2025年大学《核物理》专业题库—— 强子-核子相互作用的物理机制.docxVIP

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2025年大学《核物理》专业题库——强子-核子相互作用的物理机制

考试时间:______分钟总分:______分姓名:______

一、

简要说明强相互作用区别于电磁相互作用、引力相互作用和弱相互作用的主要特征。

二、

什么是色禁闭?请简述其物理意义。

三、

Yukawa介子理论是如何解释核力的短程性和饱和性的?请分别说明。

四、

在核力介子理论中,引入δ介子(自旋为3/2)的主要目的是什么?它如何帮助解释质子-质子散射实验中的一些现象?

五、

根据二分量中微子理论,解释为什么质子-质子散射实验中观察到的磁偶极矩与自由质子理论预测值有显著差异。

六、

强子具有自旋和宇称,核力也表现出自旋和宇称的依赖性。请分别举例说明核力如何影响质子-中子系统(或α粒子-质子系统)的散射截面或原子核的基态性质。

七、

简述强子-核子散射实验在确定核力参数方面所起的作用。举例说明如何通过散射数据可以推断核力的某些特性(如有效范围或交换粒子的性质)。

八、

将强子-核子之间的强相互作用与原子核内部质子-中子之间的核力进行比较,指出它们的主要异同点。

九、

从量子色动力学(QCD)的基本观点来看,介子(如π介子)在核子间的强相互作用中扮演的角色是什么?为什么说QCD是更根本的理论?

十、

估算一个典型的核力作用范围大约是多少?这个估算与哪些物理量有关?

试卷答案

一、

解析思路:强相互作用的主要特征包括:作用范围极短(约1费米)、强度最大、具有饱和性、电荷无关性(只与强子种类有关)、宇称守恒(强相互作用是守恒的)、传递粒子为胶子(强子内部)和介子(强子-强子间)。与电磁相互作用(长程、依赖电荷、宇称不守恒)和引力相互作用(长程、依赖质量、宇称守恒)以及弱相互作用(短程、较弱、改变费米子种类、宇称不守恒)进行对比,突出其短程、最大强度和传递粒子不同。

二、

解析思路:色禁闭是指夸克禁闭在强子内部,无法单独存在,只能以三重态(重子)或胶子束缚态(介子)的形式出现。其物理意义在于保证了强子(如质子、中子)的稳定性,使得质子和中子作为复合粒子能够稳定存在,而不是自由的夸克。这是由非定域强相互作用的色量子数约束决定的。

三、

解析思路:Yukawa介子理论通过引入质量比电子重、速度慢的介子(如π介子)作为核力的传递粒子来解释核力的短程性。根据量子力学,作用范围与传递粒子的质量成反比,质量越大,波函数衰减越快,作用范围越短。Yukawa势\(V(r)\proptoe^{-mr/\hbar}\)中的参数\(m\)正比于介子质量,介子质量(约140MeV/c2)足够大,导致核力作用范围在1-2费米内,与原子核的尺度一致。饱和性是指随着参与作用核子数目的增加,总的核力作用并不线性增加,而是趋于饱和。介子理论解释饱和性的一种图像是:当一个核子发射或吸收一个介子后,它自身就不再能发射或吸收同一个介子(“吃掉”或“填满”了配对),因此多体问题中的净交换介子数目有限,导致总力趋于饱和。

四、

解析思路:引入自旋为3/2的δ介子是为了解释质子-质子散射实验中观察到的某些共振现象,特别是散射截面在特定能量(约500MeV)附近的急剧增加,这对应于δ介子的共振态。自由质子只参与自旋为1/2的交换(S波),散射截面随能量升高而指数下降。观察到的共振峰表明存在一个自旋为3/2的复合粒子参与散射,该粒子具有较短的寿命和相应的共振能量。δ介子的存在使得质子-质子散射可以包含P波(自旋为1)和D波(自旋为2)成分,与实验结果更符合。

五、

解析思路:自由质子是费米子,自旋为1/2。质子-质子系统(两个费米子)在静电吸引下结合成原子核(如果考虑中子的话),其总波函数必须满足费米-狄拉克统计,即自旋部分和轨道部分都需要反对称。对于S波(l=0)轨道态,轨道波函数反对称,为了满足总波函数反对称,自旋波函数必须对称。自旋为1/2的两个费米子只能形成自旋对称(总自旋S=0,三重态)的状态,这种状态与正电荷的电磁场相互作用时,只有偶数宇称(如T=0)的核力(符合宇称守恒)才能参与,导致总截面比预期的小。二分量中微子理论修正了核力,考虑了自旋为3/2的δ介子交换,这种交换允许自旋为1/2的质子间存在自旋反对称(总自旋S=1,单态)的束缚态,这种状态与正负电荷的电磁场都可以耦合(宇称可以改变),对应的核力是奇数宇称(T=1)的,这可以解释质子-质子散射实验中观察到的与自由质子磁偶极矩相关的截面差异。

六、

解析思路:核力具有自旋和宇称依赖性,影响质子-中子系统和α粒子-质子系统。例如,质子和中子都是自旋1/2的费米子,它们之间的核力包含自旋为0、1和3/2的交换态。自旋为1的交换(T=1)核力导致自旋平行(总自旋S=1)和自旋反平行(S=0)的质子-中子系统有不同的

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