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核与粒子物理学

核与粒子物理学是物理学的一个迷人分支，深入探讨宇宙中最小结构的世界。它探索原子核及基本粒子的行为、相互作用和性质。让我们一起踏上了解这些支配宇宙的微小结构的旅程。

原子结构的基础

原子是物质的基本单位，由一个被电子环绕的核组成。核由质子和中子组成，统称为核子。质子带正电荷，中子电中性。电子带负电荷，围绕核运动。

核中的质子数决定了原子序数和元素的身份。例如，氢有一个质子，而氦有两个。中子对原子的质量有贡献，并在核稳定性中起重要作用。

核力与稳定性

在核物理学中，主要关注于将核结合在一起的力。尽管带正电荷的质子之间存在排斥电力，由于强核力的存在，核紧密结合，也称为强相互作用。

这种力大约比电磁力强100倍，作用距离非常短，约为10^-15米。它负责将质子和中子结合成核。

放射性

某些核不稳定，会进行放射性衰变以转变为更稳定的构型。放射性衰变有三种主要类型：

阿尔法衰变：核发射出一个由两个质子和两个中子（一个氦核）组成的阿尔法粒子。
贝塔衰变：核中的一个中子衰变为质子，发射出一个贝塔粒子（电子或正电子）和一个反中微子或中微子。
伽马衰变：在阿尔法或贝塔衰变后，子核可能处于激发态，并以伽马射线的形式释放能量以达到较低能量状态。

核模型

科学家使用不同的模型来理解核的结构和行为。液滴模型和壳层模型是核物理学中的两个重要理论框架。

液滴模型

液滴模型将核与不可压缩的核液滴相比较。它解释了核现象，如结合能和裂变。该模型包括代表体积能、表面能、库仑能、对称能和配对能的各种项。

E_{binding} = a_V A - a_S A^{2/3} - a_C frac{Z(Z-1)}{A^{1/3}} - a_{sym} frac{(A-2Z)^2}{A} + delta

壳层模型

壳层模型类似于原子的电子壳层模型。它建议核子占据核内的离散能级。类似于电子构型，核子填充原子壳层，某些“魔数”核子导致特别稳定的核。

裂变与聚变

核反应是原子核之间或核与亚原子粒子之间的相互作用。裂变和聚变是两种主要的核反应类型。

裂变

核裂变发生在重核分裂为较小核时，释放出大量能量。这个过程用于核电站和原子弹。原始核吸收中子，变得不稳定，分裂成两个或多个裂变产物，并释放额外的中子。

聚变

另一方面，聚变是两个较轻的核结合形成一个较重核的过程，同时释放能量。聚变为太阳和其他恒星提供能量。如果在地球上成功利用，它有望提供几乎无限的清洁能源。

粒子物理学

粒子物理学推进了我们对物质最小粒子，即基本粒子的理解。这些粒子包括夸克、轻子、玻色子和其他粒子。粒子物理的标准模型是一种描述这些粒子通过基本力相互作用的理论。

标准模型

标准模型对所有已知的基本粒子进行分类，并描述宇宙中四种基本力中的三种：电磁力、弱力和强力。引力不包括在此模型中。标准模型中的主要粒子是：

夸克：质子和中子的构建块。存在六种类型的夸克：上、下、粲、奇、顶和底。
轻子：包括电子、μ子、τ子及其相关的中微子。
规范玻色子：力的载体——光子用于电磁力，W和Z玻色子用于弱力，胶子用于强力。
希格斯玻色子：通过希格斯机制为夸克和轻子提供质量。

,
|类型|粒子|符号|
,
| 轻子 | 电子 | e^- |
| | 电子中微子 | ν_e |
| | μ子 | μ^- |
| | μ中微子 | ν_μ |
| | τ子 | τ^- |
| | τ中微子 | ν_τ |
,
| 夸克 | 上 | U |
| | 下 | d |
| | 魅 | C |
| | 奇 | s |
| | 顶 | t |
| | 底 | b |
,
| 规范玻色子 | 光子 | γ |
| | W玻色子 | W^± |
| | Z玻色子 | Z^0 |
| | 胶子 |G|
,

探测与实验

核与粒子物理学的大部分知识是通过使用粒子加速器和探测器的实验获得的。粒子加速器，如大强子对撞机（LHC），将粒子加速到高速并使其碰撞。通过这些碰撞可以揭示有关亚原子结构和力的信息。

探测器用于识别由这些碰撞产生的粒子，根据其能量、动量、电荷和相互作用进行表征。探测器可以是需要国际合作的大型实验。