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1、第十章 原子核及粒子物理学的发展原2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院1本讲稿第一页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院2原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起 原原子子核核物物理理学学是是研研究究核核的的性性质质、结结构构和和变变化化规规律律、以以及及核核能能、核核技技术应用等有关物理问题的学科，简称核物理，属于当代物理学的前沿。术应用等有关物理问题的学科，简称核物理，属于当代物理学的前沿。关于关于原子核物理学原子核物理学及及粒子物理粒子物理 原原子子核核物物理理学学及及粒粒子子物物理理的的工工作作实实验验研研究究方方法法:主主要要是是通通过
2、过高高能能粒粒子的相互碰撞，用实验手段发子的相互碰撞，用实验手段发 现新粒子。到目前已经发现了现新粒子。到目前已经发现了300300多种。多种。采采用用的的试试验验设设备备有有加加速速器器、对对撞撞机机、探探测测器器、计计算算机机和和数数据据处理系统。处理系统。粒子物理粒子物理(高能物理高能物理)是研究场和粒子的性质、运动、相互是研究场和粒子的性质、运动、相互作用和相互转化规律的学科，也是研究粒子内部结构规律的学科，作用和相互转化规律的学科，也是研究粒子内部结构规律的学科，是当代物理学发展的前沿。是当代物理学发展的前沿。理论基础理论基础是量子场论，是解释微观现象的基本理论。是量子场论，是解释微
3、观现象的基本理论。本讲稿第二页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院3 1914年年卢卢瑟瑟福福的的学学生生马马斯斯登登在在观观察察粒粒子子在在空空气气中中的的射射程程时时注注意意到到，粒粒子子在在空空气气中中的的射射程程一一般般只只有有7厘厘米米，但但有有的的粒粒子子的的射射程程竟竟达达40厘厘米米。经经反反复复验验证证和和思思考考，卢卢瑟瑟福福认认为为，这这是是空空气气中中的的氢氢离离子子受受到到粒粒子子的的撞撞击击所所致致。因因为为粒粒子子的的质质量量是是氢氢离离子子质质量量的的4倍倍，因此氢离子被撞击后速度要大许多。因此氢离子被撞击后速度要大许多。当当从从阀阀T充
4、充入入氮氮气气，放放射射源源A距距观观察察屏屏S的的距距离离超超过过粒粒子子的的射射程程很很多多时时，屏屏上上仍仍有有闪闪烁烁，射射程程长长度度和和氢氢离离子子的的差差不不多多；当当充充入入氧氧气气时时却没有这种现象。却没有这种现象。一一 人工核反应的实现及质子的发现人工核反应的实现及质子的发现 在上述现象启发下，从在上述现象启发下，从1917年开始，卢瑟福进行了年开始，卢瑟福进行了粒子轰击氮原粒子轰击氮原子核的实验。装置如右图。子核的实验。装置如右图。A为为射线源，可前后移动，利用显微镜射线源，可前后移动，利用显微镜M观观察透过窗口察透过窗口F在荧光屏在荧光屏S上的闪烁。上的闪烁。本讲稿第三
5、页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院4卢瑟福经过反复实验，终于判定是氮原子在卢瑟福经过反复实验，终于判定是氮原子在粒子的轰击下发生了核粒子的轰击下发生了核嬗变：从氮核中释放出了氢核（质子）。嬗变：从氮核中释放出了氢核（质子）。1921年年卢卢瑟瑟福福和和查查德德威威克克(J.Chadwick)发发现现硼硼、氟氟、钠钠、铝铝和和磷磷都都可可以以产产生生类类似似的的转转变变。由由于于各各种种原原子子核核里里都都能能打打出出质质子子来来，可可见见质质子子是是原子核的组成部分。原子核的组成部分。后来英国卡文迪什实验室的后来英国卡文迪什实验室的布拉凯特布拉凯特在充满氮的云室里做
6、了在充满氮的云室里做了粒子粒子轰击氮核的实验，并拍摄了两万多张云室的照片，终于从轰击氮核的实验，并拍摄了两万多张云室的照片，终于从40多万条多万条粒粒子径迹中发现有子径迹中发现有8条产生了分叉。从而证实条产生了分叉。从而证实了人工核反应的实现和质子的了人工核反应的实现和质子的产生。产生。为了进一步了解被轰击出的粒子的性质，在实验装置里加进磁场和电场，为了进一步了解被轰击出的粒子的性质，在实验装置里加进磁场和电场，根据粒子在其中的偏转，测出它的质量和电荷，从而确定了该离子就是氢根据粒子在其中的偏转，测出它的质量和电荷，从而确定了该离子就是氢原子核原子核-质子。质子。14N7+4He217O8+1
7、H11919年，卢瑟福明确表达了年，卢瑟福明确表达了粒子轰击氮核的反应过程：粒子轰击氮核的反应过程：本讲稿第四页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院51.1.卢瑟福的预言：卢瑟福的预言：质子发现以后，人们认为原子核是由电子和质子组成，即质子发现以后，人们认为原子核是由电子和质子组成，即质子质子-电子核模型。但是这个模型存在着电子在核内的存在状态电子核模型。但是这个模型存在着电子在核内的存在状态问题，并且与量子力学中多体统计及自旋理论相矛盾。为了解释问题，并且与量子力学中多体统计及自旋理论相矛盾。为了解释电子为什么能够稳定的存在于核内，卢瑟福提出，可以把质子和电子为什么能
8、够稳定的存在于核内，卢瑟福提出，可以把质子和电子作为一个复合体，看成是一个单独的中性粒子。电子作为一个复合体，看成是一个单独的中性粒子。二二 中子中子n的发现的发现 1920 1920年年6 6月，卢瑟福预言：原子核内可能存在着质量与质月，卢瑟福预言：原子核内可能存在着质量与质子质量相同的中性粒子。子质量相同的中性粒子。19211921年美国化学家哈金斯将它命名为年美国化学家哈金斯将它命名为“中子中子”。本讲稿第五页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院62.2.中子发现的前奏：中子发现的前奏：1930年德国物理学家年德国物理学家博特博特(W.G.F.Bothe)与与贝克
9、尔贝克尔(H.Becher)用天然放射性元素用天然放射性元素Po放出的放出的粒子轰击铍粒子轰击铍 Be，发现从铍，发现从铍放射出一种穿透能力极强的射线。且这种射线在磁场和电场中放射出一种穿透能力极强的射线。且这种射线在磁场和电场中都不会发生偏转。人们认为是高能量的都不会发生偏转。人们认为是高能量的射线。射线。1932年年1月，法国物理学家月，法国物理学家约里奥约里奥-居里夫妇居里夫妇重复了博特和贝克重复了博特和贝克尔的实验，并用这种新射线轰击石蜡，结果从石蜡中打出大量质子尔的实验，并用这种新射线轰击石蜡，结果从石蜡中打出大量质子来。约里奥来。约里奥-居里夫妇把这种现象当成是一种强居里夫妇把这种
10、现象当成是一种强射线造成的射线造成的“康普康普顿效应顿效应”。错失发现中子的良机。错失发现中子的良机。本讲稿第六页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院7 查德威克查德威克当时正在卡文迪什实验室作放射性研究。对于当时正在卡文迪什实验室作放射性研究。对于约里奥约里奥-居里夫妇的实验，他不赞同他们的解释。他用这种射线先后照射居里夫妇的实验，他不赞同他们的解释。他用这种射线先后照射轻重不同的几种元素，发现这种射线与通常的轻重不同的几种元素，发现这种射线与通常的射线性质有所不射线性质有所不同：通常同：通常射线照射到物质上时，物质密度越大，对射线照射到物质上时，物质密度越大，对射线
11、的吸收越射线的吸收越厉害，而这种射线刚好相反。且用它轰击氢原子核时，竟然厉害，而这种射线刚好相反。且用它轰击氢原子核时，竟然能被弹回来。说明这种射线是具有一定质量的中性粒子流。能被弹回来。说明这种射线是具有一定质量的中性粒子流。通过对反冲核的动量测定，再利用动量守恒定律进行估算，通过对反冲核的动量测定，再利用动量守恒定律进行估算，确定出这种射线中性粒子的质量几乎和质子相同。于是确定出这种射线中性粒子的质量几乎和质子相同。于是查德查德威克意识到这就是卢瑟福曾经预言的威克意识到这就是卢瑟福曾经预言的“中子中子”。于是在。于是在19321932年的年的NatureNature上发表了中子可能存在的论
12、文。上发表了中子可能存在的论文。3.3.查德威克的发现：查德威克的发现：本讲稿第七页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院84.意义意义1 1）建立了原子核的正确模型。）建立了原子核的正确模型。2 2）引起了一些新的研究课题。）引起了一些新的研究课题。3 3）由由于于中中子子不不带带电电，因因此此就就使使人人们们在在核核物物理理的的研研究究中中，拥拥有有了了一一颗颗威威力力无无比比的的炮炮弹弹，人人们们利利用用它它打打开开了了核核能能仓仓库库，昂昂首首迈迈入入原原子能时代子能时代!查查德德威威克克的的成成功功，是是他他能能够够将将理理论论预预言言与与实实验验现现象象密密切
13、切结结合合，抓抓住住机机遇的结果。遇的结果。原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起查查德德威威克克本讲稿第八页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院9伊伊伦伦娜娜居居里里和和约约里里奥奥居居里里原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起本讲稿第九页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院10 他们又用他们又用粒子轰击硼和镁，得到放射性同位素氮和硅。这样粒子轰击硼和镁，得到放射性同位素氮和硅。这样约里奥约里奥-居里夫妇因人工放射性的发现而获得居里夫妇因人工放射性的发现而获得1935年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。也为核物理的研究及
14、原子能利用开辟了道路。也为核物理的研究及原子能利用开辟了道路。三三 人工放射性的发现人工放射性的发现 1934年年1月，约里奥月，约里奥-居里夫妇用居里夫妇用粒子轰击铝，发现撤走放射粒子轰击铝，发现撤走放射源后，还可检测到放射性。源后，还可检测到放射性。化学分析表明，他们得到了自然界中并不存在的放射性同化学分析表明，他们得到了自然界中并不存在的放射性同位素磷位素磷-30，即：，即：27Al13+4He2 30P15+1n0磷磷-30经经衰变放出正电子衰变放出正电子,变成稳定元素硅变成稳定元素硅:3030P P15 15 3030SiSi14 14+0 0e e1 1本讲稿第十页，共五十三页20
15、04-12-8山东师范大学物理与电子科学学院11 后来人们发现，用后来人们发现，用粒子轰击轻元素能够得到放射性同位素，粒子轰击轻元素能够得到放射性同位素，但用但用粒子轰击重元素，则很难产生。粒子轰击重元素，则很难产生。费米考虑了这一问题，认为，重元素原子核所带正电荷较费米考虑了这一问题，认为，重元素原子核所带正电荷较大，与大，与粒子的库仑斥力很难让粒子的库仑斥力很难让粒子产生轰击效果。所以他选用粒子产生轰击效果。所以他选用中子作实验，尽管中子的产额很少（核反应放出的中子一般少于中子作实验，尽管中子的产额很少（核反应放出的中子一般少于10-4），但由于它不必克服库仑势垒，所以与原子核撞击的机会比
16、），但由于它不必克服库仑势垒，所以与原子核撞击的机会比粒子或质子大得多。粒子或质子大得多。本讲稿第十一页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院121.1.慢中子效应的发现：慢中子效应的发现：19341934年年1010月，费米小组的阿玛尔迪等人把一装在铅盒内的中子源放月，费米小组的阿玛尔迪等人把一装在铅盒内的中子源放置在一个银制的圆筒里，对银进行辐射，他们发现银的放射性随中子源置在一个银制的圆筒里，对银进行辐射，他们发现银的放射性随中子源的位置而变化，由于铅是重金属，费米建议他们用轻元素材料，如石蜡，的位置而变化，由于铅是重金属，费米建议他们用轻元素材料，如石蜡，于是他们
17、把大块石蜡挖了个洞，将中子源放入，然后辐照银圆筒，结果于是他们把大块石蜡挖了个洞，将中子源放入，然后辐照银圆筒，结果银的放射性增加了银的放射性增加了100100倍。再放到水下做实验，证实水也有类似作用。倍。再放到水下做实验，证实水也有类似作用。四四 慢中子效应和核裂变的发现慢中子效应和核裂变的发现 费米经过分析，认为：由于石蜡中大量的氢核（质子）与费米经过分析，认为：由于石蜡中大量的氢核（质子）与中子质量相近，中子碰撞后速度大大减慢，成为慢中子。慢中中子质量相近，中子碰撞后速度大大减慢，成为慢中子。慢中子经过银原子核的时间变长了，因此增加了中子被俘获的机会。子经过银原子核的时间变长了，因此增加
18、了中子被俘获的机会。因为慢中子大大增强了轰击的效果，所以慢中子及其作用的发因为慢中子大大增强了轰击的效果，所以慢中子及其作用的发现为重核裂变的发现打下了基础。因此，现为重核裂变的发现打下了基础。因此，人们将慢中子及其效应人们将慢中子及其效应的发现看作是的发现看作是“核时代的起点核时代的起点”。本讲稿第十二页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院13 1934年，用中子轰击了年，用中子轰击了63种元素，得到了种元素，得到了37种放射性同位素。种放射性同位素。在实验中，发现了慢中子及其效应。在用慢中子轰击原子核的反在实验中，发现了慢中子及其效应。在用慢中子轰击原子核的反应中，
19、他又发现可生成新的元素。费米因利用慢中子轰击原子核应中，他又发现可生成新的元素。费米因利用慢中子轰击原子核引起有关核反应和利用中子辐射发现新的放射性元素，获得了引起有关核反应和利用中子辐射发现新的放射性元素，获得了1938年诺贝尔物理学奖。由于受法西斯迫害，借领诺贝尔奖之机，携家年诺贝尔物理学奖。由于受法西斯迫害，借领诺贝尔奖之机，携家移居美国，在哥伦比亚大学任教。移居美国，在哥伦比亚大学任教。费米简介：费米简介：美籍意大利物理学家，美籍意大利物理学家，19011901年出生于罗马。年出生于罗马。1717岁进入岁进入比萨大学，以比萨大学，以X X射线的专题论文获得博士学位。之后赴德国格丁根射线
20、的专题论文获得博士学位。之后赴德国格丁根大学，拜玻恩为师，大学，拜玻恩为师，19241924年回意大利佛罗伦萨大学任教，并因在年回意大利佛罗伦萨大学任教，并因在理论物理学方面的贡献引起世界范围的注意。理论物理学方面的贡献引起世界范围的注意。19192626年，任罗马大年，任罗马大学理论物理学教授，学理论物理学教授，19271927年提出费米年提出费米-狄拉克统计理论，狄拉克统计理论，19331933年提出年提出衰变理论。衰变理论。获奖之后，费米与一些科学家们在核裂变的链式反应研究获奖之后，费米与一些科学家们在核裂变的链式反应研究中，同时预见到制造原子武器的危险。中，同时预见到制造原子武器的危险
21、。本讲稿第十三页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院14当时德国的核裂变也已实验成功，他们非常担心德国首先用以制造当时德国的核裂变也已实验成功，他们非常担心德国首先用以制造原子弹。于是，原子弹。于是，费米费米、西拉德西拉德等科学家于等科学家于1939年年8月一起找到了月一起找到了爱爱因斯坦因斯坦，要求借助他的威望上书美国总统罗斯福，提醒政府要切，要求借助他的威望上书美国总统罗斯福，提醒政府要切实注意德国的动向和已出现的危险，建议尽一切力量要赶在德国实注意德国的动向和已出现的危险，建议尽一切力量要赶在德国纳粹分子之前造出原子弹，以消灭法西斯。上书信于纳粹分子之前造出原子弹
22、，以消灭法西斯。上书信于10月月11日转日转到罗斯福手中，他立即下令成立铀矿顾问委员会，并拨了研究经费，到罗斯福手中，他立即下令成立铀矿顾问委员会，并拨了研究经费，1941年年12月月6日，日本偷袭珍珠港的前一天批准了制造原子弹的庞大日，日本偷袭珍珠港的前一天批准了制造原子弹的庞大工程计划。为保密而取名工程计划。为保密而取名“曼哈顿计划曼哈顿计划”。1954年年11月月28日费米因胃癌逝世于美国的芝加哥，年仅日费米因胃癌逝世于美国的芝加哥，年仅53岁。岁。为纪念他，第为纪念他，第100号元素以他的名字命名为镄。号元素以他的名字命名为镄。1942年年12月月2日，以费米为首的一批美国科学家建造了
23、第一座原日，以费米为首的一批美国科学家建造了第一座原子反应堆，人们利用原子能的时代从此开始。子反应堆，人们利用原子能的时代从此开始。本讲稿第十四页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院15本讲稿第十五页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院16 19341934年，当年，当费米小组费米小组用中子轰击铀用中子轰击铀2382389292U U时，得到了半衰期为时，得到了半衰期为1313分钟的一种放射性产物。分钟的一种放射性产物。2.2.核裂变的发现：核裂变的发现：但德国女化学家但德国女化学家诺达克夫人诺达克夫人(T.Noddack)(T.Noddack)
24、提出不同看法，她认为：提出不同看法，她认为：“当重核被中子轰击时，该核可能分裂成几大块。这些裂片无疑将当重核被中子轰击时，该核可能分裂成几大块。这些裂片无疑将是已知元素的同位素，而不是被辐照元素的近邻是已知元素的同位素，而不是被辐照元素的近邻”。但这一观点没。但这一观点没有引起有引起费米费米等人的注意，甚至当时的放射性权威等人的注意，甚至当时的放射性权威哈恩哈恩认为诺达克夫认为诺达克夫人的观点人的观点“纯粹是谬论纯粹是谬论”。经分析它不属于铅经分析它不属于铅-铀之间的重元素。按照已知核反应规铀之间的重元素。按照已知核反应规律，当中子轰击原子核时，原子序数将增律，当中子轰击原子核时，原子序数将增
25、1 1，产生一新元素。，产生一新元素。19341934年年5 5月费米在月费米在NatureNature上发表了一篇短文原子序数高上发表了一篇短文原子序数高于于9292的元素可能生成，报道了可能是一种的元素可能生成，报道了可能是一种“超铀超铀”元素元素9393。在随后的在随后的4-54-5年里，人们又陆续年里，人们又陆续“发现发现”了超铀元素了超铀元素9494、9595、9696和和9797号号“超铀超铀”新元素。新元素。本讲稿第十六页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院17 1938 1938年，年，伊伦伊伦-居里和南斯拉夫的沙维奇居里和南斯拉夫的沙维奇(P.Savi
26、tch)(P.Savitch)进行了进行了有关有关“超铀超铀”元素的分离和分析实验。他们用中子轰击铀，产生了元素的分离和分析实验。他们用中子轰击铀，产生了半衰期为半衰期为3.53.5小时的放射性元素，其性质接近镧（镧原子序数为小时的放射性元素，其性质接近镧（镧原子序数为5757，后证实是镧后证实是镧-141-141），于同年），于同年5 5月将实验结果发表在科学院通讯上。月将实验结果发表在科学院通讯上。由于产生的放射性元素同铀和由于产生的放射性元素同铀和“超铀超铀”元素的差别太大，又没有意元素的差别太大，又没有意识到重核的分裂，于是放弃了实验。识到重核的分裂，于是放弃了实验。当时德国化学家当时
27、德国化学家哈恩哈恩及犹太血统的奥地利女化学家及犹太血统的奥地利女化学家迈特纳迈特纳(L.Meitner)(L.Meitner)也正在从事放射性研究。看到伊伦也正在从事放射性研究。看到伊伦-居里的文章后认居里的文章后认为他们一定是搞错了，于是立即重复了居里的实验，结果证实了为他们一定是搞错了，于是立即重复了居里的实验，结果证实了伊伦伊伦-居里和沙维奇的结果。亦即肯定在中子轰击重核时确有中居里和沙维奇的结果。亦即肯定在中子轰击重核时确有中间元素（镧和钡）产生。间元素（镧和钡）产生。19391939年年1 1月，德国自然科学杂志上月，德国自然科学杂志上发表了哈恩和斯特拉斯曼的实验结果。发表了哈恩和斯
28、特拉斯曼的实验结果。本讲稿第十七页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院18 哈恩写信将结果告诉为了避难正在斯德格尔摩诺贝尔研究所工作的哈恩写信将结果告诉为了避难正在斯德格尔摩诺贝尔研究所工作的迈特纳迈特纳。迈特纳和她的侄子。迈特纳和她的侄子弗里胥弗里胥(O.FrischO.Frisch，19341934年流亡国外，在年流亡国外，在玻尔理论物理研究所工作玻尔理论物理研究所工作)对哈恩的结果进行了讨论。弗里胥在玻尔对哈恩的结果进行了讨论。弗里胥在玻尔“液滴核模型液滴核模型”的启发下，想到：如果核被中子击中也许会以巨大的能量的启发下，想到：如果核被中子击中也许会以巨大的能量分
29、裂。分裂。几天后，弗里胥回到哥本哈根，将自己的想法告诉了几天后，弗里胥回到哥本哈根，将自己的想法告诉了玻尔玻尔。玻尔听了十分高兴，惊呼：玻尔听了十分高兴，惊呼：“正应该如此正应该如此”。于是弗里胥和迈特。于是弗里胥和迈特纳随即联名写文章，论证重核分裂的产生。纳随即联名写文章，论证重核分裂的产生。重核裂变的现象终于真相大白。重核裂变的现象终于真相大白。“裂变裂变(fission)(fission)”一词也由一词也由此产生。此产生。本讲稿第十八页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院19 重核裂变一经证实，人们立即转向由此可能释放的核能。许多重核裂变一经证实，人们立即转向由此
30、可能释放的核能。许多实验证实了理论预期的能量，但是实验证实了理论预期的能量，但是要利用这一巨大能量，必要条件要利用这一巨大能量，必要条件是有可能产生自持的链式反应。是有可能产生自持的链式反应。3.3.链式反应：链式反应：费米小组证明铀核每次裂变平均可产生费米小组证明铀核每次裂变平均可产生2 2个中子。他们选择铀个中子。他们选择铀235235与石墨做实验。并在军方的支持下开始了与石墨做实验。并在军方的支持下开始了曼哈顿工程。曼哈顿工程。约里奥和他的同事们首先提出了约里奥和他的同事们首先提出了“中子过剩中子过剩”问题：问题：轻核轻核中子中子和质子数近于相等，和质子数近于相等，中等核中等核中子数略多
31、，中子数略多，重核重核中子数比质子数中子数比质子数大的多。因此重核分裂成两个较轻核时，必然出现中子过剩。大的多。因此重核分裂成两个较轻核时，必然出现中子过剩。如果过剩的中子又去轰击重核，连锁反应即可发生。如果过剩的中子又去轰击重核，连锁反应即可发生。本讲稿第十九页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院20 1941年年12月开始，费米选择了芝加哥大学的一座运动场的看台下月开始，费米选择了芝加哥大学的一座运动场的看台下做为实验区，开始了核反应实验。但有两个问题需要解决，做为实验区，开始了核反应实验。但有两个问题需要解决，一是把中一是把中子减速为慢中子，子减速为慢中子，以提高
32、核裂变的效率；重水是很好的中子减速剂，以提高核裂变的效率；重水是很好的中子减速剂，但成本太高，普通水对中子减速太快，且有很强的吸收；最后选择石但成本太高，普通水对中子减速太快，且有很强的吸收；最后选择石墨作为中子减速剂。墨作为中子减速剂。二是严格控制核裂变的反应速度二是严格控制核裂变的反应速度。最后选择了。最后选择了镉来吸收中子，以控制核裂变速度。设计方案为镉来吸收中子，以控制核裂变速度。设计方案为 将反应堆作成立方点阵将反应堆作成立方点阵形式，铀层和石墨层间隔的布置在方阵中。形式，铀层和石墨层间隔的布置在方阵中。1942年年12月月1日反应堆砌好，并达到临界状态。次日抽出日反应堆砌好，并达到
33、临界状态。次日抽出控制用的镉棒，自持的链式反应产生了，得到的功率为控制用的镉棒，自持的链式反应产生了，得到的功率为0.5瓦。瓦。人类第一次实现了原子能的可控释放。为了保密，他们用暗语人类第一次实现了原子能的可控释放。为了保密，他们用暗语向美国国家保卫研究委员会主席通话说向美国国家保卫研究委员会主席通话说:“意大利航海家登上了意大利航海家登上了新大陆新大陆”。从此开始了原子能利用的新纪元。从此开始了原子能利用的新纪元。第一座原子反应堆第一座原子反应堆本讲稿第二十页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院21原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起 原子弹利用的是原
34、子弹利用的是没有催化剂且不加以控制没有催化剂且不加以控制的原子核裂变链的原子核裂变链式反应。美国动用了大量人力、物力，集结了世界大量的科学人才。式反应。美国动用了大量人力、物力，集结了世界大量的科学人才。19451945年年7 7月月1616日，日，在阿拉莫多哥沙漠，爆炸了第一颗原子弹。爆在阿拉莫多哥沙漠，爆炸了第一颗原子弹。爆炸产生了上千万度的高温，几百万个大气压，放置原子弹的钢塔顿时炸产生了上千万度的高温，几百万个大气压，放置原子弹的钢塔顿时化成了气体。化成了气体。杜鲁门政府决定用原子弹征服死不投降的日本。杜鲁门政府决定用原子弹征服死不投降的日本。19451945年年8 8月月6 6日日第
35、一枚原子弹投在广岛，第一枚原子弹投在广岛，8 8月月9 9日又在长崎投了日又在长崎投了第二颗，广岛死第二颗，广岛死78,15078,150人，长崎死人，长崎死23,70023,700人。人。原子弹原子弹 前苏联前苏联于于19491949年年2 2月月2222日，爆炸了第一颗原子弹。日，爆炸了第一颗原子弹。英国英国于于19521952年年1010月月3 3日、日、法国法国于于19601960年年2 2月月1313日、日、中国中国于于19641964年年1010月月1616日，分别爆炸了第一颗原子弹。日，分别爆炸了第一颗原子弹。本讲稿第二十一页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科
36、学学院22原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起氢弹氢弹 继原子弹后，又制造了继原子弹后，又制造了威慑能力更大的氢弹。我国威慑能力更大的氢弹。我国政府提出了不首先使用核武政府提出了不首先使用核武器倡议，并在器倡议，并在19961996年宣布停年宣布停止核试验。全世界现已拥有止核试验。全世界现已拥有核弹头核弹头5 5万多个，相当于广万多个，相当于广岛原子弹的岛原子弹的100100万倍。万倍。氢氢 弹弹本讲稿第二十二页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院231)原子能发电站原子能发电站 1954年年6月月27日，前苏联在莫斯科附近首先建成，现已有日，前苏联在莫
37、斯科附近首先建成，现已有40多个国家拥有多个国家拥有400多座核电站。核电站虽然一次性投资较大，多座核电站。核电站虽然一次性投资较大，但以后核电的成本低，比火电成本低但以后核电的成本低，比火电成本低30%左右，核电站还具有左右，核电站还具有由运行安全，环境污染小等优点，所以已经在美、法、日、德、由运行安全，环境污染小等优点，所以已经在美、法、日、德、俄等国广泛采用。俄等国广泛采用。原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起2)2)用于农业用于农业 螺旋虫曾在美国南部和墨西哥肆虐，能在家畜中产卵，害死家螺旋虫曾在美国南部和墨西哥肆虐，能在家畜中产卵，害死家畜。繁殖极快。美国以毒攻毒，将
38、螺旋虫用核辐射处理，使之无生育畜。繁殖极快。美国以毒攻毒，将螺旋虫用核辐射处理，使之无生育能力，但能交配，能力，但能交配，18个月内，每星期播放个月内，每星期播放5千万只这样的虫子，整个地千万只这样的虫子，整个地区螺旋虫被消灭。区螺旋虫被消灭。4.核能的应用核能的应用本讲稿第二十三页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院24本讲稿第二十四页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院25 安德逊安德逊(C.D.Anderson)：美国加州理工学院密立根教授的学生，：美国加州理工学院密立根教授的学生，1930年起负责用云室观测宇宙射线。云室置于磁场中。为了鉴
39、别宇宙射线年起负责用云室观测宇宙射线。云室置于磁场中。为了鉴别宇宙射线的性质，在云室中安有几块金属板，粒子穿过金属板，就可区别其能量。的性质，在云室中安有几块金属板，粒子穿过金属板，就可区别其能量。1932年年8月月2日，安德逊在照片中发现一条奇特的径迹，与电子的径日，安德逊在照片中发现一条奇特的径迹，与电子的径迹相似，却又具相反的方向，显示这是某种带正电的粒子。从曲率迹相似，却又具相反的方向，显示这是某种带正电的粒子。从曲率判断，又不可能是质子。于是他果断得出结论：这是带正电的判断，又不可能是质子。于是他果断得出结论：这是带正电的 电子。电子。安德逊因此获得安德逊因此获得1936年的饿诺贝尔
40、物理学奖。当时他并不了解狄年的饿诺贝尔物理学奖。当时他并不了解狄拉克的电子理论，也不知道狄拉克预言过正电子的存在。拉克的电子理论，也不知道狄拉克预言过正电子的存在。五五 正电子的发现正电子的发现 1928年，狄拉克从相对论和量子力学的一般原理出发，建立了相年，狄拉克从相对论和量子力学的一般原理出发，建立了相对论电子波动方程对论电子波动方程-狄拉克方程。但狄拉克方程有四个解，其中两狄拉克方程。但狄拉克方程有四个解，其中两个正解分别对应正能态的电子的两个自旋态。狄拉克预言，另两个解个正解分别对应正能态的电子的两个自旋态。狄拉克预言，另两个解应对应于电子负能态的应对应于电子负能态的“空穴空穴”-即反
41、电子。即反电子。本讲稿第二十五页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院261.1.中微子概念的提出：中微子概念的提出：中微子概念的提出，与原子核的中微子概念的提出，与原子核的衰变有直接联系。衰变有直接联系。1914 1914年查德威克证明年查德威克证明射线和射线和射线的能谱是分立的，在衰变射线的能谱是分立的，在衰变中发射的粒子所带走的能量正好与原子核初态末态的能量差相等。中发射的粒子所带走的能量正好与原子核初态末态的能量差相等。但是，但是，射线的能谱是连续的。也就是说，射线的能谱是连续的。也就是说，衰变发射出来衰变发射出来的电子能量从零到最大值都有分布。有些电子的能量竟会
42、小的电子能量从零到最大值都有分布。有些电子的能量竟会小于初态与终态的能量差。那部分能量哪去了？于初态与终态的能量差。那部分能量哪去了？六六 中微子的发现中微子的发现 1930 1930年泡利提出：年泡利提出：“只有假定在只有假定在衰变过程中，伴随每一衰变过程中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子（称之为中子）一起被发射出来，个电子有一个轻的中性粒子（称之为中子）一起被发射出来，使使“中子中子”和电子的能量之和为常数，才能解释连续和电子的能量之和为常数，才能解释连续谱。谱。”这里泡利指的这里泡利指的“中子中子”即是中微子。即是中微子。本讲稿第二十六页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与
43、电子科学学院27 费米接受了泡利的假说，并于费米接受了泡利的假说，并于19341934年提出弱相互作用的年提出弱相互作用的衰变理论。费米认为，正象光子在原子或原子核从一个激发态衰变理论。费米认为，正象光子在原子或原子核从一个激发态跃迁到另一个激发态时产生的那样，电子和中微子是在跃迁到另一个激发态时产生的那样，电子和中微子是在衰变衰变中产生的。中产生的。-衰变的本质是核内一个中子变为一个质子；衰变的本质是核内一个中子变为一个质子；+衰变是一个质子变为一个中子。质子和中子可以看作是一个核子的两个衰变是一个质子变为一个中子。质子和中子可以看作是一个核子的两个不同状态，因此质子和中子之间的转变，就相当
44、于一个量子态跃迁到另不同状态，因此质子和中子之间的转变，就相当于一个量子态跃迁到另一个量子态，在跃迁过程中同时放出电子和中微子。他们事先并不存在一个量子态，在跃迁过程中同时放出电子和中微子。他们事先并不存在于核内，导致产生光子的是电磁相互作用，导致产生电子和中微子的是于核内，导致产生光子的是电磁相互作用，导致产生电子和中微子的是一种新的相互作用一种新的相互作用弱相互作用。弱相互作用。+衰变就是约里奥衰变就是约里奥-居里夫妇发现的发居里夫妇发现的发射正电子的人工放射性。射正电子的人工放射性。本讲稿第二十七页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院282.2.中微子的间接验证：
45、中微子的间接验证：中微子不带电，只参与弱相互作用，且穿透能力极强，几乎可以不中微子不带电，只参与弱相互作用，且穿透能力极强，几乎可以不受任何阻碍的穿过地球，所以中微子的探测十分困难。受任何阻碍的穿过地球，所以中微子的探测十分困难。19411941年，我国年，我国物理学家物理学家王金昌王金昌首先提出了一个间接探测中微子的方法。首先提出了一个间接探测中微子的方法。他指出：他指出：“当一个当一个+放射性原子不是放射一个正电子，而是俘放射性原子不是放射一个正电子，而是俘获一个层电子时，反应后的原子的反冲能量和动量仅仅取决于所获一个层电子时，反应后的原子的反冲能量和动量仅仅取决于所放出的中微子。原子核外
46、电子的效应可以忽略不计。因此，只要测放出的中微子。原子核外电子的效应可以忽略不计。因此，只要测量反应后原子的反冲能量和动量，就很容易求得放射出的中微子的量反应后原子的反冲能量和动量，就很容易求得放射出的中微子的质量和能量。而且由于没有连续的质量和能量。而且由于没有连续的射线被放射出来，这种反冲效应射线被放射出来，这种反冲效应对所有的原子都是相同的。对所有的原子都是相同的。”19421942年，美国物理学家年，美国物理学家艾伦艾伦(J.S.Allen)(J.S.Allen)按上述方案进行了测量，按上述方案进行了测量，取得了肯定的结果，但未完全成功。取得了肯定的结果，但未完全成功。19521952
47、年又重新进行了实验，测出年又重新进行了实验，测出了原子的反冲能。了原子的反冲能。戴维斯戴维斯(R.Davis)(R.Davis)也成功地重复了艾伦也成功地重复了艾伦19421942年的实年的实验。验。这样，通过间接的实验证实了中微子的存在。这样，通过间接的实验证实了中微子的存在。本讲稿第二十八页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院293.3.中微子的直接检测：中微子的直接检测：在核反应中，中微子的发射数量级极大，通过对核裂变产物在核反应中，中微子的发射数量级极大，通过对核裂变产物的探测，有可能确证中微子的存在。的探测，有可能确证中微子的存在。19561956年，年，洛斯
48、洛斯阿拉莫斯实验阿拉莫斯实验室室的美国物理学家的美国物理学家柯恩柯恩(C.Cowan)(C.Cowan)和和莱因斯莱因斯(F.Reines)(F.Reines)首先在核反应首先在核反应堆中检测到。堆中检测到。他们设计了一个规模巨大的实验方案，他们研究他们设计了一个规模巨大的实验方案，他们研究下面反应过程：下面反应过程：通过探测出反应产物：正电子通过探测出反应产物：正电子e e+和中子和中子n n，并测出确切的反中微，并测出确切的反中微子与质子子与质子p p的反应截面，就可以证明反中微子的存在。通过艰苦的工作，的反应截面，就可以证明反中微子的存在。通过艰苦的工作，他们终于在他们终于在195619
49、56年宣布实验结果与理论预期相符。年宣布实验结果与理论预期相符。本讲稿第二十九页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院304.4.中微子的研究进展：中微子的研究进展：19621962年年，美美国国的的施施瓦瓦茨茨(M.Schwartz)(M.Schwartz)等等人人通通过过加加速速器器进进行行实实验验，又又证证实实了了两两种种不不同同的的中中微微子子e e；7070年年代代中中期期，美美国国的的佩佩尔尔(M.L.Perl)(M.L.Perl)小小组组在在APEARAPEAR的的正正负负电电子子对对撞撞机机中中又又发发现现了了另另外外两两种中微子种中微子和反和反。至此，中
50、微子就有了六个且只有六个：。至此，中微子就有了六个且只有六个：本讲稿第三十页，共五十三页2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院31 到到目目前前为为止止，中中微微子子质质量量的的测测量量仍仍在在继继续续中中，但但实实验验检检测测只只能能减减小小中中微子质量的上限，如目前已经测量到：微子质量的上限，如目前已经测量到：对中微子的质量是否为零，一直存在质疑，原因有两个方面：对中微子的质量是否为零，一直存在质疑，原因有两个方面：若若中中微微子子的的质质量量不不为为零零，存存在在中中微微子子振振荡荡，则则太太阳阳中中微微子子失失踪之谜就揭开了；踪之谜就揭开了；有有关关暗暗物物质质问问题题。天天