基本相互作用的統(tǒng)一：原子能的利用

第十三講基本相互作用的統(tǒng)一，原子能的利用5.5.1奇妙的規(guī)范對(duì)稱性對(duì)稱性就是一個(gè)物體或物體系統(tǒng)在某種變換下具有的不變性。例如一個(gè)均勻的圓球繞其球心轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度后，它看上去與轉(zhuǎn)動(dòng)前一樣，也就是說(shuō)，該球具有轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱性。很多建筑物，甚至人體均具有左右對(duì)稱性。

對(duì)稱性給自然界帶來(lái)了和諧與美5.5 相互作用的統(tǒng)一/對(duì)稱性與物理量的守恒定律有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。例如：空間平移對(duì)稱性（空間是均勻的）動(dòng)量守恒時(shí)間平移對(duì)稱性能量守恒空間轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱性（空間各向同性）角動(dòng)量守恒

電荷守恒對(duì)應(yīng)著一種抽象的對(duì)稱性：規(guī)范變換的不變性。5.5 相互作用的統(tǒng)一5.5.2標(biāo)準(zhǔn)模型溫伯格-薩拉姆理論具有SU(2)×U(1)規(guī)范對(duì)稱性，展現(xiàn)了稱作自發(fā)對(duì)稱破缺的性質(zhì).強(qiáng)相互作用則由具有SU(3)規(guī)范對(duì)稱性的量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）描述兩個(gè)理論組合起來(lái)統(tǒng)一描述強(qiáng)、弱、電三種相互作用，稱為基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型GUT,超弦理論（SuperstringTheory）粒子物理中的標(biāo)準(zhǔn)模型物質(zhì)由三代輕子與夸克構(gòu)成:傳遞相互作用的粒子:

光子—電磁作用

W±

和Z—

弱作用

膠子

—強(qiáng)作用

量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)質(zhì)量起源

Higgs(剛找到？)電弱統(tǒng)一理論RichardFeynman

Sharedthe1965NobelPrizeinPhysicsforhiscontributionstothedevelopmentofQuantumElectrodynamics粒子物理中有待解決的基本問(wèn)題

----及其與宇宙學(xué)的關(guān)系

1）尋找Higgs玻色子

LHC,Tevatron宇宙學(xué)==》質(zhì)量起源2)標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新物理？超對(duì)稱，超空間LHC，ILC,muoncollider,…宇宙學(xué)==》暗物質(zhì)3)標(biāo)準(zhǔn)模型的檢驗(yàn)

夸克模型,QCD,弱電統(tǒng)一理論…

宇宙學(xué)==》物質(zhì)的基本形態(tài)，宇宙的形成與演化4)CP破壞，CKM矩陣

B－工廠、BEPC、LHCB宇宙學(xué)==》反物質(zhì)

5）CP破壞，MNS矩陣，中微子

反應(yīng)堆中微子，長(zhǎng)基線中微子及中微子工廠,宇宙學(xué)==》暗物質(zhì)，反物質(zhì)，宇宙總質(zhì)量，宇宙大尺度結(jié)構(gòu)高能量前沿高能量與高精度前沿高精度前沿中國(guó)為什么要研究高能物理

高能物理研究是基礎(chǔ)科學(xué)研究的根本之一物質(zhì)結(jié)構(gòu)、宇宙起源與演化和生命起源及其本質(zhì)高能物理研究涉及國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)加速器核探測(cè)技術(shù)與核電子學(xué)真空，微波，高頻，低溫，網(wǎng)絡(luò)，自控，。。。作為基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了國(guó)際交流的平臺(tái)人才培養(yǎng)基地研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)，發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)拓國(guó)際交流，培養(yǎng)高級(jí)人才中國(guó)高能物理的發(fā)展參與國(guó)際大型高能物理實(shí)驗(yàn)合作歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)：LHC/ATLAS,CMS日本B-工廠：KEKB/BELLE地下與空間實(shí)驗(yàn)：KamLAND,T2K,AMS,…國(guó)際未來(lái)直線對(duì)撞機(jī)：ILC基于國(guó)內(nèi)的高能物理實(shí)驗(yàn)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）及北京譜儀實(shí)驗(yàn)（BES）大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)羊八井國(guó)際宇宙觀測(cè)站硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡Acarefulbalanceofphysicsopportunities,financialresources,technologicalcapabilitiesandneeds,manpower,experience,…Sino-ItalianARGOexperiment(RPChall)Sino-JapaneseASγ

experiment(scintillationdetectorarray)Sino-ItalianARGOexperiment(partofRPCcarpet)ASγ,ARGO:Cosmic-rayexperiment~3TeV~300GeVASγ

scintillationdetector高能物理中長(zhǎng)期規(guī)劃未來(lái)發(fā)展：新實(shí)驗(yàn)，地下實(shí)驗(yàn)室？BESII物理研究理論物理研究，核探測(cè)技術(shù)與電子學(xué)，。。。2005201020052010ILC國(guó)際合作

BESIII物理研究

BESIII建設(shè)ATLAS與CMS物理研究國(guó)際合作：ATLAS與CMS建設(shè)大亞灣實(shí)驗(yàn)建設(shè)大亞灣實(shí)驗(yàn)物理分析加速器物理未來(lái)發(fā)展：新加速器？羊八井宇宙線ARGO羊八井宇宙線觀測(cè)站HXMTHXMT數(shù)據(jù)分析未來(lái)發(fā)展：新實(shí)驗(yàn)？北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)

與

北京譜儀北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPC)由電子直線注入器、儲(chǔ)存環(huán)、

北京譜儀（BES）和北京同步輻射裝置（BSRF）組成

84年動(dòng)工，88年如期建成，并迅速達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

BEPCIIStoragering:Largeangle,double-ringRFRFSRIPBeamenergy:1-2GeVLuminosity:1×1033cm-2s-1Optimumenergy:1.89GeVEnergyspread:5.16×10-4No.ofbunches:93Bunchlength:1.5cmTotalcurrent:0.91ASRmode:0.25A@2.5GeV儲(chǔ)存環(huán)調(diào)試速度國(guó)際罕見(jiàn)Oct.25,2007:accumulationofelectronbeams

Oct.31,2007:accumulationofpositronbeamsNov.18,2007:firste+e-collisionCollisionof500mA500mA漂移室：測(cè)量帶電粒子動(dòng)量與徑跡3萬(wàn)根絲，單絲位置分辨率120mm大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)物質(zhì)世界的最基本單元之一：中微子中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本單元之一：

弱作用的宇稱不守恒源于只有左旋中微子中微子與反中微子是否同一個(gè)粒子？中微子質(zhì)量極輕，不帶電荷，與物質(zhì)的相互作用十分微弱。因此極難探測(cè)，需要用體積龐大的探測(cè)器。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為中微子質(zhì)量為零。中微子簡(jiǎn)史1930泡利假設(shè)了中微子，以解決b衰變中能量不守恒問(wèn)題1956Reines和Cowan發(fā)現(xiàn)中微子（1995年諾貝爾獎(jiǎng)）1962Lederman等發(fā)現(xiàn)μ中微子（1988年諾貝爾獎(jiǎng)）1957Pontecorvo提出中微子可以發(fā)生振蕩1968Davis發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)中微子丟失，中微子振蕩？

（2002年諾貝爾獎(jiǎng)）1998超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)證實(shí)大氣中微子丟失,中微子振蕩！

(2002年諾貝爾獎(jiǎng)）2001SNO實(shí)驗(yàn)證實(shí)丟失的太陽(yáng)中微子變成了其它中微子2002KamLAND用反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)證實(shí)太陽(yáng)中微子振蕩中微子振蕩開(kāi)啟了粒子物理，天體物理與宇宙學(xué)研究的新窗口中微子振蕩1962年，因信仰共產(chǎn)主義而逃到前蘇聯(lián)的BrunoPontecorvo提出如果中微子質(zhì)量不嚴(yán)格為零，且中微子的質(zhì)量本征態(tài)與弱作用本征態(tài)不同，根據(jù)量子力學(xué)，不同的中微子之間可以相互轉(zhuǎn)換判斷中微子質(zhì)量是否為零的方法nenenmnm大亞灣核電站是世界上最理想地點(diǎn)功率高，2011年增加到17.4GW。周圍有山，便于建設(shè)地下實(shí)驗(yàn)室以屏蔽宇宙線本底。宇宙線信號(hào)會(huì)與中微子訊號(hào)混淆，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。大亞灣的業(yè)主中國(guó)廣東核電集團(tuán)積極支持這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原理全同探測(cè)器遠(yuǎn)近相對(duì)測(cè)量大的靶質(zhì)量本底屏蔽：地下，水屏蔽層(2.5米）實(shí)驗(yàn)安排通過(guò)近點(diǎn)與遠(yuǎn)點(diǎn)探測(cè)器進(jìn)行相對(duì)測(cè)量，以消除與反應(yīng)堆有關(guān)的系統(tǒng)誤差兩個(gè)近點(diǎn)與一個(gè)遠(yuǎn)點(diǎn)探測(cè)器之間用隧道連接，共3000m事例率：~1200/day近點(diǎn)~350/day遠(yuǎn)點(diǎn)本底：B/S~0.4%近點(diǎn)B/S~0.2%遠(yuǎn)點(diǎn)嶺澳近點(diǎn)：2個(gè)探測(cè)模塊共40噸靶500m至嶺澳堆頂層巖石覆蓋:112m遠(yuǎn)點(diǎn):4個(gè)探測(cè)模塊共80噸靶1600m至嶺澳堆1900m至大亞灣堆頂層巖石覆蓋：350m大亞灣近點(diǎn)：2個(gè)探測(cè)模塊共40噸靶360m至嶺澳堆頂層巖石覆蓋:98m隧道入口8%slope0%slope0%slope0%slope施工隧道入口隧道總長(zhǎng)度約3100m三個(gè)地下實(shí)驗(yàn)大廳一個(gè)地下裝配大廳一個(gè)地下水處理大廳小結(jié)中國(guó)的高能物理經(jīng)過(guò)二十來(lái)年的發(fā)展，已在國(guó)際上占有重要地位Tau-Charm能區(qū)具有豐富的物理，已取得豐碩成果，隨著BEPC的改進(jìn)，有望取得更大的成果。中微子物理是粒子物理未來(lái)發(fā)展的重要方向與熱點(diǎn)。大亞灣實(shí)驗(yàn)以有限的投資，可使中國(guó)步入粒子物理研究的先進(jìn)行列，取得極為重要的一流成果。未來(lái)二十年，我們一定會(huì)看到我國(guó)粒子物理研究步入世界先進(jìn)行列5.6.1原子核的結(jié)合能原子核由質(zhì)子和中子組成實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原子核的質(zhì)量并不簡(jiǎn)單地歸結(jié)為所有質(zhì)子的質(zhì)量和中子的質(zhì)量之和，而是有微小的差異.5.6 原子能及其應(yīng)用

原子核的結(jié)合能氘（D）是氫的同位素，在海水中100萬(wàn)個(gè)氫原子中約有150個(gè)氘原子。氘核是核聚變反應(yīng)的主要原料，它由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成，其結(jié)合能為：=（1.007825＋1.008665—2.014102）×931.5Mev=2.224Mev5.6.2原子能的可能釋放模式原子核衰變:某一原子核自發(fā)地演變成為另一種原子核并放出相應(yīng)粒子的過(guò)程87.84年原子核裂變包含三種方式，一種是自發(fā)裂變:重原子核自發(fā)地碎裂成兩塊，并放出能量，5.6.2原子能的可能釋放模式中子誘發(fā)裂變:在中子作用下而引發(fā)的核裂變，并釋放出2到3個(gè)中子的過(guò)程.原子核碎裂:高能粒子轟擊到原子核上，將原子核擊成很多碎塊，并放出能量.5.6.2原子能的可能釋放模式原子核聚變:由輕原子核融合成質(zhì)量數(shù)較大的核并放出能量的過(guò)程.5.6.3

原子能的和平利用核反應(yīng)的效率是化學(xué)反應(yīng)的106—108倍，即1百萬(wàn)到1億倍碳排放（carbonemissiont）:二氧化碳和其它溫室氣體的排放六種溫室氣體:二氧化碳，甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物(HFCS）、全氟化碳（PFCS）、六氟化硫（SF6）GWF（全球變暖因子）可換算這些氣體釋放熱量的能力將二氧化碳的全球變暖因子設(shè)為1，其他溫室氣體以此為標(biāo)準(zhǔn)單位來(lái)?yè)Q算，例如甲烷的全球變暖因子是21，氧化氬氮是310，全氟碳化物的全球變暖因子在5000到14000之間世界二氧化碳排放量最高的五個(gè)國(guó)家(2009.12.08)中國(guó)

31億噸

美國(guó)

28億噸

印度

6.3億

俄羅斯4.7億噸,德國(guó)4.3億噸

經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源消耗緊密相關(guān)低碳經(jīng)濟(jì)需要低碳或無(wú)碳能源能源的比例:中國(guó)能源消耗的結(jié)構(gòu):清潔能源

水電(3963億度/

24975<16%,2004年)風(fēng)能潮汐太陽(yáng)能核電,裂變電站

未來(lái)能源的要求：

資源豐富

沒(méi)有溫室氣體排放

安全、環(huán)境友好

經(jīng)濟(jì)、高效

可控核反應(yīng)一座百萬(wàn)千瓦級(jí)的壓水堆核電站，一年僅需補(bǔ)充30噸核燃料，其中僅消耗1噸左右，同樣規(guī)模的熱電廠，要燃原煤250萬(wàn)噸秦山核電站全景電站反應(yīng)堆換料電站反應(yīng)堆控制棒電站環(huán)境監(jiān)測(cè)FusionFirePowerstheSunCanwemakeFusionFireonearth?第一個(gè)過(guò)程是弱作用，反應(yīng)幾率很低。

氘-氚反應(yīng)：

D(氘)+T(氚)4He(氦)+n(中子)+17.6Mevn(中子)+6Li(鋰)4He(氦)+T(氚)+4.79Mev

氘-氘反應(yīng)

D(氘)+D(氘)T(氚)+p(質(zhì)子)+4.04Mev

氘-氦反應(yīng)：

D(氘)+3He(氦)4He(氦)+p(質(zhì)子)+18.14Mev

氫-硼反應(yīng)

p(質(zhì)子)+11B(硼)3(4He)+18.6Mev典型核聚變過(guò)程地球上最容易實(shí)現(xiàn)的核聚變反應(yīng)是：D(氘)+T(氚)He(氦)+n(中子)

n(中子)+Li(鋰)He(氦)+T(氚)實(shí)現(xiàn)上述反應(yīng)的條件:溫度大于一億度；密度大于2.5x1020m-3能量約束時(shí)間大于1-2秒

~5x1021m-3keVs

核聚變能=17.6Mev+17.6Mev

氘氚核聚變反應(yīng)的資源在地球上儲(chǔ)存量十分豐富:

氘（D）存在于海水中。地球上約有40萬(wàn)億噸氘，一升海水里含有的氘完全實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，將釋放出相當(dāng)于燃燒300升汽油所釋放出的能量，因此一旦實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兒Ｋ畬⒊蔀槿祟惾≈槐M用之不竭的新能源；關(guān)鍵是鋰的儲(chǔ)量(地球上鋰的儲(chǔ)量比氘少得多，約有2000多億噸

)，可用上萬(wàn)年.中國(guó)鋰資源豐富(排名第二).

聚變反應(yīng)沒(méi)有溫室氣體排放.核聚變能

沒(méi)有放射性廢物

氘-氚核聚變的產(chǎn)物是惰性氣體氦；氫的同位素氚(T)的壽命為12年，只具有短期放射性；

不會(huì)產(chǎn)生核爆炸(溫度下降,聚變反應(yīng)立即停止),安全可靠,對(duì)環(huán)境友好

缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)困難,前期投入核聚變能結(jié)論:

核聚變能既資源豐富且環(huán)境友好

（無(wú)放射性廢料、無(wú)二氧化碳排放，安全可靠）是人類可持續(xù)發(fā)展最理想的新能源！核聚變能

三種約束極高溫?zé)岷司圩內(nèi)剂系耐緩剑褐亓s束；慣性約束；磁約束；約束高溫等離子體的途徑TokamakNationalSphericalTorusExperiment(NSTX)

ASIPPEAST裝置已于2006年一月建成(EAST

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Aim-demonstrateintegratedphysicsandengineeringonthescaleofapowerstationKeyITERtechnologiesfabricatedandtestedbyindustry5.1B