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中国科技大学 核与粒子物理导论 第一章.pdf
核与粒子物理导论
第一章 粒子束的获得
研究和观测线度为10−15 m(fm ) 量级的亚原子系统,,需要探针粒子的波长与亚原子
的线度相近或者更短。
c 197.33fm.Mev
cp ~ 200MeV
p 1fm
为了获得亚原子系统的各种状态,为从真空状态(各种粒子,反粒子场的基态)产生各种粒
子,需要携带足够动量(能量) 的投弹粒子。例如,为把束缚在核素中的一个质子或者中子释
放出来,平均要提供给核素几至十几MeV 的能量。要从量子“真空”态产生电子和正电子
对,要给量子“真空”态至少提供~ 1.02MeV 的能量。要产生J ψ 粒子至少要消耗3.1GeV
的能量。要产生Z 0 粒子( m 91GeV ) ,需要能量为~ 46GeV 正电子和负电子束对碰撞。
人们可以从放射性物质、宇宙线、反应堆和加速器获得不同种类,不同能量的粒子束。
§1.1 放射源
放射性物质提供的粒子束为人类揭开亚原子的秘密建立过功勋,随着加速器的产生和发
展,放射性粒子束在亚原子物理的学科发展上,其重要性让位于加速器粒子束。但是放射性
粒子束对其它学科的发展依然起着不可取代的“特殊探针”的作用。到目前为止,我们可以
制造和产生两千多种放射性核素。它们大部分可以提供α,β,γ 粒子束。
1. 同位素
它指的是这样一群特定的核素,它们包含的质子数都一样,而质量数A (或者说中子数)
1 2 3 54 55 56 57
不一样。例如,氢的同位素有 H , H 和 H 。钴的同位素: Co , Co , Co , Co ,
1 1 1 27 27 27 27
58 59 60 61 62 63 64 3
Co , Co , Co , Co , Co , Co , Co 。它们当中, H (氚)是具有放射性
27 27 27 27 27 27 27 1
1 2 59
的, H , H 都是稳定的核素。钴的同位素中,除 Co 是稳定的以外(它在自然界中的同
1 1
位素丰度A 100.0 ) ,其它的同位素都是放射性的。后者的天然同位素丰度均为零(即自然
界开采出来的钴都是59 60
Co ,没有放射性的钴同位素 Co …) 。
11
第一章 粒子束的获得
2. 放射性衰变的基本规律
放射性核素的数目随时间的衰减服从指数规律:
N (t) N 0 e−λt (1.1)
N (t) 是在t 时刻放射性核素的数目。N 0 为t t0 0 时放射性核素的数目。λ称为衰变常
数。对(1.1)两边取微分得:
dN =−λ N e−λt dt =−λN (t)dt
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