核物理發(fā)展.ppt

1、核物理簡介,一 ： 核物理發(fā)展史 二： 核物理的應(yīng)用,核物理的開端：,1896年，貝可勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性，這是人們第一次觀察到的核變化?，F(xiàn)在通常就把這一重大發(fā)現(xiàn)看成是核物理學(xué)的開端。此后的40多年，人們主要從事放射性衰變規(guī)律和射線性質(zhì)的研究，并且利用放射性射線對原子核做了初步的探討，這是核物理發(fā)展的初期階段。 在這一時期，人們?yōu)榱颂綔y各種射線，鑒別其種類并測定其能量，初步創(chuàng)建了一系列探測方法和測量儀器。大多數(shù)的探測原理和方法在以后得到了發(fā)展和應(yīng)用，有些基本設(shè)備，如計數(shù)器、電離室等，沿用至今。 探測、記錄射線并測定其性質(zhì)，一直是核物理研究和核技術(shù)應(yīng)用的一個中心環(huán)節(jié)。放射性衰變研究證明了一種元素可

2、以通過衰變而變成另一種元素，推翻了元素不可改變的觀點，確立了衰變規(guī)律的統(tǒng)計性。統(tǒng)計性是微觀世界物質(zhì)運動的一個重要特點，同經(jīng)典力學(xué)和電磁學(xué)規(guī)律有原則上的區(qū)別。 放射性元素能發(fā)射出能量很大的射線，這為探索原子和原子核提供了一種前所未有的武器。1911年，盧瑟福等人利用射線轟擊各種原子，觀測射線所發(fā)生的偏折，從而確立了原子的核結(jié)構(gòu)，提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型，這一成就為原子結(jié)構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ)。此后不久，人們便初步弄清了原子的殼層結(jié)構(gòu)和電子的運動規(guī)律，建立和發(fā)展了描述微觀世界物質(zhì)運動規(guī)律的量子力學(xué)。 1919年，盧瑟福等又發(fā)現(xiàn)用粒子轟擊氮核會放出質(zhì)子，這是首次用人工實現(xiàn)的核蛻變(核反應(yīng))。此后用射線轟

3、擊原子核來引起核反應(yīng)的方法逐漸成為研究原子核的主要手段。,初步探索中的成果,主要成果 在初期的核反應(yīng)研究中，最主要的成果是1932年中子的發(fā)現(xiàn)和1934年人工放射性核素的合成。原子核是由中子和質(zhì)子組成的，中子的發(fā)現(xiàn)為核結(jié)構(gòu)的研究提供了必要的前提。中子不帶電荷，不受核電荷的排斥，容易進入原子核而引起核反應(yīng)。因此，中子核反應(yīng)成為研究原子核的重要手段。在30年代，人們還通過對宇宙線的研究發(fā)現(xiàn)了正電子和介子，這些發(fā)現(xiàn)是粒子物理學(xué)的先河。 20世紀(jì)20年代后期，人們已在探討加速帶電粒子的原理。到30年代初，靜電、 核物理 直線和回旋等類型的加速器已具雛形，人們在高壓倍加器上進行了初步的核反應(yīng)實驗。利用加

4、速器可以獲得束流更強、能量更高和種類更多的射線束，從而大大擴展了核反應(yīng)的研究工作。此后，加速器逐漸成為研究原子核和應(yīng)用技術(shù)的必要設(shè)備。 在核物理發(fā)展的最初階段人們就注意到它的可能的應(yīng)用，并且很快就發(fā)現(xiàn)了放射性射線對某些疾病的治療作用。這是它在當(dāng)時就受到社會重視的重要原因，直到今天，核醫(yī)學(xué)仍然是核技術(shù)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。,大發(fā)展時期,20世紀(jì)40年代前后，核物理進入一個大發(fā)展的階段。1939年，哈恩和斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象；1942年，費密建立了第一個鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)堆，這是人類掌握核能源的開端。 在30年代，人們最多只能把質(zhì)子加速到一百萬電子伏特的數(shù)量級，而到70年代，人們已能把質(zhì)子加速到四千

5、億電子伏特，并且可以根據(jù)工作需要產(chǎn)生各種能散度特別小、準(zhǔn)直度特別高或者流強特別大的束流。 20世紀(jì)40年代以來，粒子探測技術(shù)也有了很大的發(fā)展。半導(dǎo)體探測器的應(yīng)用大大提高了測定射線能量的分辨率。核電子學(xué)和計算技術(shù)的飛速發(fā)展從根本上改善了獲取和處理實驗數(shù)據(jù)的能力，同時也大大擴展了理論計算的范圍。所有這一切，開拓了可觀測的核現(xiàn)象的范圍，提高了觀測的精度和理論分析的能力，從而大大促進了核物理研究和核技術(shù)的應(yīng)用。 通過大量的實驗和理論研究，人們對原子核的基本結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律有了較深入的認(rèn)識?；九辶撕俗?質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱)之間的相互作用的各種性質(zhì)，對穩(wěn)定核素或壽命較長的放射性核素的基態(tài)和低激發(fā)態(tài)的性質(zhì)已

6、積累了較系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)。并通過理論分析，建立了各種適用的模型。通過核反應(yīng)，已經(jīng)人工合成了17種原子序數(shù)大于92的超鈾元素和上千種新的放射性核素。這種研究進一步表明，元素僅僅是在一定條件下相對穩(wěn)定的物質(zhì)結(jié)構(gòu)單位，并不是永恒不變的。 天體物理的研究表明，核過程是天體演化中起關(guān)鍵作用的過程，核能就是天體能量的主要來源。人們還初步了解到在天體演化過程中各種原子核的形成和演變的過程。在自然界中，各種元素都有一個發(fā)展變化的過程，都處于永恒的變化之中。 通過高能和超高能射線束和原子核的相互作用，人們發(fā)現(xiàn)了上百種短壽命的粒子，即重子、介子、輕子和各種共振態(tài)粒子。龐大的粒子家族的發(fā)現(xiàn)，把人們對物質(zhì)世界的研究推進

7、到一個新的階段，建立了一門新的學(xué)科粒子物理學(xué)，有時也稱為高能物理學(xué)。各種高能射線束也是研究原子核的新武器，它們能提供某些用其他方法不能獲得的關(guān)于核結(jié)構(gòu)的知識。,重大突破,過去，通過對宏觀物體的研究，人們知道物質(zhì)之間有電磁相互作用和萬有引力(引力相互作用)兩種長程的相互作用；通過對原子核的深入研究，才發(fā)現(xiàn)物質(zhì)之間還有兩種短程的相互作用，即強相互作用和弱相互作用。在弱作用下宇稱不守恒現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是對傳統(tǒng)的物理學(xué)時空觀的一次重大突破。研究這四種相互作用的規(guī)律和它們之間可能的聯(lián)系，探索可能存在的靳的相互作用，已成為粒子物理學(xué)的一個重要課題。毫無疑問，核物理研究還將在這一方面作出新的重要的貢獻。 核物理

8、的發(fā)展,不斷地為核能裝置的設(shè)計提供日益精確的數(shù)據(jù)，從而提高了核能利用的效率和經(jīng)濟指標(biāo)，并為更大規(guī)模的核能利用準(zhǔn)備了條件。人工制備的各種同位素的應(yīng)用已遍及理工農(nóng)醫(yī)各部門。新的核技術(shù)，如核磁共振、穆斯堡爾譜學(xué)、晶體的溝道效應(yīng)和阻塞效應(yīng)，以及擾動角關(guān)聯(lián)技術(shù)等都迅速得到應(yīng)用。核技術(shù)的廣泛應(yīng)用已成為現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的標(biāo)志之一。 完善和提高 20世紀(jì)70年代，由于粒子物理逐漸成為一門獨立的學(xué)科，核物理已不再是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最前沿。核能利用方面也不像過去那樣迫切，核物理進入了一個縱深發(fā)展和廣泛應(yīng)用的新的更成熟的階段。 在現(xiàn)階段，粒子加速技術(shù)已有了新的進展。由于重離子加速技術(shù)的發(fā)展，人們已能有效地加速從氫到鈾所

9、有元素的離子，其能量可達(dá)到十億電子伏每核子。這就大大擴充了人們變革原子核的手段，使重離子核物理的研究得到全面發(fā)展。 隨著高能物理的發(fā)展，人們已能建造強束流的中高能加速器。這類加速器不僅能提供直接加速的離子流，還可以提供次級粒子束。這些高能粒子流從另一方面擴充了人們研究原子核的手段，使高能核物理成為富有生氣的研究方面。 從核物理基礎(chǔ)研究看，主要目標(biāo)在兩個方面：一是通過核現(xiàn)象研究粒子的性質(zhì)和相互作用，特別是核子間的相互作用；再者是核多體系的運動形態(tài)的研究。很明顯，核運動形態(tài)的研究將在相當(dāng)長的時期內(nèi)占據(jù)著核物理基礎(chǔ)研究的主要部分。,歐洲強子對撞機,歐洲大型強子對撞機是現(xiàn)在世界上最大、能量最高的粒子加

10、速器，是一種將質(zhì)子加速對撞的高能物理設(shè)備，英文名稱為LHC(Large Hadron Collider)。大型強子對撞機坐落于日內(nèi)瓦附近。參與這一項目的研究人員表示，在短短3個月的實驗過程中，他們已經(jīng)探測到處于我們當(dāng)前對物理學(xué)的了解標(biāo)準(zhǔn)模型核心的所有粒子。北京時間7月28日消息，據(jù)國外媒體報道，參與大型強子對撞機(LHC)項目的科學(xué)家表示，他們可能已經(jīng)“接近”希格斯玻色子。希格斯玻色子也被稱之為“上帝粒子”，據(jù)信在大爆炸之后宇宙形成過程中扮演重要角色。,研究主題 物理學(xué)家希望借由加速器對撞機來幫助他們解答下列的問題： 標(biāo)準(zhǔn)模型中所流行的造成基本粒子質(zhì)量的希格斯機制是真實的嗎？ 真是如此的話，希

11、格斯粒子有多少種，質(zhì)量又分別是多少呢？ 當(dāng)重子的質(zhì)量被更精確的測量時，標(biāo)準(zhǔn)模型是否仍然成立的？ 粒子是否有相對應(yīng)的超對稱(SUSY)粒子存在？ 為何物質(zhì)與反物質(zhì)是不對稱的？ 有更高維度的空間(Kaluza-Kleintheory,extradimensions)存在嗎？ 我們可以見到這啟發(fā)弦論的現(xiàn)象嗎？ 宇宙有96%的質(zhì)量是目前天文學(xué)上無法觀測到的，這些到底是什么？ 為何萬有引力比起其他三個基本作用力(電磁力，強作用力，弱作用力)差了這么多個數(shù)量級？ 重離子對撞機 雖然LHC的物理實驗計劃，著重于研究質(zhì)子對撞后的現(xiàn)象。然而，短期的如每年一個月的重離子對撞也在實驗計劃之中。雖然其他較輕的離子對撞

12、實驗也是可行的，目前主要的規(guī)劃為鉛離子的對撞實驗。 中國元素：60余名中國科學(xué)家(其中近四十人為臺灣科學(xué)家)參與強子對撞機實驗。四個主要實驗均有中國科研單位和高校參與，分別為：中科院高能物理研究所、中國科技大學(xué)、山東大學(xué)、南京大學(xué)參與ATLAS實驗；中科院高能物理研究所、北京大學(xué)參與CMS實驗；華中師范大學(xué)參與ALICE實驗；清華大學(xué)參與LHCb實驗。,核物理的應(yīng)用,同位素示蹤： 核技術(shù)應(yīng)用主要為核能源的開發(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；另外，同位素的應(yīng)用是核技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。同位素示蹤已應(yīng)用于各個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域；同位素藥劑應(yīng)用于某些疾病的診斷或治療；同位素儀表在

13、各工業(yè)部門用作生產(chǎn)自動線監(jiān)測或質(zhì)量控制裝置。 加速器及同位素輻射源已應(yīng)用于工業(yè)的輻照加工、食品的保藏和醫(yī)藥的消毒、輻照育種、輻照探傷以及放射醫(yī)療等方面。為了研究輻射與物質(zhì)的相互作用以及輻照技術(shù)，已經(jīng)建立了輻射物理、輻射化學(xué)等邊緣學(xué)科以及輻照工藝等技術(shù)部門。 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，人們建立了專用的高中子通量的反應(yīng)堆來提供強中子束。中子束也應(yīng)用于輻照、分析、測井及探礦等方面。中子的生物效應(yīng)是一個重要的研究方向，快中子治癌已取得一定的療效。 離子束的應(yīng)用： 是越來越受到注意的一個核技術(shù)部門。大量的小加速器是為了提供離子束而設(shè)計的，離子注入技術(shù)是研究半導(dǎo)體物理和制

14、備半導(dǎo)體器件的重要手段。離子束已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于材料科學(xué)和固體物理的研究工作。離子束也是用來進行無損、快速、痕量分析的重要手段，特別是質(zhì)子微米束，可用來對表面進行掃描分析。其精度是其他方法難以比擬的。,核武器,原子彈：利用鈾-235或钚-239等重原子核裂變反應(yīng)。瞬時釋放出巨大能量的核武器。又稱裂變彈。原子彈的威力通常為幾百至幾萬噸級梯恩梯當(dāng)量，有巨大的殺傷破壞力。它可由不同的運載工具攜載而成為核導(dǎo)彈、核航空炸彈、核地雷或核炮彈等，或用作氫彈中的初級(或稱扳機)，為點燃輕核引起熱核聚變反應(yīng)提供必需的能量。,氫彈（一般指二相彈）：氫彈是核裂變加核聚變由原子彈引爆氫彈，原子彈放出來的高能中子與氘化鋰

15、反應(yīng)生成氚，氚和氘聚合產(chǎn)生能量。氫彈爆炸實際上是兩次核反應(yīng)（重核裂變和輕核聚變），兩顆核彈爆炸（原子彈和氫彈），所以說氫彈的威力比原子彈要更加強大。如裝載同樣多的核燃料，氫彈的威力是原子彈的4倍以上。當(dāng)然，不能用大當(dāng)量的原子彈與小當(dāng)量的氫彈來比較。 一般原子彈當(dāng)量相當(dāng)于幾千到幾萬噸TNT，二相彈可能達(dá)到幾千萬噸TNT當(dāng)量,中子彈（增強輻射彈）：以氘和氚聚變原理制作，以高能中子為主要殺傷力的核彈 。中子彈是一種特殊類型的小型氫彈，是核裂變加核聚變但不是用原子彈引爆，而是用內(nèi)部的中子源轟擊钚-239產(chǎn)生裂變，裂變產(chǎn)生的高能中子和高溫促使氘氚混合物聚變。它的特點是：中子能量高、數(shù)量多、當(dāng)量小。如果當(dāng)

16、量大，就類似氫彈了，沖擊波和輻射也會劇增，就失去了“只殺傷人員而不摧毀裝備、建筑，不造成大面積污染的目的”。也失去了小巧玲瓏的特點。中子彈最適合殺滅坦克、碉堡、地下指揮部里的有生力量。,即核定向能武器：正在研制中，因為這些核彈不產(chǎn)生剩余核輻射，因此可作為“常規(guī)武器”使用，主要種類有： 反物質(zhì)彈、粒子束武器、激光引爆核炸彈、干凈的聚變彈、同質(zhì)異能素武器等。 第四代的另一特點是突出某一種效果，如突出電磁效應(yīng)的電磁脈沖彈，使通訊信號混亂。他可以使高能激光束、粒子束、電磁脈沖等離子體定向發(fā)射，有選擇地攻擊目標(biāo)，單項能量更集中，有可控制的特殊殺傷破壞作用。,核爆圖片,中國核試驗圖片,核電站,核電站是怎樣

17、發(fā)電的呢？簡而言之，它是以核反應(yīng)堆來代替火電站的鍋爐，以核燃料在核反應(yīng)堆中發(fā)生特殊形式的“燃燒”產(chǎn)生熱量，來加熱水使之變成蒸汽。使核能轉(zhuǎn)變成熱能。蒸汽通過管路進入汽輪機，推動汽輪發(fā)電機發(fā)電，使機械能轉(zhuǎn)變成電能。一般說來，核電站的汽輪發(fā)電機及電器設(shè)備與普通火電站大同小異，其奧妙主要在于核反應(yīng)堆。 核反應(yīng)堆,核反應(yīng)堆，又稱為原子反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是裝配了核燃料以實現(xiàn)大規(guī)?？煽刂屏炎冩?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置。 原子由原子核與核外電子組成。原子核由質(zhì)子與中子組成。當(dāng)鈾235的原子核受到外來中子轟擊時，一個原子核會吸收一個中子分裂成兩個質(zhì)量較小的原子核，同時放出23個中子。這裂變產(chǎn)生的中子又去轟擊另外的鈾235原子

18、核，引起新的裂變。如此持續(xù)進行就是裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生大量熱能。用循環(huán)水(或其他物質(zhì))帶走熱量才能避免反應(yīng)堆因過熱燒毀。導(dǎo)出的熱量可以使水變成水蒸氣，推動氣輪機發(fā)電。由此可知，核反應(yīng)堆最基本的組成是裂變原子核+熱載體。但是只有這兩項是不能工作的。因為，高速中子會大量飛散，這就需要使中子減速增加與原子核碰撞的機會；核反應(yīng)堆要依人的意愿決定工作狀態(tài)，這就要有控制設(shè)施；鈾及裂變產(chǎn)物都有強放射性，會對人造成傷害，因此必須有可靠的防護措施。綜上所述，核反應(yīng)堆的合理結(jié)構(gòu)應(yīng)該是：核燃料+慢化劑+熱載體+控制設(shè)施+防護裝置。,第一代核電站,20世紀(jì)50年至60年代初，蘇聯(lián)、美國等建造了第一批單機容量在

19、300MWe左右的核電站，如美國的希平港核電站和英第安角1號核電站，法國的舒茲(Chooz)核電站，德國的奧珀利海母(Obrigheim)核電站，日本的美浜1號核電站等。第一代核電廠屬于原型堆核電廠，主要目的是為了通過試驗示范形式來驗證其核電在工程實施上的可行性。,第二代核電站,20世紀(jì)70年代，因石油漲價引發(fā)的能源危機促進了核電發(fā)展，世界上已經(jīng)商業(yè)運行的400多臺機組大部分在這段時期建成，稱為第二代核電機組。第二代核電廠主要是實現(xiàn)商業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、批量化，以提高經(jīng)濟性。自20世紀(jì)60年代末至70年代世界上建造了大批單機容量在6001400MWe的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化核電站，以美國西屋公司為代

20、表,第三代核電站,我國自主創(chuàng)新的第三代核電項目正在浙江三門和山東海陽進行建設(shè)，和正在運行發(fā)電的第二代核電機組相比，預(yù)防和緩解堆芯熔化成為設(shè)計上的必須要求，而這一點也正是作為第二代核電站的福島核電站事故中暴露出來的弱點。據(jù)悉，我國第三代核電站將裝備有蓄水池，這樣的“大水箱”在緊急情況下能釋放出大量的水，從而達(dá)到降溫等應(yīng)急需求。它們發(fā)生嚴(yán)重事故的概率均比第二代核電機組小100倍以上 。,我國核電站分布圖,歷史上重大核泄漏,一 切爾諾貝利核電站是蘇聯(lián)時期在烏克蘭境內(nèi)修建的第一座核電站。曾被認(rèn)為是世界上最安全、最可靠的核電站。但1986年4月26日，核電站的第4號核反應(yīng)堆在進行半烘烤實驗中突然發(fā)生失火

21、，引起爆炸，據(jù)估算，核泄漏事故后產(chǎn)生的放射污染相當(dāng)于日本廣島原子彈爆炸產(chǎn)生的放射污染的100倍。爆炸使機組被完全損壞，8噸多強輻射物質(zhì)泄露，塵埃隨風(fēng)飄散，致使俄羅斯、白俄羅斯和烏克蘭許多地區(qū)遭到核輻射的污染。2011年4月26日，切爾諾貝利事故迎來25周年紀(jì)念。,二 1979年3月28日凌晨4時，美國賓夕法尼亞州的三里島核電站第2組反應(yīng)堆的操作室里，紅燈閃亮，汽笛報警，渦輪機停轉(zhuǎn)，堆心壓力和溫度驟然升高， 2小時后，大量放射性物質(zhì)溢出。在三里島事件中，從最初清洗設(shè)備的工作人員的過失開始，到反應(yīng)堆徹底毀壞，整個過程只用了120秒。6天以后，堆心溫度才開始下降，蒸氣泡消失引起氫爆炸的威脅免除了。100噸鈾燃料雖然沒有熔化，但有60%的鈾棒受到損壞，反應(yīng)堆最終陷于癱瘓。此事故為核事故的第五級。（核事故共7個級別，級別越高，危害越大）,三 福島核電站（Fukushima Nuclear Power Plant）是目前世界上最大的核電站，由福島一站、福島二站組成，共10臺機組（一站6臺，二站4臺），均為沸水堆。受東日本大地震影響，福島第一核電站損毀極為嚴(yán)重，大量放射性物質(zhì)泄漏到外部，