§1原子核物理的對象.ppt

,十九世紀末，物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究開始進入微觀領(lǐng)域，取得了許多重大進展：原子、原子核和粒子物理；發(fā)現(xiàn)了微觀世界的運動規(guī)律，建立了量子力學、量子場論以及量子電動力學；原子能的釋放為人類提供了一種新能源，推動社會進入原子能時代。原子核物理是一個國際上競爭十分激烈的科技領(lǐng)域，各國都投入了大量人力、物力和財力從事這方面的研究工作。原子核物理基礎(chǔ)研究的重大成就、核能和核技術(shù)的廣泛應(yīng)用已成為科技現(xiàn)代化的主要標志之一。,核技術(shù)的應(yīng)用大體上有下列五個方面： （1）為核能源的開發(fā)服務(wù)，如提供更精確的核數(shù)據(jù)和探索更有效地利用核能的途徑等。 （2）同位素的應(yīng)用。同位素示蹤、藥劑用于診斷或治療。同位素儀表用作生產(chǎn)自動線檢測或質(zhì)量控制裝置。 （3）射線輻照的應(yīng)用。加速器及同位素輻射源已應(yīng)用于工業(yè)的輻照加工、探傷、消毒、農(nóng)業(yè)上的育種及放射醫(yī)療等方面。并建立了輻射物理、輻射化學等邊緣學科及輻射工藝等技術(shù)部門。 （4）中子束的應(yīng)用。由于中子束在物質(zhì)結(jié)構(gòu)、固體物理、高分子物理等方面的廣泛應(yīng)用，人們建立了專用反應(yīng)堆提供強中子束。在輻照、分析、測井及探礦等方面也得到應(yīng)用。中子的生物效應(yīng)是一個重要研究方向，快中子治癌已取得一定療效。 （5）離子束的應(yīng)用。離子注入技術(shù)是研究半導(dǎo)體和制備半導(dǎo)體器件的重要手段。離子束也是用來進行無損、快速、痕量分析的重要手段。,1 原子核物理的對象 2 核的基態(tài)特性之一：核質(zhì)量 3 核力 4 核的基態(tài)特性之二：核矩 5 核模型 6 放射性衰變的基本規(guī)律 7 衰變 8 衰變 9 衰變 10 核反應(yīng) 11 裂變與聚變,基 本 內(nèi) 容,學而不思則罔， 思而不學則殆。 孔子 論語為政,學習與思考,1 原子核物理的對象,學習與思考,一個深夜，擔任英國劍橋大學卡文迪許實驗室主任的盧瑟福，披著外衣來檢查實驗室，發(fā)現(xiàn)一位學生還在做實驗。盧瑟福就問他：“你上午干什么了？”學生回答：“在做實驗。”盧瑟福又問：“那你下午做什么了？”學生回答：“做實驗?！北R瑟福提高嗓門問：“那你晚上又做什么呢？”學生挺直了胸脯回答：“我還在做實驗?！?盧瑟福對他說：“你整天做實驗，還有什么時間用于思考呢？”,核外電子的運動-原子物理,原子核-原子核物理的對象,歷史回顧重要人物,H.Becquerel，法國物理學家（1852-1908），1903年獲得諾貝爾獎。發(fā)現(xiàn)了鈾(U)放射現(xiàn)象，這是人類歷史上第一次在實驗室里觀察到原子核現(xiàn)象。,H.Becquerel得到的第一張鈾輻射照片,近代核物理的開始,歷史回顧重要人物,M.Curie，法國物理學家（1867-1934），波蘭人，1903年獲得諾貝爾獎。發(fā)現(xiàn)釙(Po)和鐳(Ra); 她的女兒(I.Joliot-Curie, 1897-1956)和女婿(F. Joliot-Curie, 1900-1958)因發(fā)現(xiàn)人工放射性獲1934年諾貝爾獎。,歷史回顧重要人物,E.Rutherford，英物理學家(1871-1937)，新西蘭人，1908年獲得諾貝爾獎。證實了a 射線為He2+， b 射線為電子； 提出了原子的核式模型；首次實現(xiàn)人工核反應(yīng)；培養(yǎng)了10諾貝爾獎獲得者。,1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子：,歷史回顧重要人物,Paul Ulrich Villard，法國物理學家(18601934)，1900年發(fā)現(xiàn)射線，1907獲得La Caze 獎金。,歷史回顧重要人物,J.Chadwick，英國物理學家(1891-1974)，1935年因發(fā)現(xiàn)了中子獲得諾貝爾獎。中子的發(fā)現(xiàn)被認為是原子核物理的誕生。,1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子：,歷史回顧重要人物,E.Fermi，意大利物理學家(1901-1954)，1938年獲得諾貝爾獎。發(fā)明了熱中子鏈式反應(yīng)堆。,原子能利用的開始,歷史回顧重要人物,R.L.Mossbauer, 德國物理學家(1929-1976)。1961年因為對輻射的共振吸收的研究和發(fā)現(xiàn)的Mossbauer效應(yīng)獲諾貝爾物理學獎。,歷史回顧重要人物,李政道、楊振寧發(fā)現(xiàn)了在弱相互作用中宇稱不守恒，并由吳健雄的實驗所證實。,歷史回顧重要人物,丁肇中，(1936)與 B.Richter, (1931)分別發(fā)現(xiàn) J粒子，找到了美夸克存在的證據(jù)，1976年獲諾貝爾獎。,歷史回顧重要事件,1896：H.Becquerel首次發(fā)現(xiàn)了鈾(U)放射現(xiàn)象; 1897：P.,歷史回顧重要事件,1934：F. 1942：E.Fermi發(fā)明熱中子鏈式反應(yīng)堆； 1945：在J.R.Oppenheimer領(lǐng)導(dǎo)下，原子彈試爆成功， 并在廣島上空爆炸； 1952：在E.Teller領(lǐng)導(dǎo)下，氫彈試爆成功； 1952：前蘇聯(lián)建成第一個核電站. 。,“小玩意兒”钚裝藥重6.1千克，TNT當量2.2萬噸，試驗中產(chǎn)生了上千萬度的高溫和數(shù)百億個大氣壓，致使一座30米高的鐵塔被熔化為氣體，并在地面上形成一個巨大的彈坑。,歷史回顧原子彈,在半徑為400米的范圍內(nèi)，沙石被熔化成了黃綠色的玻璃狀物質(zhì)，半徑為1600米的范圍內(nèi)，所有的動物全部死亡。 “原子彈之父” 奧本海默在核爆觀測站里感到十分震驚，他想起了印度一首古詩：“漫天奇光異彩，有如圣靈逞威，只有一千個太陽，才能與其爭輝。我是死神，我是世界的毀滅者?！?歷史回顧原子彈,歷史回顧原子彈,在長崎投擲的原子彈爆炸后形成的蘑菇狀云團，爆炸產(chǎn)生的氣流、煙塵直沖云天，高達12英里多。,歷史回顧原子彈,美國原子彈突襲廣島和長崎造成了巨大的毀傷。廣島市區(qū)80%的建筑化為灰燼，64000人喪生，72000人受傷，傷亡總?cè)藬?shù)占全市總?cè)丝诘?3%。長崎市60%的建筑物被摧毀，傷亡86000人，占全市總?cè)丝诘?7%。,歷史回顧原子彈,今日美國報美國國家核安全管理局2011.10.25發(fā)布聲明宣布，美國最后一枚冷戰(zhàn)時期存放至今的B53核彈已被拆除，這種堪稱美國威力最大的核武器就此壽終正寢，走入歷史。,B53核彈重約4.5噸，長3.8米，直徑約1.3米，威力是在廣島爆炸的原子彈的600倍 ，爆破時的沖擊波能夠摧毀方圓6公里內(nèi)的所有建筑物，有效殺傷直徑為15公里。 1959年由洛斯阿拉莫斯國家實驗室研制成功， 1997年退役。,前蘇 已實驗未生產(chǎn) 10億萬噸TNT 前蘇 沙皇炸彈 5000萬噸TNT 美國 B53 900萬噸TNT 美國 Mark16 800萬噸TNT 美國 B83 120萬噸TNT 中國 東風41 100萬噸 TNT,超級核彈,美國此舉主要是因為這種自由落體式核彈已經(jīng)落伍，不符合現(xiàn)代戰(zhàn)爭的實際需要，現(xiàn)在可以使用其他方式，特別是導(dǎo)彈，大幅提高核彈命中精度。 實際上，由于對地球毀滅的恐懼，大殺傷威力早就不是美俄核彈的追求。目前核航彈的威力最多為幾百萬噸TNT當量，而多彈頭洲際彈道導(dǎo)彈所攜帶的核彈頭當量通常為50萬噸到100萬噸。原因很簡單，“大當量干不過高精度”。 據(jù)西方專家估計，將核武器精度提高一倍的對目標的破壞效果，相當于將當量提高一倍帶來的效果的5倍。所以，在上世紀70年代，美蘇等國都把核武器發(fā)展的重點放在提高精度，而非進一步增大當量上。 B53的精度太差，這種由減速傘減速的無制導(dǎo)大型核彈的命中精度非常有限，大約為數(shù)百米，依照這個精度，即便B53能投放到蘇聯(lián)地下指揮所的上空，也未必能夠完全摧毀地下的指揮所。,B53核彈的另一缺點太大，美國的B-52轟炸機只能裝載2枚這種核彈。據(jù)介紹，由于其尺寸限制，目前只能由B-52轟炸機攜帶，而這種亞音速、非隱身轟炸機幾乎不可能穿越大國的防空網(wǎng)投放這種大當量核彈。在高危環(huán)境下，B-52目前往往是采用發(fā)射空射巡航導(dǎo)彈的方式進行作戰(zhàn)。美軍現(xiàn)有投放核彈的主力轟炸機則是B-2，但是其彈倉容納不下B53核彈。 目前，美軍已經(jīng)有了更好的替代武器。那就是上世紀90年代研制的B61-11鉆地核彈，它也是美國在冷戰(zhàn)后，首次在沒有進行核試驗的情況下，利用計算機模擬技術(shù)研發(fā)出來的核彈藥。該型彈藥成為B-2的戰(zhàn)斗武器。該型核彈重約545千克，長3.7米，彈體直徑約0.34米，彈尾直徑約0.57米，采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在機載雷達的指引下打擊目標，其當量大約在40萬噸左右。由于它在地下深處的爆炸，利用核爆炸所產(chǎn)生的極強的巖土沖擊波和震動來摧毀地下深層硬目標，能摧毀地下的建筑設(shè)施而不致對地面造成太大的破壞。,B61-11鉆地核彈,美國 前蘇 冷戰(zhàn)時期 32000枚 45000枚 條約計劃 1550枚 1550枚 （至2018年） 目前 2150枚（部署） 50006000枚 2850枚（封存） （估計）,核彈數(shù)量,歷史回顧重要事件,1958：我國建成第一座重水型原子反應(yīng)堆; 1964：我國第一顆原子彈試爆成功； 1967：我國第一顆氫彈試爆成功； 1969：我國首次成功地下核實驗； 1984：我國受控熱核聚變實驗裝置順利啟動； 1988：北京正負電子對撞機首次對撞成功； 1991：秦山核電站發(fā)電成功;,中國第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖,歷史回顧原子彈,中國第一顆原子彈爆炸 中國第一顆氫彈爆炸,世界有核武器國家及地區(qū)形勢示意圖：紅色聯(lián)合國核五常，橙色事實擁核國家(印度、巴基斯坦、朝鮮、以色列)，黃色致力于研制核武器國家(伊朗)，紫色曾擁有或曾研制核武器的國家(烏克蘭、白俄羅斯、哈薩克斯坦，南非、伊拉克)，藍色被國際原子能機構(gòu)認為具備核武研制能力的國家和地區(qū)(包括中國臺灣、日本、韓國等)。,秦山核電站,秦山核電站,秦山三期核電站(首座重水堆),秦山三期核電站一號氣輪機組728MW,嶺澳核電站全景,大亞灣核電站外景,中國未來15年內(nèi) 核電項目投資總額將達 4500億元,2007年11月03日,新增投產(chǎn)2300萬千瓦的核電站的選址，將從廣東、浙江、山東、江蘇、遼寧、福建等沿海城市中優(yōu)先選擇，目前已經(jīng)在這幾個省市確定了13個優(yōu)先選擇的廠址，國家考慮在尚無核電的沿海省(區(qū))各安排一座核電站開工建設(shè)。,北京正負電子對撞機（BEPC）示意圖,注入器長202米,儲存環(huán)的周長為240.4米,對撞能量2-5GeV 物理目標,北京35MeV質(zhì)子直線加速器,中國原子能科學研究院HI-13串列加速器,中國原子能科學研究院實驗快堆（預(yù)計2010年）,熱功率65MWe，電功率25MWe。 1995年12月立項，2000年5月澆灌第一灌混凝土，2002年8月實現(xiàn)核島廠房封頂，2009年9月達到首次臨界，預(yù)計2010年6月實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。,中國實驗快堆,中國原子能科學研究院先進研究堆（CARR）即將建成,中國先進研究堆CARR堆型為輕水冷卻慢化、重水反射反中子阱池式反應(yīng)堆，是一座多用途、高通量研究型反應(yīng)堆。堆功率60MW。該堆具有以下特點： 品質(zhì)因子大，即單位功率所能獲得的最大熱中子注量率高； 有效中子利用空間大，便于布置水平孔道引出中子束供試驗，同時也便于布置各種垂直孔道供輻照試驗和生產(chǎn)。 與國際同類反應(yīng)堆比較，CARR主要技術(shù)指標和性能已經(jīng)達到了國際先進水平，并位居前列。,中國環(huán)流1號,國家同步輻射實驗室鳥瞰,中國第一臺靜電加速器,高壓倍加器,歐洲核子中心CKRN坐落在美麗的日內(nèi)瓦湖畔，毗鄰雄偉的阿爾碑斯山脈，地跨瑞士、法國，是世界上最大的高能物理實驗中心之一。,質(zhì)子同步加速器,超級質(zhì)子 加速器(SPS),正負電子對撞機(LEP)加速器,Aerial view of Fermilab Accelerators, with the Main Injector under construction in back and Tevatron in the foreground,Aerial view of Fermilab Accelerators, with the Main Injector in foreground and Tevatron in the back,高壓倍加器提供第一級加速。在高壓倍加器內(nèi)，氫氣被電離，產(chǎn)生負離子，每個負離子由兩個電子和一個質(zhì)子組成。離子由正電壓加速，能量達到750keV，相當于電視機顯象管電子束能量的30倍。,增強器位于地下約20英尺處。增強器是一個圓形加速器，它利用磁鐵使質(zhì)子束流在一個圓形通路里彎轉(zhuǎn)。質(zhì)子沿增強器轉(zhuǎn)20，000次，反復(fù)經(jīng)過電場。每轉(zhuǎn)一圈，質(zhì)子就多獲得一些能量，能量達到8 GeV時，便離開增強器。,1999年竣工的主注入器加速粒子并傳輸束流。主注入器有4個功能：（1）將質(zhì)子從8 GeV加速到150 GeV；（2）產(chǎn)生120 GeV質(zhì)子，用于反質(zhì)子的產(chǎn)生；（3）從反質(zhì)子源接收反質(zhì)子并把它們的能量提高到150 GeV；（4）將質(zhì)子和反質(zhì)子注入Tevatron。,為產(chǎn)生反質(zhì)子，主注入器把120 GeV的質(zhì)子送到反質(zhì)子源，質(zhì)子與鎳靶對撞，產(chǎn)生范圍很廣的次級粒子，包括許多反質(zhì)子。反質(zhì)子被收集，聚焦后存在累積環(huán)內(nèi)。當產(chǎn)生足夠數(shù)量的反質(zhì)子后，它們被送到主注入器以便加速，并注入到Tevatron。 Tevatron接收從主注入器來的150 GeV的質(zhì)子與反質(zhì)子，并將其幾乎加速到1000 GeV。質(zhì)子與反質(zhì)子按相反的方向在Tevatron里運轉(zhuǎn)，速度每小時僅比光速慢200英里。質(zhì)子與反質(zhì)子束流在Tevatron隧道中的CDF和D0探測器的中心部分發(fā)生對撞，爆發(fā)式地產(chǎn)生新粒子。,美國斯坦福直線加速器中心,日本 KEK 加速器實驗室,德國DESY加速器實驗室,德國達姆施塔特重離子加速器,理查德霍爾從1997年起開始嘗試自制核聚變反應(yīng)堆，“我在差不多1個月的時間里造出了一臺核聚變反應(yīng)堆，”霍爾說，他現(xiàn)在正準備制造自己的第5臺核反應(yīng)堆設(shè)備。,在位于美國匹茲堡的自家車庫里，51歲的弗蘭克薩安斯最自豪的發(fā)明：一個可以工作的核聚變反應(yīng)堆。,核聚變反應(yīng)堆設(shè)備設(shè)計稿,自制的核反應(yīng)堆設(shè)備,中子發(fā)現(xiàn)之前，人們只知電子和質(zhì)子這兩種基本粒子，當發(fā)現(xiàn)原子核可放出電子（衰變）后，自然使人們推測原子核是由電子和質(zhì)子組成的。,p+e = ？= nuclear,在多個方面無法解釋,首先，Heisenberg不確定關(guān)系,非相對論,相對論,太快了！,太高了！,核的 組成,He,其次，無法對有些核的自旋給出合理的解釋，例如,如此得到的氮核自旋為半整數(shù)，但其實驗值為整數(shù),再次，無法解釋原子核的磁矩,原子核由質(zhì)子和中子組成,質(zhì)子和中子由夸克組成. 目前已經(jīng)明確夸克有6種,它們和電子等6種輕子被認為是物質(zhì)最基本的組成單元.,核的線度只有原子的萬分之一,但質(zhì)量卻占原子質(zhì)量的99%以上.,近年來的實驗已經(jīng)有了夸克可能是由更小的粒子組成的跡象,仍有待進一步研究.,核的組份,原子核對原子性質(zhì)起主要貢獻的是核質(zhì)量和電荷。,元素的物理、化學性質(zhì)或光譜特性主要與核外電子有關(guān)，而放射性現(xiàn)象則歸因于原子核。,核外電子的行為對原子核的影響甚微,可不予考慮。,原子質(zhì)量單位u,同位素 原子質(zhì)量的1/12,原子核質(zhì)量數(shù)A,原子的質(zhì)量都接近于一個整數(shù),這個整數(shù)稱為,核子,中子和質(zhì)子統(tǒng)稱核子,原子核的質(zhì)量一般可用質(zhì)譜儀測定，其測量精度可達,核素及其標記,元素:質(zhì)子數(shù)相同的一類