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第25章:原子之界

异族文明 梦的精灵樱花 2936 2021.04.15 20:38

  中子

  中子(Neutron)是组成原子核的核子之一。中子是组成原子核构成化学元素不可缺少的成分,虽然原子的化学性质是由核内的质子数目确定的,但是如果没有中子,由于带正电荷质子间的排斥力(质子带正电,中子不带电),就不可能构成除只有一个质子的氢之外的其他元素。中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。

  特点:

  1、1932年英国物理学家查德威克在做了用α粒子轰击铍的实验中发现了中子。

  2、单独存在的中子是不稳定的,平均寿命约为16分,它将衰变成质子、电子和反中微子ν。

  3、原子核由中子和质子组成,原子核内的中子是稳定的。

  4、由于中子不带电,所以容易打进原子核内,引起各种核反应。

  5、中子的自旋量子数为1/2。

  6、中子包含两个具有-1/3 电荷的下夸克和一个具有+2/3 电荷的上夸克,其总电荷为零。

  夸克

  夸克(英语:quark)是一种参与强相互作用的基本粒子,也是构成物质的基本单元。夸克互相结合,形成一种复合粒子,叫强子。强子中最稳定的是质子和中子,它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象,夸克不能够直接被观测到,或是被分离出来,只能够在强子里面找到。

  夸克有着多种不同的内在特性,包括电荷、色荷、自旋及质量等。在粒子物理的标准模型中,夸克是唯一一种能经受全部四种基本相互作用(电磁、引力、强相互作用及弱相互作用)的基本粒子。另外,夸克也是现在已知唯一一种基本电荷为非整数的粒子。夸克的每一种味都有一种对应的反粒子,叫反夸克,它跟夸克的不同之处只在于它的一些特性跟夸克大小一样但符号不同。

  由夸克构成的强子根据其自旋可以分为重子(自旋为半奇数)和介子(自旋为整数)。所有的重子,比如质子和中子,都是由三个夸克组成的(反重子则是由三个反夸克组成的)。质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。而所有的介子都是由一对正–反夸克构成。

  中微子

  中微子,又译作微中子,是轻子的一种,是组成自然界的最基本的粒子之一,常用符号希腊字母v表示。

  中微子个头小、不带电,可自由穿过地球,自旋为1/2,质量非常轻(有的小于电子的百万分之一),以接近光速运动,与其他物质的相互作用十分微弱,号称宇宙间的“隐身人”。科学界从预言它的存在到发现它,用了20多年的时间。

  2013年11月23日,科学家首次捕捉高能中微子,被称为宇宙“隐身人“。他们利用埋在南极冰下的粒子探测器,首次捕捉到源自太阳系外的高能中微子。 

  粒子间的各种弱相互作用都会产生中微子,而弱相互作用速度缓慢正是造就了恒星体内“质子-质子”反应的主要障碍,这也解释了为什么中微子能轻易的穿过普通物质而不发生反应。太阳体内有弱相互作用参与的核反应每秒会产生10的38次方个中微子,畅通无阻的从太阳流向太空。每秒钟会有1000万亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体,甚至在夜晚,太阳位于地球另一边时也一样。

  自由度

  π介子自由度

  π介子是基本粒子的一种。属介子类,自旋角动量为0,1947年被确认。在各种介子中,π介子是最轻且最重要的介子。

  在建立互作用玻色子模型的同时,核结构理论又从核内非核子自由度的研究中得到了新的进展。以核集体模型为代表的广义核壳层模型尽管取得了一定的成功,但毕竟还有一定的局限性。首先,这些模型都只是从部分实验事实或观测现象出发,从某个侧面用类比方法反映核子系统的机制。此外,在核反应理论中,所引入的可调参数又太多。可调参数越多,说明这个理论离成熟性与完整性越远。按传统认识,核内的核子只是一个无结构的点,核仅由这些被当作为点的核子组成,即原子核只存在有核子自由度,核子之间的作用单纯为两点间的作用。事实上,早在30年代,有人就预言了核内存在有非核子的自由度。

  1932年,查德威克发现了原子核内除了质子外,还有中子以后,很快地,海森伯就提出原子核是由质子和中子组成的。

  1935年,汤川秀树发表了核力的介子场理论,他认为π介子是核力的媒介,并参与β衰变,同时提出了核力场方程及核力的势。根据这一理论,质子和中子通过交换π介子互相转化。

  1947年,π介子在宇宙射线中被发现。由于在核力理论中预言π介子的存在,汤川秀树获得了1949年诺贝尔物理学奖。

  随着粒子物理学的发展,人们逐渐发现,在原子核内,除了传统的质子、中子自由度以外,还有更多的自由度,它们包括:π介子自由度、ρ介子自由度以及各种核子的共振态Δ、σ粒子自由度、核内夸克自由度和核内色激发自由度等,情况远比人们对核的传统认识复杂。对这些自由度的研究极大地丰富了原子核物理学的基本内容。

  多年来,人们一直在寻求着核内存在π介子的直接或间接的实验证明。一个主要的困难是得知核内存在π介子,需要波长极短的入射粒子束。为避免强相互作用带来更多的不确定性,人们选用了入射光子的方法。有两个有名的实验给出了核内存在π介子自由度的证明。

  夸克自由度

  从40年代末到50年代初,随着世界上各大型加速器的投入运行,粒子物理逐渐从核物理中分化了出来。上世纪60年代以后,粒子物理取得了一系列令人瞩目的进展。例如,在70年代初,格拉肖、萨拉姆和温伯格将弱、电相互作用统一在SU(2)×U(1)对称群的规范理论之中,并从多方面得到了实验上的直接和间接的证实。粒子物理的另一个著名成就是夸克模型和量子色动力学的建立。根据微观世界中的对称性,不仅可以对强子进行分类,而且还对强子内部结构的认识提供了有效的途径。低能强子按SU(3)对称群分类,这些强子的基本构件,也是SU(3)对称群的基础就是夸克,包括u夸克、d夸克和s夸克。为使强子满足自然界普遍遵守的自旋与统计性关系,每种夸克还有3种不同的色,色相互作用是强相互作用的起源,而传递色相互作用的8个媒介子就称为胶子。实质上,强相互作用理论即为SU(3)色对称群的规范理论,称为量子色动力学(QCD)。根据夸克模型,原子核的核子应由3个价夸克以及称为海夸克的虚夸克-反夸克对胶子组成,而传递核子相互作用的介子应由价夸克、价反夸克和海夸克、胶子组成。[2]

  考虑到可能存在夸克自由度,有人提出了一个更为大胆的简化核模型。这一模型从夸克和它们之间的相互作用力出发,采用类似传统的独立粒子壳层模型的方法来解释原子核的各种性质。在考虑夸克间相互作用时,这一模型假定存在有“对力”,而不考虑夸克的禁闭性质。根据这一模型,夸克的色自由度使每个壳层上容许的夸克数恰好与传统壳层模型每个壳层上的核子数相同,在对这些关键问题的研究中,核物理与粒子物理两大学科又重新走到一起,而趋于汇合之中。

  原子核衰变

  发生α衰变和β衰变,都伴随着y射线,y射线是频率最高,是贯穿本领最强的电磁波,y射线是法国科学家维拉德发现的。

  (1)α衰变

  α衰变的本质是原子核内的2个质子与2个中子凝结成一个氦核释放出来。α射线是英国物理学家卢瑟福发现的。它是高速运动的氦核流。速度是十分之一的光速,在a粒子散射实验、原子核的人工转变中,常用它作为炮弹.α射线的电离作用最强,所以,口粒子散射实验一定要在真空中进行,否则α粒子在空气中穿行的时候电离空气,因碰撞而减速,在到达金箔(靶原子)的时候,早已成“强弩之末势,不能穿鲁缟”。

  (2)β衰变

  β衰变的本质是原子核内的一个中子转变为一个质子,同时释放出一个电子。β射线是法国科学家贝克勒耳发现的。它是高速运动的电子流,速度接近于光速.卢射线电离作用较差,贯穿本领较强。

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