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1、第十章 原子核及粒子物理学的发展1第一页，本课件共有49页原原 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、核核技技术术应应用用等等有有关关物物理理问问题题的的学学科科，简简称称核核物物理理，属属于于当当代代物物理学的前沿。理学的前沿。粒粒子子物物理理 (高高能能物物理理)是是研研究究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，也也是是研研究究粒粒子子内内部部结结构构规规律律的的学学科科，是是当代物理学发展的前沿。当代物理学发展的
2、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的工作1.1.实实验验研研究究: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，用用实实验验手手段段发发 现现新新粒子。到目前已经发现了粒子。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。2.2.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，是解释微观现象的基本理论。2第二页，本课件共有49页一一 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 1914年年卢卢瑟瑟福福的的学学生生马马斯斯
3、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。在在上上述述现现象象启启发发下下，从从1917年年开开始始，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实实验验。装装置置如如右右图图。A
4、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观察透过窗口观察透过窗口F在荧光屏在荧光屏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却没有这种现象。时却没有这种现象。3第三页，本课件共有49页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
5、，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原子核该离子就是氢原子核-质子。质子。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了在充满氮的云室里做了粒粒子轰击氮核的实验，并拍摄了两万多张云室的照片，终于从子轰击氮核的实验，并拍摄了两万多张云室
6、的照片，终于从40多多万条万条粒子径迹中发现有粒子径迹中发现有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原子核的组成部分。是原子核的组成部分。4第四页，本课件共有49页二二 中子中子n的发现的发现1.1.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质子发现以后，人们认为原子核
7、是由电子和质子组成，即质子成，即质子-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。为了解释电子问题，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，可以把质子和电子作为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个复合体，看成是一个单独的中性粒子。一个复合体，看成是一个单独的中性粒子。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子质量相月，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。同的
8、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”。2.2.中子发现的前奏：中子发现的前奏：1930年德国物理学家博特年德国物理学家博特(W.G.F.Bothe)与与贝克尔贝克尔(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，发现从铍放射出一种穿透能力极强的射线。且这种射线在磁场和，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都不会发生偏转。人们认为是高能量的电场中都不会发生偏转。人们认为是高能量的射线。射线。5第五页，本课件共有49页 1932年年1月，法国物理学家约里奥月，法国物理
9、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实验，并用这种新射线轰击石蜡，结果从石蜡中打出大克尔的实验，并用这种新射线轰击石蜡，结果从石蜡中打出大量质子来。约里奥量质子来。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”。错失发现中子的良机。错失发现中子的良机。3.3.查德威克的发现：查德威克的发现：查德威克当时正在卡文迪什实验室作放射性研查德威克当时正在卡文迪什实验室作放射性研究。对于究。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
10、同的几种元素，发现这种射线与通常的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射线性射线性质有所不同：通常质有所不同：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。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
11、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查德威克意识到这就是卢瑟福曾经预言的曾经预言的“中子中子”。于是在。于是在19321932年的年的NatureNature上发表了中子可上发表了中子可能存在的论文。能存在的论文。6第六页，本课件共有49页4.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，昂昂首首迈入
12、原子能时代迈入原子能时代!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切结结合合，抓抓住机遇的结果。住机遇的结果。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7第七页，本课件共有49页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8第八页，本课件共有49页三三 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，发现撤走放射源后，粒子轰击铝，发现撤走放射源后，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的还
13、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位素磷放射性同位素磷-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:3030P P15153030SiSi1414+0 0e e1 1 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。后来人们发现，
14、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。费米考虑了这一问题，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大，与认为，重元素原子核所带正电荷较大，与粒子的库仑斥力很粒子的库仑斥力很难让难让粒子产生轰击效果。所以他选用中子作实验，尽管中子粒子产生轰击效果。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），但由于它不必克服库仑势垒，所以与原子核撞击的机会比克服库仑势垒，所以与原子核撞击的机会比粒子或质子
15、大得多。粒子或质子大得多。9第九页，本课件共有49页四四 慢中子效应和核裂变的发现慢中子效应和核裂变的发现1.1.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，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的位置而变化，由于铅是重金属，费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，于是他们把大块石蜡挖了个洞，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，将中子源放入，
16、然后辐照银圆筒，结果银的放射性增加了将中子源放入，然后辐照银圆筒，结果银的放射性增加了100100倍。再倍。再放到水下做实验，证实水也有类似作用。费米经过分析，认为：由放到水下做实验，证实水也有类似作用。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，中子碰撞后速度大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。慢中子经过银原子核的时间变长了，因此增大减慢，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。因为慢中子大大增强了轰击的效果，所以加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现为重核
17、裂变的发现打下了基础。因此，人们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，人们将慢中子及其效应的发现看作是将慢中子及其效应的发现看作是“核时代的起点核时代的起点”。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年年9 9月月2929日出生于意大利日出生于意大利罗马。罗马。1717岁时进入比萨大学，毕业时，他以岁时进入比萨大学，毕业时，他以X X射线的专题论文获得射线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，博士学位。之后赴德国格丁根大学，拜玻恩为师，1924192410第十页，本课件共有49页 1934年，用中子轰击了年，用中子轰击了6
18、3种元素，种元素，得到了得到了37种放射性同位素。在实验中，种放射性同位素。在实验中，发现了慢中子及其效应。在用慢中子轰发现了慢中子及其效应。在用慢中子轰击原子核的反应中，他又发现可生成新击原子核的反应中，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，获得了的放射性元素，获得了1938年诺贝尔年诺贝尔物理学奖。由于受法西斯迫害，借物理学奖。由于受法西斯迫害，借领诺贝尔奖之机，携家移居美国，领诺贝尔奖之机，携家移居美国，在哥伦比亚大学任教。在哥伦比亚大学任教。在获奖之后，费米与
19、一些科学家们在获奖之后，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。到制造原子武器的危险。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。引起世界范围的注意。1926年，任罗马大学理论物理学教授，年，任罗马大学理论物理学教授，1927年提出费米年提出费米-狄拉克统计理论，狄拉克统计理论，1933年提出年提出衰变理论。衰变理论。11第十一页，本课件共有49页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
20、心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、西拉德等原子弹，而美国的政界、军界却反应迟钝。于是，费米、西拉德等科学家于科学家于1939年年8月一起找到了爱因斯坦，要求借助他的威望上书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，提醒政府要切实注意德国的动向和已出现的危美国总统罗斯福，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纳粹分子之前造出原子弹，以消险，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。上书信于灭法西斯。上书信于10月月11日转到罗斯福手中，他立即下令成立铀矿日转到罗斯福手中，他立即下令成立铀矿顾问委员
21、会，并拨了研究经费，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。为保密而取名前一天批准了制造原子弹的庞大工程计划。为保密而取名“曼哈曼哈顿计划顿计划”。1942年年12月月2日，以费米为首的一批美国科学家建造了第一座原日，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。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
22、的名字命名为镄。12第十二页，本课件共有49页2.2.核裂变的发现：核裂变的发现：1934 1934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，得到了半衰期时，得到了半衰期为为1313分钟的一种放射性产物。经分析它不属于铅分钟的一种放射性产物。经分析它不属于铅-铀之间的重铀之间的重元素。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上发表了一篇短文原子序数高于序数高于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”元元素素9393。在随后的。在随后的4-54-5年里，人们又陆
23、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。其实，这就是最早出现的重核裂变现新元素。其实，这就是最早出现的重核裂变现象。象。在在“超铀超铀”元素的的研究中，德国和法国的科学家按照已知元素的的研究中，德国和法国的科学家按照已知核反应规律，认为：当中子轰击原子核时，原子序数将增核反应规律，认为：当中子轰击原子核时，原子序数将增1 1，产，产生一新元素。但德国女化学家生一新元素。但德国女化学家诺达克夫人诺达克夫人(T.Noddack)(T.Noddack)却提出不同却提出不同看法，她认为：看法，她认为：“当重核被中子轰击时，该核可
24、能分裂成几大块。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”。但这一观点没有引起费米等人的注意，甚至当时的放射性权威哈恩认但这一观点没有引起费米等人的注意，甚至当时的放射性权威哈恩认为诺达克夫人的观点为诺达克夫人的观点“纯粹是谬论纯粹是谬论”。13第十三页，本课件共有49页 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.Savitch)(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，产生元素的分离和
25、分析实验。他们用中子轰击铀，产生了半衰期为了半衰期为3.53.5小时的放射性元素，其性质接近镧（镧原子序数小时的放射性元素，其性质接近镧（镧原子序数为为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。太大，又没有意识到重核的分裂，于是放弃了实验。当时德国化学家当时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.Mei
26、tner)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-居里的文章后认为他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，结果证实了伊伦们一定是搞错了，于是立即重复了居里的实验，结果证实了伊伦-居里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）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。产生。19391939年年1 1月，德国自然科学杂志上发表了哈恩和斯特拉斯曼月，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。的实验结果。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哈恩写信将结果告诉为了避难正在斯德格尔摩诺贝尔
27、研究所工作的迈特纳。迈特纳和她的侄子所工作的迈特纳。迈特纳和她的侄子弗里胥弗里胥(O.Frisch(O.Frisch，19341934年流亡国年流亡国外，在玻尔理论物理研究所工作外，在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：如果的启发下，想到：如果核被中子击中核被中子击中14第十四页，本课件共有49页也许会以巨大的能量分裂。几天后，弗里胥回到哥本哈根，将自己也许会以巨大的能量分裂。几天后，弗里胥回到哥本哈根，将自己的想法告诉了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：“
28、正应该如此正应该如此”。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。重核裂变的现象终于真相大白。核裂变的现象终于真相大白。“裂变裂变(fission)”一词也由此产一词也由此产生。生。3.3.链式反应：链式反应：重核裂变一经证实，人们立即转向由此可能释放的核重核裂变一经证实，人们立即转向由此可能释放的核能。许多实验证实了理论预期的能量，但是要利用这一巨大能量，必能。许多实验证实了理论预期的能量，但是要利用这一巨大能量，必要条件是有可能产生自持的链式反应。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
29、事们首先提出了“中子过剩中子过剩”问题：轻核问题：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大的多。因此重核分裂成两个较轻核时，必然出现中子过剩。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。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。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。他们选择个中子。他们选择铀铀235235核石墨做实验。并在军方的支持下开始了核石墨做实验。并在军方的支持下开始了曼哈顿工程。曼哈顿工程。15第十五页
30、，本课件共有49页第一座原子反应堆第一座原子反应堆 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，一是把做为实验区，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，但成本太高，普通水对中子减速太快，且有很强的吸收；最后剂，但成本太高，普通水对中子减速太快，且有很强的吸收；最后选择石墨作为中子减速剂。二是严格控制核裂变的反应速度。最后选择石墨作为中子减速剂。二是严
31、格控制核裂变的反应速度。最后选择了镉来吸收中子，以控制核裂变速度。设计方案为将反应堆作选择了镉来吸收中子，以控制核裂变速度。设计方案为将反应堆作成立方点阵形式，铀层和石墨层间隔的布置在方阵中。成立方点阵形式，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
32、保卫研究委员会主席通话说:“意大利航海家登上了新意大利航海家登上了新大陆大陆”。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。16第十六页，本课件共有49页原原 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控制的原子核裂变链式反应。原子弹利用的是没有催化剂且不加以控制的原子核裂变链式反应。美国动用了大量人力、物力，集结了世界大量的科学人才。美国动用了大量人力、物力，集结了世界大量的科学人才。1945 1945年年7 7月月1616日，在阿拉莫多哥沙漠，爆炸了第一颗原子弹。爆炸日，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
33、度的高温，几百万个大气压，放置原子弹的钢塔顿时化成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。了气体。被炸后的广岛被炸后的广岛 杜鲁门政府决定用原子弹征杜鲁门政府决定用原子弹征服死不投降的日本。服死不投降的日本。1945 1945年年8 8月月6 6日第一枚原子弹日第一枚原子弹投在广岛，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，长崎人，长崎死死23,70023,700人。人。17第十七页，本课件共有49页原原 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
34、2 2月月2222日，爆炸了第一颗原子弹。英日，爆炸了第一颗原子弹。英国于国于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、中国于日、中国于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，相当于广岛万多个，相当于广岛原子弹
35、的原子弹的100100万倍。万倍。18第十八页，本课件共有49页4.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，前苏联在莫斯科附近首先建成，现已有日，前苏联在莫斯科附近首先建成，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，但以多座核电站。核电站虽然一次性投资较大，但以后核电的成本低，比火电成本低后核电的成本低，比火电成本低30%左右，核电站还具有由运行左右，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、俄等国安全，环境污染小等优点，所以已经在美、法、日、德、俄等国广泛采用。广泛采用。2)2)用于农业用于农业
36、 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，整个千万只这样的虫子，整个地区螺旋虫被消灭。地区螺旋虫被消灭。原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起19第十九页，本课件共有49页原原 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 一方面表现为向一方面表现为向凝聚态物理凝聚态物理、天
37、体物理天体物理和和核技核技术应用术应用发展，另一方面为核物理自身的发展，对核发展，另一方面为核物理自身的发展，对核的研究，已从低激发态到研究高激发态和高自旋态，的研究，已从低激发态到研究高激发态和高自旋态，核物理学的发展和应用仍旧有着广阔的前景。核物理学的发展和应用仍旧有着广阔的前景。20第二十页，本课件共有49页21第二十一页，本课件共有49页五五 正电子的发现正电子的发现 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。为了鉴别宇宙年起负责用云室观测宇宙射线。云室置于磁场中。
38、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。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。从曲率判断，又不可能是质子。于是他果断得出结论：这是带正电的曲率判断，又不可能是质子。于是他果断得出结论：这是带正电的 电电子。安德逊因此获得子。安德逊因此获得1936年的饿诺贝尔物理学奖。当时他并不了解狄年的饿诺贝尔物理学奖。当
39、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。1928年，狄拉克从相对论和量子力学的一般原理出发，建立年，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了相对论电子波动方程-狄拉克方程。但狄拉克方程有四个解，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，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，另两个解应对应于电子负能态的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。22第二十二页，本课件共有49页六六 中微子的发现中微子的发现1.
40、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衰变有直接联系。接联系。19141914年查德威克证明年查德威克证明射线和射线和射线德能谱是分立的，射线德能谱是分立的，在衰变中发射德粒子所带走德能量正好与原子核初态末态的能量差在衰变中发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，相等。然而，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小于初态与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？
41、终态的能量差。那部分能量哪去了？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，伴随每一个衰变过程中，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，使中电子有一个轻的中性粒子（称之为中子）一起被发射出来，使中子和电子的能量之和为常数，才能解释连续子和电子的能量之和为常数，才能解释连续谱。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19341934年提出弱相互作用的年提出弱相互作用的衰变理衰变理论。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论。费米认为，正象光子在原子或原子
42、核从一个激发态跃迁到另一个激发态时产生的那样，电子和中微子是在一个激发态时产生的那样，电子和中微子是在衰变中产生的。衰变中产生的。-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；23第二十三页，本课件共有49页+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，就相当于一个量子态跃两个不同状态，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子和中微子。他们事先迁到另一个量子态，在跃迁过程中同时放出电子和中微子。他们事先并
43、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。+衰变就是衰变就是约里奥约里奥-居里夫妇发现的发射正电子的人工放射居里夫妇发现的发射正电子的人工放射性。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，允许原指出，在费米理论的相互作用里，允许原子核里发生如下过程：子核里发生如下过程：PPn n+e e+e e ；他还预言可能会有轨道电子的；他还预言可能会有轨道电子的俘获过程，这个过程于俘获过程，这个过程于1
44、9381938年被阿尔瓦雷兹年被阿尔瓦雷兹(L.W.Alvarez)(L.W.Alvarez)观察到。观察到。2.2.中微子的间接验证：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。十分困难。19411941年，我国物理学家王金昌首先提出了一个间接探测年，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。中微子的方法。24第二十四页，本课件共有49页他指出：他指出：“当一个当一个+放射性原子不是放射一个正电子，而是俘获
45、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略不计。因此，只要放出的中微子。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质量和能量。而且由于没有连续的子的质量和能量。而且由于没有连续的射线被放射出来，这种射线被放射出来，这种反冲效应对所有的原子都是相同的。反冲效应对所有的原子都是相同的。”19421942年，美国物理学家艾伦年，美国物理学家艾伦
46、(J.S.Allen)(J.S.Allen)按上述方案进行了按上述方案进行了测量，取得了肯定的结果，但未完全成功。测量，取得了肯定的结果，但未完全成功。19521952年又重新进行了年又重新进行了实验，测出了原子的反冲能。带维斯实验，测出了原子的反冲能。带维斯(R.Davis)(R.Davis)也成功地重复了也成功地重复了艾伦艾伦19421942年的实验。年的实验。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。3.3.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，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
47、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，洛斯洛斯阿拉莫斯实验室的美国物理学家柯恩阿拉莫斯实验室的美国物理学家柯恩(C.Cowan)(C.Cowan)核莱因斯核莱因斯(F.Reines)(F.Reines)首先在核反应堆中检测到。首先在核反应堆中检测到。25第二十五页，本课件共有49页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，并并测测出出确确切切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
48、可以以证证明明反反中中微微子子的的存存在在。通通过过艰艰苦苦的的工工作作，他们终于在他们终于在19561956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。4.4.中中微微子子的的研研究究进进展展：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 种种 中
49、中 微微 子子和和 反反。至至 此此，中中 微微 子子 就就 有有 了了 六六 个个 且且 只只 有有 六六 个个：。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零零，一一直直存存在在质质疑疑，原原因因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。天天体体当当中中有有些物质看不见，但存在，称为暗物质。暗物质是什么些物质看不见，但存在，称为暗物质。暗物质是什么?26第二十六页，本课件共有49页可可能能是是黑黑洞洞、死死星星、宇宇宙宙
50、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继继续续中中，但但实实验验检检测测只只能减小中微子质量的上限，如目前已经测量到：能减小中微子质量的上限，如目前已经测量到：27第二十七页，本课件共有49页七七 介子理论的建立介子理论的建立 在原子核性质的研究过程中，人们逐渐明确了核力与核子是在原子核性质的研究过程中，人们逐渐明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，其作用范围约否带电无