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1、原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起前言前言原原子子核核物物理理学学是是探探讨讨核核的的性性质质、结结构构和和变变更更规规律律、以以及及核核能能、核核技技术术应应用用等等有有关关物物理理问问题题的的学科，简称核物理，属于当代物理学的前沿。学科，简称核物理，属于当代物理学的前沿。粒粒子子物物理理(高高能能物物理理)是是探探讨讨场场和和粒粒子子的的性性质质、运运动动、相相互互作作用用和和相相互互转转化化规规律律的的学学科科，也也是是探探讨讨粒粒子子内内部部结结构构规规律律的的学学科科，是是当当代代物物理理学学发展的前沿。发展的前沿。原子核物理学及粒子物理的工作原子核物理学及粒子物理
2、的工作1.试试验验探探讨讨:主主要要是是通通过过高高能能粒粒子子的的相相互互碰碰撞撞，用用试试验验手手段段发发 现现新新粒粒子子。到到目目前前已已经经发发觉觉了了300多种。多种。接接受受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、计算机和数据处理系统。计算机和数据处理系统。2.理理论论基基础础是是量量子子场场论论，是是说说明明微微观观现现象象的的基基本理论。本理论。1一一 人工核反应的实现及质子的发觉人工核反应的实现及质子的发觉 1914年年卢卢瑟瑟福福的的学学生生马马斯斯登登在在视视察察粒粒子子在在空空气气中中的的射射程程时时留留意意到到，粒粒子子在在空空气气中中的的
3、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索索，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，因因此此氢氢离离子子被被撞撞击击后后速度要大很多。速度要大很多。在在上上述述现现象象启启发发下下，从从1917年年起起先先，卢卢瑟瑟福福进进行行了了粒粒子子轰轰击击氮氮原原子子核核的的试试验验。装装置置如如右右图图。A为为射射线线源源，可可前前后后移移动动，利利用用显显微微镜镜M视察透过窗口视察透过窗口F在荧光屏在
4、荧光屏S上的闪烁。上的闪烁。当当从从阀阀T充充入入氮氮气气，放放射射源源A距距视视察察屏屏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；当充入氧气时却没有这种现象。当充入氧气时却没有这种现象。2卢瑟福经过反复试验，最终判定是氮原子在卢瑟福经过反复试验，最终判定是氮原子在粒子的轰击下发粒子的轰击下发生了核嬗变：从氮核中释放出了氢核（质子）。生了核嬗变：从氮核中释放出了氢核（质子）。1919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：14N7+4He217O8+1H1为
5、了进一步了解被轰击出的粒子的性质，在试验装置里加进磁为了进一步了解被轰击出的粒子的性质，在试验装置里加进磁场和电场，依据粒子在其中的偏转，测出它的质量和电荷，从场和电场，依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而确定了该离子就是氢原子核-质子。质子。后来英国卡文迪什试验室的布拉凯特在充溢氮的云室里做后来英国卡文迪什试验室的布拉凯特在充溢氮的云室里做了了粒子轰击氮核的试验，并拍摄了两万多张云室的照片，最粒子轰击氮核的试验，并拍摄了两万多张云室的照片，最终从终从40多万条多万条粒子径迹中发觉有粒子径迹中发觉有8条产生了分叉。从而证明条产生了分叉。从而证明了人工核反应的
6、实现和质子的产生。了人工核反应的实现和质子的产生。1921年年卢卢瑟瑟福福和和查查德德威威克克(J.Chadwick)发发觉觉硼硼、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，可见质子是原子核的组成部分。可见质子是原子核的组成部分。3二二 中子中子n的发觉的发觉1.卢瑟福的预言：质子发觉以后，人们认为原卢瑟福的预言：质子发觉以后，人们认为原子核是由电子和质子组成，即质子子核是由电子和质子组成，即质子-电子核模型。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但是这个模型存在着电子在核内的存在状态问题，并且
7、与量子力学中多体统计及自旋理论相题，并且与量子力学中多体统计及自旋理论相冲突。为了说明电子为什么能够稳定的存在于冲突。为了说明电子为什么能够稳定的存在于核内，卢瑟福提出，可以把质子和电子作为一核内，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。个复合体，看成是一个单独的中性粒子。1920年年6月，卢瑟福预言：原子核内可能存月，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。在着质量与质子质量相同的中性粒子。1921年年美国化学家哈金斯将它命名为美国化学家哈金斯将它命名为“中子中子”。2.中子发觉的前奏：中子发觉的前奏：1930年德国物理学家博特年德国物理学家
8、博特(W.G.F.Bothe)与贝克尔与贝克尔(H.Becher)用自然放射用自然放射性元素性元素Po放出的放出的粒子轰击铍粒子轰击铍 Be，发觉从铍放，发觉从铍放射出一种穿透实力极强的射线。且这种射线在射出一种穿透实力极强的射线。且这种射线在磁场和电场中都不会发生偏转。人们认为是高磁场和电场中都不会发生偏转。人们认为是高能量的能量的射线。射线。4 1932年年1月，法国物理学家约里奥月，法国物理学家约里奥-居里夫妇重复了博特和贝居里夫妇重复了博特和贝克尔的试验，并用这种新射线轰击石蜡，结果从石蜡中打出大克尔的试验，并用这种新射线轰击石蜡，结果从石蜡中打出大量质子来。约里奥量质子来。约里奥-居
9、里夫妇把这种现象当成是一种强居里夫妇把这种现象当成是一种强射线造射线造成的成的“康普顿效应康普顿效应”。错失发觉中子的良机。错失发觉中子的良机。3.查德威克的发觉：查德威克当时正在卡文迪什试验室作放射查德威克的发觉：查德威克当时正在卡文迪什试验室作放射性探讨。对于约里奥性探讨。对于约里奥-居里夫妇的试验，他不赞同他们的说明。居里夫妇的试验，他不赞同他们的说明。他用这种射线先后照射轻重不同的几种元素，发觉这种射线与他用这种射线先后照射轻重不同的几种元素，发觉这种射线与通常的通常的射线性质有所不同：通常射线性质有所不同：通常射线照射到物质上时，物质射线照射到物质上时，物质密度越大，对密度越大，对射
10、线的吸取越厉害，而这种射线刚好相反。且射线的吸取越厉害，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确定质量的中性粒子流。通过对反冲核的动量测定，再利用动确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，确定出这种射线中性粒子的质量几乎和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。于是查德威克意识到这就是卢瑟福曾经预言的质子相同。于是查德威克意识到这就是卢瑟福曾经预言的“中中子子”。于是在。于是在1932年的年的Nature上发表了中子可能存在上发表了中子可能存在的
11、论文。的论文。54.意义意义1）建立了原子核的正）建立了原子核的正确模型。确模型。2）引起了一些新的探）引起了一些新的探讨课题。讨课题。3）由于中子不带电，）由于中子不带电，因此就使人们在核物理因此就使人们在核物理的探讨中，拥有了一颗的探讨中，拥有了一颗威力无比的炮弹，人们威力无比的炮弹，人们利用它打开了核能仓库，利用它打开了核能仓库，昂首迈入原子能时代昂首迈入原子能时代!查德威克的成功，是查德威克的成功，是他能够将理论预言与试他能够将理论预言与试验现象亲密结合，抓住验现象亲密结合，抓住机遇的结果。机遇的结果。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像像6伊伊伦伦娜
12、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7三三 人工放射性的发觉人工放射性的发觉 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粒子轰击铝，发觉撤走放射源后，还可检测到放射性。击铝，发觉撤走放射源后，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的放射性同位素磷-30，即，即 27Al13+4He230P15+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:30P1530Si14+0e1 他们又用他们又用粒子轰击硼和镁，得到放射性同粒
13、子轰击硼和镁，得到放射性同位素氮和硅。这样约里奥位素氮和硅。这样约里奥-居里夫妇因人工放射居里夫妇因人工放射性的发觉而获得性的发觉而获得1935年诺贝尔化学奖。也为核年诺贝尔化学奖。也为核物理的探讨及原子能利用开拓了道路。物理的探讨及原子能利用开拓了道路。后来人们发觉，用后来人们发觉，用粒子轰击轻元素能够得粒子轰击轻元素能够得到放射性同位素，但用到放射性同位素，但用粒子轰击重元素，则粒子轰击重元素，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大，与素原子核所带正电荷较大，与粒子的库仑斥粒子的库仑斥力很难让力很难让粒子产生轰击效果。所以他
14、选用中粒子产生轰击效果。所以他选用中子作试验，尽管中子的产额很少（核反应放出子作试验，尽管中子的产额很少（核反应放出的中子一般少于的中子一般少于10-4），但由于它不必克服库），但由于它不必克服库仑势垒，所以与原子核撞击的机会比仑势垒，所以与原子核撞击的机会比粒子或粒子或质子大得多。质子大得多。8四四 慢中子效应和核裂变的发觉慢中子效应和核裂变的发觉1.慢中子效应的发觉：慢中子效应的发觉：1934年年10月，费米小组月，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，他们发在一个银制的圆筒里，对银进行辐射，他们发觉银的放
15、射性随中子源的位置而变更，由于铅觉银的放射性随中子源的位置而变更，由于铅是重金属，费米建议他们用轻元素材料，如石是重金属，费米建议他们用轻元素材料，如石蜡，于是他们把大块石蜡挖了个洞，将中子源蜡，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放入，然后辐照银圆筒，结果银的放射性增加了了100倍。再放到水下做试验，证明水也有类倍。再放到水下做试验，证明水也有类似作用。费米经过分析，认为：由于石蜡中大似作用。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。慢中子经过银后速度大大
16、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原子核的时间变长了，因此增加了中子被俘获的机会。因为慢中子大大增加了轰击的效果，的机会。因为慢中子大大增加了轰击的效果，所以慢中子及其作用的发觉为重核裂变的发觉所以慢中子及其作用的发觉为重核裂变的发觉打下了基础。因此，人们将慢中子及其效应的打下了基础。因此，人们将慢中子及其效应的发觉看作是发觉看作是“核时代的起点核时代的起点”。费米简介：美籍意大利物理学家，费米简介：美籍意大利物理学家，1901年年9月月29日诞生于意大利罗马。日诞生于意大利罗马。17岁时进入比萨高校，岁时进入比萨高校，毕业时，他以毕业时，他以X射线的专题论
17、文获得博士学位。射线的专题论文获得博士学位。之后赴德国格丁根高校，拜玻恩为师，之后赴德国格丁根高校，拜玻恩为师，19249 1934年，用中子轰击了年，用中子轰击了63种元素，种元素，得到了得到了37种放射性同位素。在试验种放射性同位素。在试验中，发觉了慢中子及其效应。在用中，发觉了慢中子及其效应。在用慢中子轰击原子核的反应中，他又慢中子轰击原子核的反应中，他又发觉可生成新的元素。费米因利用发觉可生成新的元素。费米因利用慢中子轰击原子核引起有关核反应慢中子轰击原子核引起有关核反应和利用中子辐射发觉新的放射性元和利用中子辐射发觉新的放射性元素，获得了素，获得了1938年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物
18、理学奖。由于受法西斯迫害，借领诺贝尔奖由于受法西斯迫害，借领诺贝尔奖之机，携家移居美国，在哥伦比亚之机，携家移居美国，在哥伦比亚高校任教。高校任教。在获奖之后，费米与一些科学在获奖之后，费米与一些科学家们在核裂变的链式反应探讨中，家们在核裂变的链式反应探讨中，同时预见到制造原子武器的危急。同时预见到制造原子武器的危急。年回意大利佛罗伦萨高校任教，并因在理论物理学方面的贡献年回意大利佛罗伦萨高校任教，并因在理论物理学方面的贡献引起世界范围的留意。引起世界范围的留意。19261926年，任罗马高校理论物理学教授，年，任罗马高校理论物理学教授，19271927年提出费米年提出费米-狄拉克统计理论，狄
19、拉克统计理论，19331933年提出年提出衰变理论。衰变理论。10当时德国的核裂变也已试验成功，他们特别担忧德国首先用以当时德国的核裂变也已试验成功，他们特别担忧德国首先用以制造原子弹，而美国的政界、军界却反应迟钝。于是，费米、制造原子弹，而美国的政界、军界却反应迟钝。于是，费米、西拉德等科学家于西拉德等科学家于1939年年8月一起找到了爱因斯坦，要求借助月一起找到了爱因斯坦，要求借助他的威望上书美国总统罗斯福，提示政府要切实留意德国的动他的威望上书美国总统罗斯福，提示政府要切实留意德国的动向和已出现的危急，建议尽一切力气要赶在德国纳粹分子之前向和已出现的危急，建议尽一切力气要赶在德国纳粹分子
20、之前造出原子弹，以歼灭法西斯。上书信于造出原子弹，以歼灭法西斯。上书信于10月月11日转到罗斯福手日转到罗斯福手中，他马上下令成立铀矿顾问委员会，并拨了探讨经费，中，他马上下令成立铀矿顾问委员会，并拨了探讨经费，1941年年12月月6日，日本偷袭珍宝港的前一天批准了制造原子弹的浩日，日本偷袭珍宝港的前一天批准了制造原子弹的浩大工程支配。为保密而取名大工程支配。为保密而取名“曼哈顿支配曼哈顿支配”。1942年年12月月2日，以费米为首的一批美国科学家建立了第日，以费米为首的一批美国科学家建立了第一座原子反应堆，人们利用原子能的时代从今起先。一座原子反应堆，人们利用原子能的时代从今起先。1954年
21、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。为纪念他，第岁。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。112.2.核裂变的发觉：核裂变的发觉：1934 1934年，当费米小组用中子轰击铀年，当费米小组用中子轰击铀23892U23892U时，得时，得到了半衰期为到了半衰期为1313分钟的一种放射性产物。经分析它不分钟的一种放射性产物。经分析它不属于铅属于铅-铀之间的重元素。铀之间的重元素。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于上发表了一篇短文原子序数高于9292的
22、元的元素可能生成，报道了可能是一种素可能生成，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，人们又接连年里，人们又接连“发觉发觉”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。其实，这就是最新元素。其实，这就是最早出现的重核裂变现象。早出现的重核裂变现象。在在“超铀超铀”元素的的探讨中，德国和法国的科学元素的的探讨中，德国和法国的科学家依据已知核反应规律，认为：当中子轰击原子核时，家依据已知核反应规律，认为：当中子轰击原子核时，原子序数将增原子序数将增1 1，产生一新元素。但德国女化学家诺，产生一新元素。但德国女化学家诺达
23、克夫人达克夫人(T.Noddack)(T.Noddack)却提出不同看法，她认为：却提出不同看法，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的近邻”。但这一观点没有引起费米等人的留意，甚。但这一观点没有引起费米等人的留意，甚至当时的放射性权威哈恩认为诺达克夫人的观点至当时的放射性权威哈恩认为诺达克夫人的观点“纯纯粹是谬论粹是谬论”。12 1938 1938年，伊伦年，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.Savitch)
24、(P.Savitch)进行进行了有关了有关“超铀超铀”元素的分别和分析试验。他们用中子轰击铀，元素的分别和分析试验。他们用中子轰击铀，产生了半衰期为产生了半衰期为3.53.5小时的放射性元素，其性质接近镧（镧原小时的放射性元素，其性质接近镧（镧原子序数为子序数为5757，后证明是镧，后证明是镧-141-141），于同年），于同年5 5月将试验结果发表月将试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在科学院通讯上。由于产生的放射性元素同铀和“超铀超铀”元素的差别太大，又没有意识到重核的分裂，于是放弃了试验。元素的差别太大，又没有意识到重核的分裂，于是放弃了试验。当时德国化学家哈恩及犹太
25、血统的奥地利女化学家迈特纳当时德国化学家哈恩及犹太血统的奥地利女化学家迈特纳(L.Meitner)(L.Meitner)也正在从事放射性探讨。看到伊伦也正在从事放射性探讨。看到伊伦-居里的文章后居里的文章后认为他们确定是搞错了，于是马上重复了居里的试验，结果证认为他们确定是搞错了，于是马上重复了居里的试验，结果证明白伊伦明白伊伦-居里和沙维奇的结果。亦即确定在中子轰击重核时居里和沙维奇的结果。亦即确定在中子轰击重核时确有中间元素（镧和钡）产生。确有中间元素（镧和钡）产生。19391939年年1 1月，德国自然科学月，德国自然科学杂志上发表了哈恩和斯特拉斯曼的试验结果。杂志上发表了哈恩和斯特拉斯
26、曼的试验结果。哈恩写信将结果告知为了避难正在斯德格尔摩诺贝尔探讨哈恩写信将结果告知为了避难正在斯德格尔摩诺贝尔探讨所工作的迈特纳。迈特纳和她的侄子弗里胥所工作的迈特纳。迈特纳和她的侄子弗里胥(O.Frisch(O.Frisch，19341934年流亡国外，在玻尔理论物理探讨所工作年流亡国外，在玻尔理论物理探讨所工作)对哈恩的结果进行对哈恩的结果进行了探讨。弗里胥在玻尔了探讨。弗里胥在玻尔“液滴核模型液滴核模型”的启发下，想到：假如的启发下，想到：假如核被中子击中核被中子击中13或许会以巨大的能量分裂。几天后，弗里胥回到哥本哈根，将或许会以巨大的能量分裂。几天后，弗里胥回到哥本哈根，将自己的想法
27、告知了玻尔。玻尔听了特别兴奋，惊呼：自己的想法告知了玻尔。玻尔听了特别兴奋，惊呼：“正应当正应当如此如此”。于是弗里胥和迈特纳随即联名写文章，论证重核分裂。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。重核裂变的现象最终真相大白。的产生。重核裂变的现象最终真相大白。“裂变裂变(fission)”一词一词也由此产生。也由此产生。3.链式反应：重核裂变一经证明，人们马上转向由此可能释放链式反应：重核裂变一经证明，人们马上转向由此可能释放的核能。很多试验证明白理论预期的能量，但是要利用这一巨的核能。很多试验证明白理论预期的能量，但是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。大能
28、量，必要条件是有可能产生自持的链式反应。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：轻核中子问题：轻核中子和质子数近于相等，中等核中子数略多，重核中子数比质子数和质子数近于相等，中等核中子数略多，重核中子数比质子数大的多。因此重核分裂成两个较轻核时，必定出现中子过剩。大的多。因此重核分裂成两个较轻核时，必定出现中子过剩。假如过剩的中子又去轰击重核，连锁反应即可发生。假如过剩的中子又去轰击重核，连锁反应即可发生。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个中子。他们选择铀个中子。他们选择铀235核石墨做试验。并在军方的支持下起先了
29、曼哈顿工程。核石墨做试验。并在军方的支持下起先了曼哈顿工程。14第一座原子反应堆第一座原子反应堆 1941年年12月起先，费米选择了芝加哥高校的一座月起先，费米选择了芝加哥高校的一座运动场的看台下做为试验区，起先了核反应试验。但运动场的看台下做为试验区，起先了核反应试验。但有两个问题须要解决，一是把中子减速为慢中子，以有两个问题须要解决，一是把中子减速为慢中子，以提高核裂变的效率；重水是很好的中子减速剂，但成提高核裂变的效率；重水是很好的中子减速剂，但成本太高，一般水对中子减速太快，且有很强的吸取；本太高，一般水对中子减速太快，且有很强的吸取；最终选择石墨作为中子减速剂。二是严格限制核裂变最终
30、选择石墨作为中子减速剂。二是严格限制核裂变的反应速度。最终选择了镉来吸取中子，以限制核裂的反应速度。最终选择了镉来吸取中子，以限制核裂变速度。设计方案为将反应堆作成立方点阵形式，铀变速度。设计方案为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。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。日反应堆砌好，并达到临界状态。次日抽出限制用的镉棒，自持的链式反应产生了，得次日抽出限制用的镉棒，自持的链式反应产生了，得到的功率为到的功率为0.5瓦。人类第一次实现了原子能的可控释瓦。人类第一次实现了原子能的可控释放。为了保密，他们用暗语向美国国家保卫探讨委员
31、放。为了保密，他们用暗语向美国国家保卫探讨委员会主席通话说会主席通话说:“意大利航海家登上了新大陆意大利航海家登上了新大陆”。从今。从今起先了原子能利用的新纪元。起先了原子能利用的新纪元。15原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起原子弹原子弹 原子弹利用的是没有催化剂且不加以限制的原子核原子弹利用的是没有催化剂且不加以限制的原子核裂变链式反应。美国动用了大量人力、物力，集结了裂变链式反应。美国动用了大量人力、物力，集结了世界大量的科学人才。世界大量的科学人才。1945年年7月月16日，在阿拉莫多哥沙漠，爆炸了第一日，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，
32、几百万个大颗原子弹。爆炸产生了上千万度的高温，几百万个大气压，放置原子弹的钢塔忽然化成了气体。气压，放置原子弹的钢塔忽然化成了气体。被炸后的广岛被炸后的广岛 杜鲁门政府确定用原子弹杜鲁门政府确定用原子弹折服死不倒戈的日本。折服死不倒戈的日本。1945 1945年年8 8月月6 6日第一枚原子日第一枚原子弹投在广岛，弹投在广岛，8 8月月9 9日又在长崎日又在长崎投了其次颗，广岛死投了其次颗，广岛死78,15078,150人，人，长崎死长崎死23,70023,700人。人。16原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起氢弹氢弹 前苏联于前苏联于19491949年年2 2月月2222日，
33、爆炸了第一颗原子弹。日，爆炸了第一颗原子弹。英国于英国于19521952年年1010月月3 3日、法国于日、法国于19601960年年2 2月月1313日、中国日、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。氢弹氢弹 继原子弹后，又继原子弹后，又制造了威慑实力更大制造了威慑实力更大的氢弹。我国政府提的氢弹。我国政府提出了不首先运用核武出了不首先运用核武器倡议，并在器倡议，并在19961996年年宣布停止核试验。全宣布停止核试验。全世界现已拥有核弹头世界现已拥有核弹头5 5万多个，相当于广岛万多个，相当于广岛原子弹的原子弹的100100
34、万倍。万倍。174.核能的应用核能的应用1)原子能发电站原子能发电站 1954年年6月月27日，前苏联在莫斯科旁边首日，前苏联在莫斯科旁边首先建成，现已有先建成，现已有40多个国家拥有多个国家拥有400多座核电多座核电站。核电站虽然一次性投资较大，但以后核站。核电站虽然一次性投资较大，但以后核电的成本低，比火电成本低电的成本低，比火电成本低30%左右，核电左右，核电站还具有由运行平安，环境污染小等优点，站还具有由运行平安，环境污染小等优点，所以已经在美、法、日、德、俄等国广泛接所以已经在美、法、日、德、俄等国广泛接受。受。2)用于农业用于农业 螺旋虫曾在美国南部和墨西哥肆虐，能螺旋虫曾在美国南
35、部和墨西哥肆虐，能在家畜中产卵，害死家畜。繁殖极快。美国在家畜中产卵，害死家畜。繁殖极快。美国以毒攻毒，将螺旋虫用核辐射处理，使之无以毒攻毒，将螺旋虫用核辐射处理，使之无生育实力，但能交配，生育实力，但能交配，18个月内，每星期播个月内，每星期播放放5千万只这样的虫子，整个地区螺旋虫被歼千万只这样的虫子，整个地区螺旋虫被歼灭。灭。原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起18原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起5.核物理的发展核物理的发展 一方面表现为向凝合态物理、天体物理和核技一方面表现为向凝合态物理、天体物理和核技术应用发展，另一方面为核物理自身的发展，对核术应用
36、发展，另一方面为核物理自身的发展，对核的探讨，已从低激发态到探讨高激发态和高自旋态，的探讨，已从低激发态到探讨高激发态和高自旋态，核物理学的发展和应用照旧有着广袤的前景。核物理学的发展和应用照旧有着广袤的前景。1920五五 正电子的发觉正电子的发觉 安德逊安德逊(C.D.Anderson)：美国加州理工学院：美国加州理工学院密立根教授的学生，密立根教授的学生，1930年起负责用云室观测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，就可区分其能量。过金属板
37、，就可区分其能量。1932年年8月月2日，日，安德逊在照片中发觉一条奇妙的径迹，与电子安德逊在照片中发觉一条奇妙的径迹，与电子的径迹相像，却又具相反的方向，显示这是某的径迹相像，却又具相反的方向，显示这是某种带正电的粒子。从曲率推断，又不行能是质种带正电的粒子。从曲率推断，又不行能是质子。于是他坚决得出结论：这是带正电的子。于是他坚决得出结论：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年的饿诺贝尔物理学奖。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。狄拉克预言过正电子的存在。1928年，狄拉
38、克从相对论和量子力学的一年，狄拉克从相对论和量子力学的一般原理动身，建立了相对论电子波动方程般原理动身，建立了相对论电子波动方程-狄狄拉克方程。但狄拉克方程有四个解，其中两个拉克方程。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拉克预言，另两个解应对应于电子负能态的“空穴空穴”-即反电子。即反电子。21六六 中微子的发觉中微子的发觉1.中微子概念的提出：中微子概念的提出，与中微子概念的提出：中微子概念的提出，与原子核的原子核的衰变有干脆联系。衰变有干脆联系。1914年查德威克年查德威克证明证
39、明射线和射线和射线德能谱是分立的，在衰变中射线德能谱是分立的，在衰变中放射德粒子所带走德能量正好与原子核初态末放射德粒子所带走德能量正好与原子核初态末态的能量差相等。然而，态的能量差相等。然而，射线的能谱是连续射线的能谱是连续的。也就是说，的。也就是说，衰变放射出来的电子能量从衰变放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小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？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，衰变过程中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子（称之为伴随每一个电子有一个
40、轻的中性粒子（称之为中子）一起被放射出来，使中子和电子的能量中子）一起被放射出来，使中子和电子的能量之和为常数，才能说明连续之和为常数，才能说明连续谱。谱。”这里泡利指这里泡利指的中子即是中微子。的中子即是中微子。费米接受了泡利的假说，并于费米接受了泡利的假说，并于1934年提出弱年提出弱相互作用的相互作用的衰变理论。费米认为，正象光子衰变理论。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衰变的本质是核内一个中子变为
41、一个质子；一个质子；22+衰变是一个质子变为一个中子。质子和中子可以看作是一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。他们事先并不存在于核内，导致产生光子的是电子和中微子。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一种新的相互作用磁相互作用，导致产生电子和中微子的是一种新的相互作用弱相互作用。弱相互作用。+衰变就是约里奥衰变就
42、是约里奥-居里夫妇发觉的放射正电子的人工放居里夫妇发觉的放射正电子的人工放射性。射性。同年，维克同年，维克(G.C.Wick)(G.C.Wick)指出，在费米理论的相互作用里，指出，在费米理论的相互作用里，允许原子核里发生如下过程：允许原子核里发生如下过程：Pn+e+e Pn+e+e；他还预言可能会；他还预言可能会有轨道电子的俘获过程，这个过程于有轨道电子的俘获过程，这个过程于19381938年被阿尔瓦雷兹年被阿尔瓦雷兹(L.W.Alvarez)(L.W.Alvarez)视察到。视察到。2.2.中微子的间接验证：中微子不带电，只参与弱相互作用，且中微子的间接验证：中微子不带电，只参与弱相互作用
43、，且穿透实力极强，几乎可以不受任何阻碍的穿过地球，所以中微穿透实力极强，几乎可以不受任何阻碍的穿过地球，所以中微子的探测特别困难。子的探测特别困难。19411941年，我国物理学家王金昌首先提出了年，我国物理学家王金昌首先提出了一个间接探测中微子的方法。一个间接探测中微子的方法。23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放出的中微子。原子核外电子的效应可以忽视不计。因决于所放出的中微子。原子核外电子的效应可以忽视不计。因此，
44、只要测量反应后原子的反冲能量和动量，就很简洁求得放此，只要测量反应后原子的反冲能量和动量，就很简洁求得放射出的中微子的质量和能量。而且由于没有连续的射出的中微子的质量和能量。而且由于没有连续的射线被放射线被放射出来，这种反冲效应对全部的原子都是相同的。射出来，这种反冲效应对全部的原子都是相同的。”19421942年，美国物理学家艾伦年，美国物理学家艾伦(J.S.Allen)(J.S.Allen)按上述方案进行按上述方案进行了测量，取得了确定的结果，但未完全成功。了测量，取得了确定的结果，但未完全成功。19521952年又重新进年又重新进行了试验，测出了原子的反冲能。带维斯行了试验，测出了原子的
45、反冲能。带维斯(R.Davis)(R.Davis)也成功地也成功地重复了艾伦重复了艾伦19421942年的试验。年的试验。这样，通过间接的试验证明白中微子的存在。这样，通过间接的试验证明白中微子的存在。3.3.中微子的干脆检测：在核反应中，中微子的放射数量级极大，中微子的干脆检测：在核反应中，中微子的放射数量级极大，通过对核裂变产物的探测，有可能确证中微子的存在。通过对核裂变产物的探测，有可能确证中微子的存在。19561956年，年，洛斯洛斯阿拉莫斯试验室的美国物理学家柯恩阿拉莫斯试验室的美国物理学家柯恩(C.Cowan)(C.Cowan)核莱因核莱因斯斯(F.Reines)(F.Reines
46、)首先在核反应堆中检测到。首先在核反应堆中检测到。24他们设计了一个规模巨大的试验方案，他们探讨下面反应过程他们设计了一个规模巨大的试验方案，他们探讨下面反应过程通通过过探探测测出出反反应应产产物物：正正电电子子e+e+和和中中子子n n，并并测测出出准准确确的的反反中中微微子子与与质质子子p p的的反反应应截截面面，就就可可以以证证明明反反中中微微子子的的存存在在。通通过过艰艰苦的工作，他们最终在苦的工作，他们最终在19561956年宣布试验结果与理论预期相符。年宣布试验结果与理论预期相符。4.4.中中微微子子的的探探讨讨进进展展：19621962年年，美美国国的的施施瓦瓦茨茨(M.Schw
47、artz)(M.Schwartz)等等人人通通过过加加速速器器进进行行试试验验，又又证证明明白白两两种种不不同同的的中中微微子子ee；7070年年头头中中期期，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觉觉了了另另外外两两种种中中微微子子和和反反。至至此此，中中微微子就有了六个且只有六个：子就有了六个且只有六个：。5.5.中中微微子子的的质质量量：对对中中微微子子的的质质量量是是否否为为零零，始始终终存存在在质质疑疑，缘缘由由有有两两个个方方面面：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
48、微微子子振振荡荡，则则太太阳阳中中微微子子失失踪踪之之谜谜就就揭揭开开了了；有有关关暗暗物物质质问问题题。天天体体当当中有些物质看不见，但存在，称为暗物质。暗物质是什么中有些物质看不见，但存在，称为暗物质。暗物质是什么?25可可能能是是黑黑洞洞、死死星星、宇宇宙宙尘尘埃埃或或某某种种气气体体等等，已已经经知知道道暗暗物物质质不不是是由由重重子子组组成成，若若中中微微子子质质量量不不为为零零，则则可可能能中中微微子子是是其其组组成成之之一一。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接接着着中中，但但试试验验检测只能减小中微子质量的上限，如目前已经测量到：检测只能减小中微子质
49、量的上限，如目前已经测量到：26七七 介子理论的建立介子理论的建立 在原子核性质的探讨过程中，人们渐渐明在原子核性质的探讨过程中，人们渐渐明确了核力与核子是否带电无关，核子之间的相确了核力与核子是否带电无关，核子之间的相互作用是一种短程力，其作用范围约为互作用是一种短程力，其作用范围约为10-13厘厘米。这种力远比电荷间的电磁相互作用强大，米。这种力远比电荷间的电磁相互作用强大，因此不能简洁的归结为电磁相互作用，而是一因此不能简洁的归结为电磁相互作用，而是一种强相互作用。种强相互作用。1.汤川的预言：汤川的预言：1935年，日本物理学家汤川秀年，日本物理学家汤川秀树树(H.Yukawa)提出介
50、子理论，用于说明强相互提出介子理论，用于说明强相互作用。他认为，核子之间是通过交换一种可称作用。他认为，核子之间是通过交换一种可称为介子为介子(meson)的粒子发生相互作用。并依据核的粒子发生相互作用。并依据核力的作用范围，估算出介子的静止质量约为电力的作用范围，估算出介子的静止质量约为电子的二百多倍。子的二百多倍。1949年获得诺贝尔物理学奖。年获得诺贝尔物理学奖。2.介子的发觉：介子的发觉：1937年安德森核尼德迈耶年安德森核尼德迈耶(S.H.Neddemeyer)在宇宙射线的探讨中发觉了在宇宙射线的探讨中发觉了质量约为电子的质量约为电子的207倍的新粒子，称为倍的新粒子，称为介子。介子