原子核与基本粒子

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1、拾、原子核與基本粒子簡介10.1原子與次原子世界（sub-atomicworld）的研究□蛻變（disintegration，包括放光）□散射（scattering，包括彈性──被散射者能量不改變，或非彈性──被散射者能量改變）能階、磁矩、各種量子數能量範圍空間範圍主要探測憑藉（probes）↓↓探微入裡inwardbound原子物理（low-energyphysics）～eV，低能量～0.1nm紅外光、可見光、紫外光、電子（e）keV～數十keV～10fmX射線、電子原子核物理原子核物理（狹義）0.01MeV～數十MeV<～1fmγ射線、電子、質子（p）、中子（n）、中微

2、子（ν）、α粒子、其它原子核中能量物理（intermediateenergyphysics）1GeV以上γ、電子、質子、中子、緲子（μ）、介子（π，K）基本粒子物理（高能物理highenergyphysics）1GeV或100GeV以上γ、電子、質子、反質子（）、重離子10.2原子核的蛻變10.2.1放射性radioactivity1896年Becqerrel發現。1900年lawofradioactivity放射性律所隱含的深意：蛻變是隨機過程（stochasticprocess）。life-time（生命期）:1/λ；half-life（半生期）:實驗測量λ：繪與測量時

3、間t的座標圖。其斜率即－λ。隨物質的差異性極大：最短的如：；最長的如：y。鐳：1620y；氡：3.82d；：y；：y。□放射性定年法radioactivedating1.設地球形成時與一樣多；但現今鈾礦裡，與的豐存度（abundance）的比為0.7：99.3。原因出在兩者的半衰期不同。設地球年齡為t，則y.2.碳─14定年法的半生期為5730y。生物中的都來自環境──植物因光合作用獲取，動物因吃植物或其它動物獲取。環境中的則來自宇宙射線對大氣分子的碰撞。設大氣中的的比率是固定的，則當生物死後，其體內的含量必因放射性而逐年減少。從的含量比率，可決定該物的年代。此法適用的年限

4、約為6萬年。10.2.2α衰變□，Rutherford發現是。能量守恆，其中m指原子核質量，M指原子質量。1amu(u)=kg≒931MeV.衰變的能譜分立（discrete）。。例：MeV；MeV.□放射性系列（Z>82，Z=82的鉛最穩定）4n系列：(thoriumseries)4n+2系列：(uraniumseries)4n+3系列：(actiniumseries)4n+1系列：(neptuniumseries,artificial)□α衰變理論Gamowtheory:potentialbarrierpenetration穿隧機率,是在核內的平均速率。大大短，極為敏感

5、。此是Geiger-Nuttallaw。10.2.3β衰變實驗發現：β射線實為電子束。β衰變屬「弱作用」。□β衰變有三種情況：1.decay：.發生的條件是2.decay：.發生的條件是3.electroncapture(EC)：.發生的條件是這時，會發出特性X射線。□β衰變的能譜連續1932年Pauli揣測在β衰變時，另有一種質量極微小的中性粒子放出，稱為中微子（neutrino）：。後來知道中微子有粒子與反粒子兩種：衰變伴隨，衰變伴隨。果然在1956年，Reines與Cowan發現反微中子。□吳健雄的60Co實驗1956年，李政道（T.D.Lee）與楊振寧（C.N.Ya

6、ng）猜測奇偶性（parity）在弱作用下不守恆有左右不對稱現象。李政道建議吳健雄做60Co實驗，此實驗於1956年底完成，明確顯示了弱作用下的左右不對稱現象，為物理界開拓新紀元。實驗的解釋：，60Co的核儀數，60Ni的核儀數。在低溫下，60Co原子核在外加磁場下都排列於沿磁場（右手定則）的同一方向，衰變時所減少的角動量必為兩者帶走。此兩者的儀數都是1/2，當各帶走的角動量。但必為右手旋，所以沿磁場方向走，逼得電子只能朝相反方向走。是以，左右不對稱的根本原因在於只能是右手旋，沒有左手旋的。另方面，則只能左手旋，沒有右旋的。換言之，都是左右不對稱的中微子在「搞鬼」。10.2

7、.4γ衰變（從略）10.3原子核的結構1911年Rutherford發現原子核。原子核的基本性質：⊙電荷數Z⊙質量數A⊙大小～1F＝1fm（從α散射可知）⊙核力：吸引attractive近程short-ranged「強作用」stronginteraction：在核內必大過電磁力，才能對抗質子間的斥力。⊙核儀數（nuclearspin）I，整數或半整數。（從原子光譜的超精細構造或同極雙原分子的Raman轉動光譜可推知）⊙磁偶極矩（可從原子束法或核磁共振法NuclearMagneticResonance測量），是核磁矩