能帶理論，可以成功地解釋金屬和半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。在近代，其實(shí)際應(yīng)用幾乎隨處可見。 薛定諤方程是非相對(duì)論的，不能應(yīng)用于高速的微觀粒子。1928年，狄拉克建立了相對(duì)論的量子力學(xué)方程，稱為狄拉克方程。它不僅成功地說明電子自旋的存在，而且還證明，對(duì)于每一種粒子，都存在相應(yīng)的反粒子。電子的反粒子帶正電，其他性質(zhì)都和電子相同。1932年，美國(guó)物理學(xué)家安德森從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子，證明了狄拉克理論的正確性，這是基本粒子廣泛研究的開始。

20、 基本粒子 4、1、基本粒子 4．1．1、 4．1．1、 什么是基本粒子 在古代就有一些哲學(xué)家認(rèn)為物質(zhì)是由原子組成的，原子是組成物質(zhì)的最小顆粒，不可再分。有基本的涵義，可稱為基本粒子。自19世紀(jì)初，英國(guó)科學(xué)家道爾頓以化學(xué)反 高中物理競(jìng)賽原子物理教程　　第四講基本粒子 應(yīng)為依據(jù)，提出物質(zhì)是由原子組成的學(xué)說以來，人們相繼發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子、正電子、中微子、介子等大量的基本粒子，基本粒子數(shù)目的大量增加，使人們認(rèn)識(shí)到它們也不可能是最基本的組分，所以有“基本粒子不基本”的說法。 中微子的發(fā)現(xiàn)，中子不是穩(wěn)定粒子，它衰變?yōu)橘|(zhì)子和電子：,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此衰變中動(dòng)量不守恒。經(jīng)不斷實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，

21、中子衰變的正確反應(yīng)應(yīng)為。v為中微子的符號(hào),為v 反粒子的符號(hào)。 4．1．2、 粒子的自旋 到本世紀(jì)30年代末，加上在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)的子，人們認(rèn)為，電子、質(zhì)子、中子、中微子、子和光子都是基本粒子。除中子和子是不穩(wěn)定粒子外，其余都是穩(wěn)定的?；玖Ｗ拥闹饕卣鞒|(zhì)量的電荷外，還有自旋，這是一個(gè)量子力學(xué)概念，表征粒子的內(nèi)部屬性，相當(dāng)于經(jīng)典物概念是微粒的自轉(zhuǎn)。它遵從量子力學(xué)的規(guī)律，以為單位，只能取整數(shù)0、1、2……，或半整數(shù)1/2、3/2……。上述6種粒子，除光子自旋為1外，其余都是自旋為1/2的粒子。自旋為整數(shù)的粒子又稱為玻色子；自旋為半整數(shù)的粒子又稱為費(fèi)米子。 4．1．3、 粒子和反

22、粒子 經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每一種粒子都存在相應(yīng)的反粒子。反 高中物理競(jìng)賽原子物理教程　第四講基本粒子 粒子和粒子的質(zhì)量、自旋都相同，電量相同而符號(hào)相反。對(duì)不帶電的粒子，粒子和反粒子有其它的區(qū)分標(biāo)志，這里不具體描述。在粒子的符號(hào)上加一橫，代表反粒子，如是反中微子。也有的粒子的反粒子就是自身，而無區(qū)別，如光子。1932年安得森發(fā)現(xiàn)了正電子，使反粒子的存在第一次得到了證實(shí)。其他反粒子也先后被發(fā)現(xiàn)。如反質(zhì)子和反中子分別是1955年和1956年在加速器中發(fā)現(xiàn)的。粒子和反粒子是互為反粒子的，只是當(dāng)初稱呼電子、質(zhì)子等為粒子而已。我們這個(gè)世界是由粒子組成的，而不是由反粒子組成的。 4．1．4、 強(qiáng)子

23、——介子和重子 本世紀(jì)40年代到50年代，從宇宙射線中又發(fā)現(xiàn)了一批粒子。比如發(fā)現(xiàn)了π介子和K介子，它們的自旋為零；又發(fā)現(xiàn)了與核子（質(zhì)子和中子）屬于同一類而質(zhì)量更大的粒子，稱為超子，有超子、超子和超子，它們都是不穩(wěn)定粒子。核子和超子統(tǒng)稱為重子。介子和重子又統(tǒng)稱為強(qiáng)子。因?yàn)樗鼈冎g的相互作用強(qiáng)大。 4．1．5、 粒子的奇異性 仔細(xì)地分析新發(fā)現(xiàn)的各種粒子的衰變反應(yīng)，以及它們參與的其它反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)K介子和超子具有產(chǎn)生快，衰變慢和同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)粒子的新特性，與π介子和核子所有的性質(zhì)不同，當(dāng)時(shí)認(rèn)為有些奇異，引入了一個(gè)稱為奇異數(shù)的量子數(shù)來標(biāo)志這種奇異性。 介子和介子的奇異數(shù)為1;超子的奇

24、異數(shù)為-1;超子的奇異數(shù)為-2。具有奇異數(shù)的粒子，如其奇異數(shù)為s，則其反粒子的奇異數(shù)為-s。π介子和核子的奇異數(shù)為0。在強(qiáng)相互作用中，奇異數(shù)守恒。 4．1．6、 基本粒子分類 按照基本粒子之間的相互作用可分為三類： ①強(qiáng)子：凡是參與強(qiáng)相互作用的粒子，分為重子和介子兩類。 ②輕子：都不參與強(qiáng)相互作用，質(zhì)量一般較小。 ③光子：靜質(zhì)量為零，是傳遞電磁相互作用的粒子。 4．1．7、 夸克模型 原子不再是基本粒子，原子核一不是基本粒子，介子和重子是否也由更為基本的粒子組成的呢？1964年，美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼和以色列物理學(xué)家茲韋格分別提出了夸克模型。 按照夸克理論，一切強(qiáng)子（參與

25、強(qiáng)相互作用的粒子）都是由夸克組成的。初期提出的夸克有三種，分別稱為上夸克u，下夸克d和奇夸克s。它們的自旋都是1/2， 屬于費(fèi)米子?？淇说闹匾卣髦皇菐в蟹?jǐn)?shù)電荷。以電子電荷為單位，u的電荷為2/3，d的電荷為-1，s的電荷也是-1/3。此外，s的奇異數(shù)為-1。對(duì)于重子，有重子數(shù)作為標(biāo)志，上節(jié)所述的重子的重子數(shù)為1，反重子的重子數(shù)為-1?？淇说闹刈訑?shù)為1/3。對(duì)于每一種夸克，都存在相應(yīng)的反夸克。反夸克的質(zhì)量、自旋同于夸克，而電荷、奇異數(shù)和重子數(shù)的數(shù)值相同，符號(hào)相反。 夸克之間存在著強(qiáng)相互作用，靠這種相互作用，每一個(gè)介子由一個(gè)夸克和一和反夸克組成；每一個(gè)重子由三個(gè)夸克組成，每一個(gè)反重子由三個(gè)

26、反夸克組成。比如，介子是由u夸克和反下夸克組成的、質(zhì)子是由u、u和d三個(gè)夸克組成的；超子是由u、d和s三個(gè)夸克 u u d d s u u 圖4-1-1 組成的，余此類推。圖4-1-1為P、 三個(gè)強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)示意圖。 目前已被科學(xué)家證實(shí)的夸克有：上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克等6種。為了符合泡利不相容原理，物理學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了夸克的一種更為深刻的性質(zhì)：每種夸克都具有（顏）色，可以用紅、黃、蘭（或紅、綠、蘭）三種加以區(qū)分，這只不過是借光的顏色名字，夸克的色與光波的色完全是兩回事。就像粒子帶電稱為電荷一樣，夸克帶色，也可

27、以稱為色荷。正是色荷間的相互促進(jìn)作用，才使強(qiáng)子中的夸克互相吸引而束縛在一起。三種不同色的夸克組成不帶色的重子，好像三原色組成白色一樣。同樣，夸克和反色夸克的色互補(bǔ)，它們組成的介子也不帶色。這就是為什么強(qiáng)子不帶色的原因。在當(dāng)今看來，強(qiáng)子基礎(chǔ)是夸克，夸克是基本粒子。此外，基本粒子族還存在輕子一類。最早發(fā)現(xiàn)了電子和電中微子；后來發(fā)現(xiàn)了子和中微子；70年代，又發(fā)現(xiàn)了子和中微子.子的質(zhì)量比核子質(zhì)量還大，它不能由輕重來區(qū)它們了。雖然子的質(zhì)量大，但從其性質(zhì)上看，仍屬于輕子一類。這樣，輕子也分6種，類似于夸克的味。時(shí)至今日，實(shí)驗(yàn)研究還沒有發(fā)現(xiàn)輕子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。也就是說，這6種輕子也屬于基本粒子。 4.2、

28、基本粒子間的相互作用 4．2．1、 四種基本的相互作用 一切物質(zhì)歸根結(jié)底都是由基本粒子組成的。基本粒子間的相互作用屬于基本的相互作用。實(shí)踐證明，基本的相互作用有四種： 1、引力作用 在宏觀上，特別是對(duì)于天體，引力作用是極其重要的。但是，對(duì)于基本粒子來說，比起其他相互作用來，引力作用極其微弱，可不予以考慮。 2、弱相互作用 強(qiáng)度遠(yuǎn)小于電磁相互作用和強(qiáng)相互作用，存在于除光子外所有粒子之間的一種短程用用。 3、電磁相互作用 直接存在于帶電的粒子之間。 4、強(qiáng)相互作用 存在于夸克之間。介子或重子之間的相互作用是夸克間強(qiáng)相互作用的間接表現(xiàn)，核子之間的相互作用即核力屬強(qiáng)相

29、互作用。 這四種的基本相互作用，按由強(qiáng)到弱排列，它們的相對(duì)強(qiáng)度為 強(qiáng)相互作用 電磁相互作用 弱相互作用 引力相互作用 1 正像電和磁是電磁相互分用的兩個(gè)不同的表現(xiàn)方面一樣，科學(xué)家們認(rèn)為，電磁和弱相互作用兩者是電-弱相互作用的兩個(gè)不同的表現(xiàn)方面。近年來，電弱統(tǒng)一的理論獲得了成功。 傳遞相互作用的粒子 相互作用的本質(zhì)是什么呢？在電學(xué)部分，我們知道，帶電粒子是通過電磁場(chǎng)傳遞力的。電磁場(chǎng)的傳播就是電磁波，其量子是光子。所以，帶電粒子是通過交換光子發(fā)生相互作用的。傳遞相互作用的粒子又稱媒介子。光子是一切帶電

30、粒子間電磁相互作用的媒介子。 輕子之間不存在強(qiáng)相互作用。輕子或重子之間都存在弱相互作用。弱相互作用的媒介子又稱為中間玻爾色子或弱介子。理論預(yù)言有 、、和種弱介子。它們的質(zhì)量都很大，自旋都等于1，在本世紀(jì)80年代，這三種媒介子先后被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 夸克之間存在強(qiáng)相互作用。強(qiáng)相互作用的媒介子稱為膠子。膠子的靜質(zhì)量為0，電荷為0，自旋等于1，但帶有色荷。 夸克或膠子都沒有被分離出來而直接觀測(cè)到。為什么沒有單個(gè)的夸克出現(xiàn)呢？理論上認(rèn)為，夸克之間的相互作用隨著夸克之間的距離增加而加大，以致巨大的撞擊能量未分離開夸克，而產(chǎn)生了兩個(gè)或三個(gè)夸克組成的強(qiáng)子。這個(gè)理論又稱為夸克的禁閉理論。按照這個(gè)理論，單個(gè)夸

31、克是不能從強(qiáng)子中分離出來的。 4、3 其他 4．3．1、、黑洞 黑洞是指光子無法脫離其引力，因而接收不到從它射出的光子，所以稱為黑洞。 可以認(rèn)為光子具有質(zhì)量。設(shè)星體是一個(gè)質(zhì)量為M，半徑為R的均勻球。則質(zhì)量為m的光子在星球表面所受到的引力為 光子以光速c作半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度。當(dāng)引力大于向心力時(shí)，光子不會(huì)外溢，即f>ma有： 從上式可得 可以認(rèn)為就是黑洞的臨界半徑（從廣義相對(duì)論所得結(jié)論為）。 對(duì)于太陽，可結(jié)算它演變成黑洞時(shí)的臨界半徑的數(shù)量級(jí)為。 假定我們所在的宇宙就是一個(gè)黑洞，即我們不可能把光反射到我們的宇宙之外。所以即使在宇宙之外還存在空間，還

32、存在天體的話（這完全是一種假設(shè)），那么外面的天體看我們的宇宙就是一個(gè)“大黑洞。試從這一假定估算我們宇宙的半徑。 解 設(shè)宇宙質(zhì)量為M，半徑為R，則 由于黑洞的臨界半徑為 。 所以 。 4．3．2、引力紅移 引力紅移是指由于引力作用，我們觀察星體的光比星體表面發(fā)射的光波變長(zhǎng)。因此可見光波長(zhǎng)最長(zhǎng)的光是紅光，也即光譜向紅端移動(dòng)，稱為引力紅移。 根據(jù)廣義相對(duì)論的等效性原理，引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量是等價(jià)的。光子能量以及光子—地球系統(tǒng)的勢(shì)能滿足能量守恒定律。 即光子的能量如引力勢(shì)能為常數(shù)，而光子的能量E=hv，引力勢(shì)能為mgz。其中 ，所以當(dāng)高度改變

33、 ，頻率就會(huì)改變 即 這說明頻率v發(fā)生了紅移 原 子 物 理 自1897年發(fā)現(xiàn)電子并確認(rèn)電子是原子的組成粒子以后，物理學(xué)的中心問題就是探索原子內(nèi)部的奧秘，經(jīng)過眾多科學(xué)家的努力，逐步弄清了原子結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律并建立了描述分子、原子等微觀系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論體系——量子力學(xué)。本章簡(jiǎn)單介紹一些關(guān)于原子和原子核的基本知識(shí)。 1.1 原子 1．1．1、原子的核式結(jié)構(gòu) 1897年，湯姆生通過對(duì)陰極射線的分析研究發(fā)現(xiàn)了電子，由此認(rèn)識(shí)到原子也應(yīng)該具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而不是不可分的。1909年，盧瑟福和他的同事以α粒子轟擊重金屬箔，即α粒子的散射實(shí)驗(yàn)

34、，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進(jìn)，但有少數(shù)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且有極少數(shù)偏轉(zhuǎn)角超過了90，有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)幾乎達(dá)到180。 1911年，盧瑟福為解釋上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果而提出了原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說，這個(gè)學(xué)說的內(nèi)容是：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外的空間里軟核旋轉(zhuǎn)，根據(jù)α粒子散射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可估計(jì)出原子核的大小應(yīng)在10-14nm以下。 1、1．2、氫原子的玻爾理論 1、核式結(jié)論模型的局限性 通過實(shí)驗(yàn)建立起來的盧瑟福原子模型無疑是正確的，但它與經(jīng)典論發(fā)生了嚴(yán)重的分歧。電子與核運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生與軌道旋轉(zhuǎn)頻率相同的電磁輻射，運(yùn)

35、動(dòng)不停，輻射不止，原子能量單調(diào)減少，軌道半徑縮短，旋轉(zhuǎn)頻率加快。由此可得兩點(diǎn)結(jié)論： 高中物理競(jìng)賽光學(xué)原子物理學(xué)教程 第一講　原子物理 ①電子最終將落入核內(nèi)，這表明原子是一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)； ②電子落入核內(nèi)輻射頻率連續(xù)變化的電磁波。原子是一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)顯然與事實(shí)不符，實(shí)驗(yàn)所得原子光譜又為波長(zhǎng)不連續(xù)分布的離散光譜。如此尖銳的矛盾，揭示著原子的運(yùn)動(dòng)不服從經(jīng)典理論所表述的規(guī)律。 為解釋原子的穩(wěn)定性和原子光譜的離經(jīng)叛道的離散性，玻爾于1913年以氫原子為研究對(duì)象提出了他的原子理論，雖然這是一個(gè)過渡性的理論，但為建立近代量子理論邁出了意義重大的一步。 2、玻爾理論的內(nèi)容： 一、原子只能處于

36、一條列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖做加速運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量，這些狀態(tài)叫定態(tài)。 二、原子從一種定態(tài)（設(shè)能量為E2）躍遷到另一種定態(tài)（設(shè)能量為E1）時(shí)，它輻 高中物理競(jìng)賽原子物理學(xué)教程 第一講原子物理 射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這種定態(tài)的能量差決定，即 =E2-E1 三、氫原子中電子軌道量子優(yōu)化條件：氫原子中，電子運(yùn)動(dòng)軌道的圓半徑r和運(yùn)動(dòng)初速率v需滿足下述關(guān)系： ，n=1、2…… 其中m為電子質(zhì)量，h為普朗克常量，這一條件表明，電子繞核的軌道半徑是不連續(xù)的，或者說軌道是量子化的，每一可取的軌道對(duì)應(yīng)一個(gè)能級(jí)。 定態(tài)假設(shè)意味著原子是穩(wěn)定的系統(tǒng)

37、，躍遷假設(shè)解釋了原子光譜的離散性，最后由氫原子中電子軌道量子化條件，可導(dǎo)出氫原子能級(jí)和氫原子的光譜結(jié)構(gòu)。 氫原子的軌道能量即原子能量，為 因圓運(yùn)動(dòng)而有 由此可得 根據(jù)軌道量子化條件可得： ，n=1，2…… 因，便有 得量子化軌道半徑為： ，n=1，2…… 式中已將r改記為rn對(duì)應(yīng)的量子化能量可表述為： ，n=1，2…… n=1對(duì)應(yīng)基態(tài)，基態(tài)軌道半徑為 計(jì)算可得： =0.529 r1也稱為氫原子的玻爾半徑 基態(tài)能量為

38、 計(jì)算可得： E1=eV。 對(duì)激發(fā)態(tài)，有： ，n=1，2… n越大，rn越大，En也越大，電子離核無窮遠(yuǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)，因此氫原子的電離能為： 電子從高能態(tài)En躍遷到低能態(tài)Em輻射光子的能量為： 光子頻率為 ， 因此氫原子光譜中離散的譜線波長(zhǎng)可表述為： ， 試求氫原子中的電子從第n軌道遷躍到n-1第軌道時(shí)輻射的光波頻率，進(jìn)而證明當(dāng)n很大時(shí)這一頻率近似等于電子在第n軌道上的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。 輻射的光波頻率即為輻射的光子頻率，應(yīng)有 將 代入可得 當(dāng)n很大時(shí)，這一頻率近似為 電子

39、在第n軌道上的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為： 將 代入得 因此，n很大時(shí)電子從n第軌道躍遷到第n-1軌道所輻射的光波頻率，近似等于電子在第n軌道上的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，這與經(jīng)典理論所得結(jié)要一致，據(jù)此，玻爾認(rèn)為，經(jīng)典輻射是量子輻射在時(shí)的極限情形。 1、1．3、氫原子光譜規(guī)律 1、巴耳末公式 研究原子的結(jié)構(gòu)及其規(guī)律的一條重要途徑就是對(duì)光譜的研究。19世紀(jì)末，許多科學(xué)家對(duì)原子光譜已經(jīng)做了大量的實(shí)驗(yàn)工作。第一個(gè)發(fā)現(xiàn)氫原子線光譜可組成線系的是瑞士的中學(xué)教師巴耳末，他于1885年發(fā)現(xiàn)氫原子的線光譜在可見光部分的譜線，可歸納為如下的經(jīng)驗(yàn)公式 ，n

40、=3，4，5，… 式中的為波長(zhǎng)，R是一個(gè)常數(shù)，叫做里德伯恒量，實(shí)驗(yàn)測(cè)得R的值為1.096776107。上面的公式叫做巴耳末公式。當(dāng)n=3，4，5，6時(shí)，用該式計(jì)算出來的四條光譜線的波長(zhǎng)跟從實(shí)驗(yàn)測(cè)得的、、、四條譜線的波長(zhǎng)符合得很好。氫光譜的這一系列譜線叫做巴耳末系。 2、里德伯公式 1896年，瑞典的里德伯把氫原子光譜的所有譜線的波長(zhǎng)用一個(gè)普遍的經(jīng)驗(yàn)公式表示出來，即 n=1，2，3…，，… 上式稱為里德伯公式。對(duì)每一個(gè)，上是可構(gòu)成一個(gè)譜線系： ，，3，4… 萊曼系（紫外區(qū)） ，，4，5… 巴耳末系（可見光區(qū)） ，，5，6… 帕邢系（紅外區(qū)） ，，6，7…

41、 布拉開系（遠(yuǎn)紅外區(qū)） ，，7，8… 普豐德系（遠(yuǎn)紅外區(qū)） 以上是氫原子光譜的規(guī)律，通過進(jìn)一步的研究，里德伯等人又證明在其他元素的原子光譜中，光譜線也具有如氫原子光譜相類似的規(guī)律性。這種規(guī)律性為原子結(jié)構(gòu)理論的建立提供了條件。 1、1．4、玻爾理論的局限性： 玻爾原子理論滿意地解釋了氫原子和類氫原子的光譜；從理論上算出了里德伯恒量；但是也有一些缺陷。對(duì)于解釋具有兩個(gè)以上電子的比較復(fù)雜的原子光譜時(shí)卻遇到了困難，理論推導(dǎo)出來的結(jié)論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)出入很大。此外，對(duì)譜線的強(qiáng)度、寬度也無能為力；也不能說明原子是如何組成分子、構(gòu)成液體個(gè)固體的。玻爾理論還存在邏輯上的缺點(diǎn)，他把微觀粒子看成是遵守經(jīng)典力

42、學(xué)的質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)，又給予它們量子化的觀念，失敗之處在于偶保留了過多的經(jīng)典物理理論。到本世紀(jì)20年代，薛定諤等物理學(xué)家在量子觀念的基礎(chǔ)上建立了量子力學(xué)。徹底摒棄了軌道概念，而代之以幾率和電子云概念。 例題1：設(shè)質(zhì)子的半徑為，求質(zhì)子的密度。如果在宇宙間有一個(gè)恒定的密度等于質(zhì)子的密度。如不從相對(duì)論考慮，假定它表面的“第一宇宙速度”達(dá)到光速，試計(jì)算它的半徑是多少。它表面上的“重力加速度”等于多少？（1mol氣體的分子數(shù)是個(gè)；光速）；萬有引力常數(shù)G取為。只取一位數(shù)做近似計(jì)算。 解:的摩爾質(zhì)量為2g/mol，分子的質(zhì)量為 ∴質(zhì)子的質(zhì)量近似為 質(zhì)子的密度 ρ==

43、設(shè)該星體表面的第一宇宙速度為v，由萬引力定律，得 ， 而 ∴ 由于“重力速度” ∴ 【注】萬有引力恒量一般取6.67 例題2：與氫原子相似，可以假設(shè)氦的一價(jià)正離子（He）與鋰的二價(jià)正離子（L）核外的那一個(gè)電子也是繞核作圓周運(yùn)動(dòng)。試估算 （1）He、L的第一軌道半徑； （2）電離能量、第一激發(fā)能量； （3）賴曼系第一條譜線波長(zhǎng)分別與氫原子的上述物理量之比值。 解：在估算時(shí)，不考慮原子核的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的影響，原子核可視為不動(dòng)，其帶電量用+Ze表示，可列出下面的方程組： ， ① ， ② ，n=1，2，3，…

44、 ③ ， ④ 由此解得，，并可得出的表達(dá)式： ， ⑤ 其中米，為氫原子中電子的第度軌道半徑，對(duì)于He，Z=2，對(duì)于Li，Z=3． ， ⑥ 其中13.6電子伏特為氫原子的基態(tài)能． ． ⑦ ，2，3，… ，，… R是里德伯常數(shù)。 （1）由半徑公式⑤，可得到類氫離子與氫原子的第一軌道半徑之比： ，． （2）由能量公式⑥，可得到類氫離子與氫原子的電離能和第一激發(fā)能（即電子從第一軌道激發(fā)到第二軌道所需的能量）之比： 電離能： ， 第一激發(fā)能： ， 。 （其中：表示電子處在第二軌道上的能量

45、，表示電子處在第一軌道上的能量） （3）由光譜公式⑦，氫原子賴曼系第一條譜線的波長(zhǎng)有： 相應(yīng)地，對(duì)類氫離子有： ， ， 因此 ： ，。 例3：已知基態(tài)He的電離能為E=54.4Ev，（1）為使處于基態(tài)的He進(jìn)人激發(fā)態(tài)，入射光子所需的最小能量應(yīng)為多少？（2）He從上述最底激發(fā)態(tài)躍遷返回基態(tài)時(shí)，如考慮到該離子的反沖，則與不考慮反沖相比，它所發(fā)射的光子波長(zhǎng)的百分變化有多大？（離子He的能級(jí)En與n的關(guān)系和氫原子能級(jí)公式類中，可采用合理的近似。） 分析:第（1）問應(yīng)正確理解電離能概念。第（2）問中若考慮核的反沖，應(yīng)用能量守恒和動(dòng)量守恒，即可求出波長(zhǎng)變化

46、。 解:（1）電離能表示He的核外電子脫離氦核的束縛所需要的能量。而題問最小能量對(duì)應(yīng)于核外電子由基態(tài)能級(jí)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，所以 54.440.8eV （2）如果不考慮離子的反沖，由第一激發(fā)態(tài)遷回基態(tài)發(fā)阜的光子有關(guān)系式： 現(xiàn)在考慮離子的反沖，光子的頻率將不是而是，為反沖離子的動(dòng)能，則由能量守恒得 又由動(dòng)量守恒得 式中是反沖離子動(dòng)量的大小，而是發(fā)射光子的動(dòng)量的大小，于是，波長(zhǎng)的相對(duì)變化 = 由于 所以 代入數(shù)據(jù) 即百分變化為0.00000054% 1、2 原子核 原子核所帶電荷為+Ze，Z是整數(shù)，叫做原子序數(shù)。原子核是由質(zhì)子和中子

47、組成，兩者均稱為核子，核子數(shù)記為A，質(zhì)子數(shù)記為Z，中子數(shù)便為A-Z。原子的元素符號(hào)記為X，原子核可表述為，元素的化學(xué)性質(zhì)由質(zhì)子數(shù)Z決定，Z相同N不同的稱為同位素。 在原子物理中，常采用原子質(zhì)量單位，一個(gè)中性碳原子質(zhì)量的記作1個(gè)原子單位，即lu=。質(zhì)子質(zhì)量：中子質(zhì)量：電子質(zhì)量： 1．2．1、結(jié)合能 除氫核外，原子核中Z個(gè)質(zhì)子與（A-Z）個(gè)中子靜質(zhì)量之和都大于原子核的靜質(zhì)量，其間之差： 稱為原子核的質(zhì)量虧損。式中、分別為質(zhì)子、中子的靜質(zhì)量。造成質(zhì)量虧損的原因是核子相互吸引結(jié)合成原子核時(shí)具有負(fù)的能量，這類似于電子與原子核相互吸引力結(jié)合成原子時(shí)具有負(fù)的能量（例如氫原子處于基態(tài)時(shí)電子軌道能量

48、為-13.6eV）。據(jù)相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系，負(fù)能量對(duì)應(yīng)質(zhì)量虧損。質(zhì)量虧損折合成的能量： 稱為原子核的結(jié)合能，注意結(jié)合能取正值。結(jié)合能可理解成為了使原子核分裂成各個(gè)質(zhì)子和中子所需要的外加你量。稱為核子的平均結(jié)合能。 1．2．2、天然放射現(xiàn)象 天然放射性元素的原子核，能自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象，叫天然放射現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)揭示了原子核結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。天然放射現(xiàn)象中有三種射線，它們是： α射線：速度約為光速的1/10的氦核流（），其電離本領(lǐng)很大。 β射線：速度約為光速的十分之幾的電子流（），其電離本領(lǐng)較弱，貫穿本領(lǐng)較弱。 γ射線：波長(zhǎng)極短的電磁波，是伴隨著α射線、β射線射出的，其電離本領(lǐng)很小，貫穿本

49、領(lǐng)最強(qiáng)。 1．2．3、原子核的衰變 放射性元素的原子核放出某種粒子后，變成另一種新核的現(xiàn)象，叫做原子核的衰變，衰變過程遵循電荷守恒定律和質(zhì)量守恒定律。用X表示某種放射性元素，z表示它的核電荷數(shù)，m表示它的質(zhì)量數(shù)，Y表示產(chǎn)生的新元素，中衰變規(guī)律為： α衰變：通式 例如 β衰變：通式 例如 γ衰變：通式 （γ射線伴隨著α射線、β射線同時(shí)放出的。原子核放出γ射線，要引起核的能量發(fā)生變化，而電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都不改變） 1．2．4、衰變定律和半衰期 研究發(fā)現(xiàn)，任何放射性物質(zhì)在單獨(dú)存在時(shí)，都遵守指數(shù)衰減規(guī)律 ① 這叫衰變定律。式中是t

50、=0時(shí)的原子核數(shù)目，N（t）是經(jīng)時(shí)間t后還沒有衰變的原子核的數(shù)目，λ叫衰變常數(shù)，對(duì)于不同的核素衰變常數(shù)λ不同。由上式可得： ② 式中代表在時(shí)間內(nèi)發(fā)生的衰變?cè)雍藬?shù)目。分母N代表t時(shí)刻的原子核總數(shù)目。λ表示一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。不同的放射性元素具有不同的衰變常數(shù)，它是一個(gè)反映衰變快慢的物理量，λ越大，衰變?cè)娇臁? 半衰期表示放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間。用T表示，由衰變定律可推得： ③ 半衰期T也是反映衰變快慢的物理量；它是由原子核的內(nèi)部因素決定的，而跟原子所處的物理狀態(tài)或化學(xué)狀態(tài)無關(guān)；半衰期是對(duì)大量原子核衰變的統(tǒng)計(jì)

51、規(guī)律，不表示某個(gè)原子核經(jīng)過多長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生的衰變。由①、③式則可導(dǎo)出衰變定律的另一種形式，即 （T為半衰期，t表示衰變的時(shí)間，表示衰變前原子核的總量，N表示t后未衰變的原子核數(shù)） 或（為衰變前放射性物質(zhì)的質(zhì)量，M為衰變時(shí)間t后剩余的質(zhì)量）。 1、2、5、原子核的組成 用人工的方法使原子核發(fā)生變化，是研究原子核結(jié)構(gòu)及變化規(guī)律的有力武器。確定原子核的組成有賴于質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)。 1919年，盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核而發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，這個(gè)變化的核反應(yīng)方程： 1932年，查德威克用α粒子轟擊鈹原子核而發(fā)現(xiàn)了中子，這個(gè)變化的核反應(yīng)方程是： 通過以上實(shí)驗(yàn)事實(shí)，從而確定了原子核是由質(zhì)子和中子

52、組成的，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。某種元素一個(gè)原子的原子核中質(zhì)子與中子的數(shù)量關(guān)系為： 質(zhì)子數(shù)=核電荷數(shù)=原子序數(shù) 中子數(shù)=核質(zhì)量數(shù)-質(zhì)子數(shù) 具有相同質(zhì)子數(shù)不同中子數(shù)的原子互稱為同位素，利用放射性同位素可作“示蹤原子”，用其射線可殺菌、探傷、消除靜電等。 1、2、6、核能 ①核能 原子核的半徑很小，其中質(zhì)子間的庫侖力是很大的。然而通常的原子核卻是很穩(wěn)定的。這說明原子核里的核子之間一定存在著另一種和庫侖力相抗衡的吸引力，這種力叫核力。 從實(shí)驗(yàn)知道，核力是一種強(qiáng)相互作用，強(qiáng)度約為庫侖力的確100倍。核力的作用距離很短，只在的短距離內(nèi)起作用。超過這個(gè)距離，核力就迅速減小到零。質(zhì)子和中子的半徑

53、大約是，因此每個(gè)核子只跟它相鄰的核子間才有核力的作用。核力與電荷無關(guān)。質(zhì)子和質(zhì)子，質(zhì)子和中子，中子和中子之間的作用是一樣的。當(dāng)兩核子之間的距離為時(shí)，核力表現(xiàn)為吸力，在小于時(shí)為斥力，在大于10fm時(shí)核力完全消失。 ②質(zhì)能方程 愛因斯坦從相對(duì)論得出物體的能量跟它的質(zhì)量存在正比關(guān)系，即 這個(gè)方程叫做愛因斯坦質(zhì)能方程，式中c是真空中的光速，m是物體的質(zhì)量，E是物體的能量。如果物體的能量增加了△E，物體的質(zhì)量也相應(yīng)地增加了△m，反過來也一樣?！鱁和△m之間的關(guān)系符合愛因斯坦的質(zhì)能方程。 ③質(zhì)量虧損 原子核由核子所組成，當(dāng)質(zhì)子和中子組合成原子核時(shí)，原子核的質(zhì)量比組成核的核子的總質(zhì)量小，其

54、差值稱為質(zhì)量虧損。用m表示由Z個(gè)質(zhì)子、Y個(gè)中子組成的原子核的質(zhì)量，用和分別表示質(zhì)子和中子的質(zhì)量，則質(zhì)量虧損為： ④原子核的結(jié)合能和平均結(jié)合能 由于核力將核子聚集在一起，所以要把一個(gè)核分解成單個(gè)的核子時(shí)必須反對(duì)核力做功，為此所需的能量叫做原子核的結(jié)合能。它也是單個(gè)核子結(jié)合成一個(gè)核時(shí)所能釋放的能量。根據(jù)質(zhì)能關(guān)系式，結(jié)合能的大小為： 原子核中平均每個(gè)核子的結(jié)合能稱為平均結(jié)合能，用N表示核子數(shù)，則： 平均結(jié)合能= 平均結(jié)合能越大，原子核就越難拆開，平均結(jié)合能的大小反映了核的穩(wěn)定程度。從平均結(jié)合能曲線可以看出，質(zhì)量數(shù)較小的輕核和質(zhì)量數(shù)級(jí)大的重核，平均結(jié)合能都比較小。中等質(zhì)量數(shù)的原子核，

55、平均結(jié)合能大。質(zhì)量數(shù)為50~60的原子核，平均結(jié)合能量大，約為8.6MeV。 1．2．7、核反應(yīng) 原子核之間或原子核與其他粒子之間通過碰撞可產(chǎn)生新的原子核，這種反應(yīng)屬于原子核反應(yīng)，原子核反應(yīng)可用方程式表示，例如 即為氦核（α粒子）轟擊氮核后產(chǎn)生氧同位素和氫核的核反應(yīng)，核反應(yīng)可分為如下幾類 （1）彈性散射：這種過程，出射粒子就是入射粒子，同時(shí)在碰撞過程中動(dòng)能保持不變，例如將中子與許多原子核碰撞會(huì)發(fā)生彈性散射。 （2）非彈性散射：這種過程中出射粒子也是原來的入射粒子，但在碰撞過程中粒子動(dòng)能有了變化，即粒子和靶原子核發(fā)生能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。例如能量較高的中子轟擊原子核使核激發(fā)的過程。 （3

56、）產(chǎn)生新粒子：這時(shí)碰撞的結(jié)果不僅能量有變化，而且出射粒子與入射粒子不相同，對(duì)能量較大的入射粒子，核反應(yīng)后可能出現(xiàn)兩個(gè)以上的出射粒子，如合成101號(hào)新元素的過程。 （4）裂變和聚變：在碰撞過程中，使原子核分裂成兩個(gè)以上的元素原子核，稱為裂變，如鈾核裂變 裂變過程中，質(zhì)量虧損0.2u，產(chǎn)生巨大能量，這就是原子彈中的核反應(yīng)。 引起原子核聚合的反應(yīng)稱為聚變反應(yīng)，如 氫彈就是利用氘、氘化鋰等物質(zhì)產(chǎn)生聚變后釋放出巨大能量發(fā)生爆炸的。 核反應(yīng)中電荷守恒，即反應(yīng)生成物電荷的代數(shù)和等于反應(yīng)物電荷的代數(shù)和。核反應(yīng)中質(zhì)量守恒，即反應(yīng)生成物總質(zhì)量等于反應(yīng)物總質(zhì)量。這里的質(zhì)量指相對(duì)論質(zhì)量，相對(duì)論質(zhì)

57、量m與相對(duì)論能量E之間的關(guān)系是 因此質(zhì)量守恒也意味著能量守恒。核反應(yīng)中質(zhì)量常采用原子質(zhì)量單位，記為u.lu相當(dāng)于931.5MeV。 核反應(yīng)中相對(duì)論質(zhì)量守恒，但靜質(zhì)量可以不守恒。一般來說，反應(yīng)生成物總的靜質(zhì)量少于反應(yīng)物總的靜質(zhì)量，或者說反應(yīng)物總的靜質(zhì)量有虧損。虧損的靜質(zhì)量記為△m，反應(yīng)后它將以能量形式釋放出來，稱之為反應(yīng)能，記為△E，有 需要注意的是反應(yīng)物若有動(dòng)能，其相對(duì)論質(zhì)量可大于靜質(zhì)量，但在算反應(yīng)能時(shí)只計(jì)靜質(zhì)量。反應(yīng)能可以以光子形式向外輻射，也可以部分轉(zhuǎn)化為生成物的動(dòng)能，但生成物的動(dòng)能中還可以包含反應(yīng)物原有的動(dòng)能。 下面討論原子核反應(yīng)能的問題： 在所有原子核反應(yīng)中，下列物理

58、量在反應(yīng)前后是守恒的：①電荷；②核子數(shù)；③動(dòng)量；④總質(zhì)量和聯(lián)系的總能量等（包括靜止質(zhì)量和聯(lián)系的靜止能量），這是原子核反應(yīng)的守恒定律。下面就質(zhì)量和能量守恒問題進(jìn)行分析。 設(shè)有原子核A被p粒子撞擊，變?yōu)锽和q。其核反應(yīng)方程如下： A+p→B+q 上列各核和各粒子的靜質(zhì)量M和動(dòng)能E為 反應(yīng)前 反應(yīng)后 根據(jù)總質(zhì)量守恒和總能量守恒可得 由此可得反應(yīng)過程中釋放的能量Q為： Pp Pp Pb A Pq 此式表示，反應(yīng)能Q定義為反應(yīng)后粒子的動(dòng)能超出反應(yīng)前粒子的動(dòng)能的差值。這也等于反應(yīng)前粒子靜質(zhì)量超過反應(yīng)后粒子的靜質(zhì)量的差值乘以。

59、所以反應(yīng)能Q可以通過粒子動(dòng)能的測(cè)量求出，也可以由已知的粒子的靜質(zhì)量來計(jì)算求出。 下面來討論怎樣由動(dòng)能來求出Q。設(shè)A原子核是靜止的。由能量守恒可得 根據(jù)反應(yīng)前后動(dòng)量守恒得 式中為反應(yīng)前撞擊粒子的動(dòng)量，和是反應(yīng)后新生二粒子的動(dòng)量。上式可改為標(biāo)量 由于，上式可改為 從上式求出，代入中得 從上式中的質(zhì)量改為質(zhì)量數(shù)之比可得： 如果事先測(cè)知，再測(cè)出和β，即可算得Q。 例1 已知某放射源在t=0時(shí)，包含個(gè)原子，此種原子的半衰期為30天． （1）計(jì)算時(shí)，已發(fā)生衰變的原子數(shù)； （2）確定這種原子只剩下個(gè)的時(shí)刻。 解: 衰變系數(shù)λ與半衰期T的關(guān)系為 衰變規(guī)

60、律可表述為：。 （1）時(shí)刻未衰變的原子數(shù)為： 已發(fā)生衰變的原子數(shù)便為： （2）時(shí)刻未發(fā)生衰變的原子數(shù)為： 由此可解得： =399天 例2 在大氣和有生命的植物中，大約每個(gè)碳原子中有一個(gè)原子，其半衰期為t=5700年，其余的均為穩(wěn)定的原子。在考古工作中，常常通過測(cè)定古物中的含量來推算這一古物年代。如果在實(shí)驗(yàn)中測(cè)出：有一古木碳樣品，在m克的碳原子中，在△t（年）時(shí)間內(nèi)有△n個(gè)原子發(fā)生衰變。設(shè)燒成木炭的樹是在T年前死亡的，試列出能求出T的有關(guān)方程式（不要求解方程）。 解: m克碳中原有的原子數(shù)為，式中為阿伏加德羅常數(shù)。 經(jīng)過T年，現(xiàn)存原子數(shù)為 （

61、1） 在△T內(nèi)衰變的原子數(shù)為 （2） 在（1）、（2）二式中，m、、τ、△T和均為已知，只有n和T為未知的，聯(lián)立二式便可求出T。 例3.當(dāng)質(zhì)量為m，速度為的微粒與靜止的氫核碰撞，被氫核捕獲（完全非彈性碰撞）后，速度變?yōu)椋划?dāng)這個(gè)質(zhì)量為m，速度為的微粒與靜止的碳核做對(duì)心完全彈性碰撞時(shí)，碰撞后碳核速度為，今測(cè)出，已知，求此微粒質(zhì)量m與氫核質(zhì)量之比為多少？ 解: 根據(jù)題意有，即有 （1） 又因 （2） （3） 由（2）式得 （4） 由（3）式得 （5） 由（4）、（5）式得 （6） （6）m（4）得 所以。此微粒的質(zhì)量等于氫核的質(zhì)量。