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时空关系根本改变时空关系根本改变 物理量需要重新修正物理量需要重新修正,经典力学需要改造经典力学需要改造.两条原则两条原则;1),对应原则对应原则 经典力学经典力学 m=m(v)的形式。的形式。定义定义从实验和理论上找质量与速度的关系，即找出从实验和理论上找质量与速度的关系，即找出5.4 狭义相对论的动力学基础狭义相对论的动力学基础一、动量一、动量 2),守恒定律成立守恒定律成立.但与经典力学不同但与经典力学不同对应原理对应原理;当当 (经典力学质量经典力学质量,称静质量称静质量).时空关系根本改变时空关系根本改变 m=m(v)的形式。的形式。Sx0BAuxXS0vABuxSx0ABvm0mS0XvABvmm0全同粒子全同粒子A和和B发生完全非弹性正碰发生完全非弹性正碰即即S:S:即即由由动量守恒和质量守恒动量守恒和质量守恒二、质量二、质量Sx0BAuxXS0vABuxSx0ABvm0mSS:S:全同粒子全同粒子A和和B发生完全非弹性正碰发生完全非弹性正碰即即即即由由和和代入代入化简后得化简后得把把m0看成静止质量，看成静止质量，把把m称为相对论质量，称为相对论质量，S:S:全同粒子全同粒子A和和B发生完全非弹性正碰即即由和代入化简后发生完全非弹性正碰即即由和代入化简后如图如图 所示，所示，质量质量 m 随速度增大而增大。随速度增大而增大。质量：质量：动量：动量：利用利用图图 质量随速度变化质量随速度变化布塞勒布塞勒Cuye-Lavanchy如图如图 所示，质量所示，质量 m 随速度增大而增大。质量：动量：利用图随速度增大而增大。质量：动量：利用图 1.力力:2.力和加速度的关系力和加速度的关系与前面的系数不同所以力和加速度方向不一致所以力和加速度方向不一致也沿切向三、力、功和动能三、力、功和动能1.力力:2.力和加速度的关系与前面的系数不同所以力力和加速度的关系与前面的系数不同所以力3.功和动能功和动能质点动能定理质点动能定理:利用利用3.功和动能质点动能定理功和动能质点动能定理:利用利用1 态态2 态态质量质量质量质量上式变为，上式变为，-相对论中的质点动能公式相对论中的质点动能公式1.在在的情况下：的情况下：经典力学的动能是相对论经典力学的动能是相对论表达式在低速下的近似。表达式在低速下的近似。2.由由 当动能由于外力作功不断增大而不断增加时，速率却不能当动能由于外力作功不断增大而不断增加时，速率却不能无限制增大，而是有一个极限值无限制增大，而是有一个极限值 c。1 态态2 态质量质量上式变为，态质量质量上式变为，-相对论中的质点动能公式相对论中的质点动能公式静能静能:质量亏损：质量亏损：结合能：结合能：2 2.总能和质能关系总能和质能关系总能总能-著名的质能关系式著名的质能关系式1.1.静能和质量亏损静能和质量亏损原子能公式原子能公式四、能量、质能关系四、能量、质能关系静能静能:质量亏损：结合能：质量亏损：结合能：2.总能和质能关系总能总能和质能关系总能-讨论：讨论：1.把粒子的能量和质量联系起来把粒子的能量和质量联系起来,数值相差一常数因子数值相差一常数因子 c2。2.在相对论中在相对论中,能量守恒和质量守恒统一起来。能量守恒和质量守恒统一起来。能量守恒能量守恒 质量守恒质量守恒3.粒子相互作用中相对论质量粒子相互作用中相对论质量守恒，守恒，但其静止质但其静止质量量并不守恒。并不守恒。讨论：讨论：1.把粒子的能量和质量联系起来把粒子的能量和质量联系起来,数值相差一常数因子数值相差一常数因子4 4。静止能量实际上是物体的总内能。静止能量实际上是物体的总内能-分子的内能、势能、原子的电磁能、质子中子的结合能等。分子的内能、势能、原子的电磁能、质子中子的结合能等。静止能量是相当可观的。静止能量是相当可观的。例：一公斤的物体的静止能量例：一公斤的物体的静止能量相当于相当于200万吨汽油燃烧的能量。万吨汽油燃烧的能量。5 5。质能相互依存，且同增减。质能相互依存，且同增减从质能公式从质能公式可知总能量正比于质量可知总能量正比于质量即那儿有能量，那儿就有质量，而且那儿有质量的变化，那即那儿有能量，那儿就有质量，而且那儿有质量的变化，那儿就有能量的变化。即：儿就有能量的变化。即：4。静止能量实际上是物体的总内能。静止能量实际上是物体的总内能-分子的内能、势能、原子分子的内能、势能、原子 例例.中子和质子合成氘核实时放出中子和质子合成氘核实时放出射线，试求射线，试求射线射线的能量。的能量。解：质子，中子，氘核的静质量分别为解：质子，中子，氘核的静质量分别为.为质量亏损为质量亏损释放释放射线能：射线能：聚合聚合1公斤氘核释放的能量：公斤氘核释放的能量：约相当于约相当于1公斤汽油燃烧放热的公斤汽油燃烧放热的230万倍！万倍！例例.中子和质子合成氘核实时放出中子和质子合成氘核实时放出射线，试求射线，试求射射例如：例如：两个静止质量为两个静止质量为的全同粒子，的全同粒子，它们各自以速率它们各自以速率相向而行，相向而行，所以它们相对论质量均为所以它们相对论质量均为设两粒子作完全非设两粒子作完全非弹性碰撞后，变成一个静止的复合粒子，其静止质量为弹性碰撞后，变成一个静止的复合粒子，其静止质量为M0。求碰撞过程中转化的内能。求碰撞过程中转化的内能。由于粒子在碰前后能量守恒，由于粒子在碰前后能量守恒，因此有：因此有：能量守恒能量守恒 质量守恒质量守恒两粒子在碰撞过程中，两粒子在碰撞过程中，静止质量并不守恒。静止质量并不守恒。静止质量的增量静止质量的增量称为质量过剩。称为质量过剩。实际上碰前两粒子动能转化为碰后静止实际上碰前两粒子动能转化为碰后静止 复合粒子的内能，复合粒子的内能，即：即：解：解：例如：两个静止质量为的全同粒子，它们各自以速率相向而行，所以例如：两个静止质量为的全同粒子，它们各自以速率相向而行，所以可能存在可能存在“无质量无质量”粒子粒子只具有动量、能量，只具有动量、能量，无无所以也没有静能所以也没有静能则：则：只以光速运动只以光速运动（光子、中微子（光子、中微子 预言引力子存在）预言引力子存在）五、能量和动量的关系五、能量和动量的关系可能存在可能存在“无质量无质量”粒子只具有动量、能量，无所以也没有静能则：粒子只具有动量、能量，无所以也没有静能则：例例;光子光子;m0=0,以光速以光速 c 运动的粒子运动的粒子.h=6.626x10-34 焦耳焦耳 秒秒.光子光子例例.静能量为静能量为0.511MeV的电子具有的电子具有5倍于它的静能的总倍于它的静能的总 能量，试求它的动量和速率能量，试求它的动量和速率。解：解：E=5m0c2例例;光子光子;m0=0,以光速以光速 c 运动的粒子运动的粒子.h深层次理论突破深层次理论突破实践上的巨大变化实践上的巨大变化m 和和 E 的关系的关系 E=mc2重核裂变：一个重原子核分裂成为两个（或更多个）重核裂变：一个重原子核分裂成为两个（或更多个）中等质量碎片的现象。中等质量碎片的现象。轻核聚变：轻核在一定高温条件下融合成较重的核，轻核聚变：轻核在一定高温条件下融合成较重的核，所以又称所以又称热核反应热核反应六、质能关系的重要应用（选学内容）六、质能关系的重要应用（选学内容）核燃料主要有235U(铀)、239Pu(钚)和233Th(钍)。深层次理论突破深层次理论突破实践上的巨大变化实践上的巨大变化m 和和 E 的关系的关系 E=（1）核裂变过程）核裂变过程（以（以235U为例）：为例）：当当235U核核吸吸收收一一个个中中子子后后，就就会会形形成成复复合合236U核核，而而236U核核是是不不稳稳定定的的，它它很很快快发发生生形形变变由由椭椭球球形形进进而而变变成成不不对对称称的的哑哑铃铃形形，然然后后发发生生断断裂裂，成成为为两两个个略略有有大大小小差差异异的的产产物物核核，同同时时放出若干个中子，下图为复合核裂变示意。放出若干个中子，下图为复合核裂变示意。（1）核裂变过程（以）核裂变过程（以235U为例）：为例）：(2)链式反应与临界质量链式反应与临界质量链式反应：链式反应：重核的裂变是通过中子的轰重核的裂变是通过中子的轰击实现的击实现的核裂变过程中有核裂变过程中有“次级中子次级中子”再去轰击再去轰击重核引起另一次裂变，然后再产生中子重核引起另一次裂变，然后再产生中子形成一种核裂变的形成一种核裂变的“链条链条”，使得裂变，使得裂变反应一直延续下去，这种连续不断的裂反应一直延续下去，这种连续不断的裂变反应就叫做变反应就叫做“链式反应链式反应”。(2)链式反应与临界质量链式反应与临界质量17临界质量：临界质量：对于一种核燃料以及一种核燃料区的形对于一种核燃料以及一种核燃料区的形状，例如球形、柱形或其它，都有一相应的最小状，例如球形、柱形或其它，都有一相应的最小体积（或质量）使中子逃逸几率足够小以致能维体积（或质量）使中子逃逸几率足够小以致能维持核燃料区内的链式反应，这个体积（或质量）持核燃料区内的链式反应，这个体积（或质量）就称为就称为临界体积临界体积（或（或临界质量临界质量）。）。核燃料的质量达到临界质量是维持链式反应核燃料的质量达到临界质量是维持链式反应的必要条件的必要条件。临界质量的大小除了与核燃料区的。临界质量的大小除了与核燃料区的形状直接相关外，还与核燃料的性质（浓缩度、形状直接相关外，还与核燃料的性质（浓缩度、材料密度）密切相关。材料密度）密切相关。临界质量：对于一种核燃料以及一种核燃料区的形状，例如球形、柱临界质量：对于一种核燃料以及一种核燃料区的形状，例如球形、柱18（3）原子弹原子弹 原原子子弹弹利利用用的的是是不不加加控控制制的的链链式式裂裂变变反反应应，从从而而在在瞬瞬时时间间可可以以形形成成雪雪崩崩式式的的裂裂变变反反应应，使使大大量量核核燃燃料料在在极极短短时时间间内内“燃燃烧烧”释释放放出出大大量量能能量量，造成极端严重的杀伤和破坏。造成极端严重的杀伤和破坏。（3）原子弹原子弹19（4）氢弹）氢弹 核核 聚聚 变变 首首 先先 是是 在在 氢氢 弹弹 中中 实实 现现 的的。氢氢弹弹中中热热核核反反应应所所需需要要的的高高温温高高密密度度条条件件一一开开始始是是由由一一颗颗原原子子弹弹提提供供的的，这这个个原原子子弹弹被被称称为为氢氢弹弹的的“扳扳机机”，然然后后，由由热热核核反反应应产产生生的的能能量量的的在在一一定定时时间间内内继继续续维维持持热热核核反反应应所所必必须须的的条条件件。于于是是氢氢弹弹就就能能在在短短时时间间内内释释放放大大量量能能量量，形形成成比比原原子子弹弹威威力力大大几几倍倍的的大大规模毁灭性武器。规模毁灭性武器。（4）氢弹）氢弹20（5）核电站核电站链式反应的控制链式反应的控制 原子弹是一种不加控制的裂变反应器，原子弹是一种不加控制的裂变反应器，它在极短时间内释放出大量核能，极具破坏它在极短时间内释放出大量核能，极具破坏性，很难被作为能源来利用。因此裂变能的性，很难被作为能源来利用。因此裂变能的和平利用，首先要和平利用，首先要解决链式反应的控制解决链式反应的控制，一，一是要控制其超临界度，不能让它发生雪崩式是要控制其超临界度，不能让它发生雪崩式的反应；二是要使它在超临界和次临界状态的反应；二是要使它在超临界和次临界状态间随意转换。间随意转换。（5）核电站核电站21链式反应的控制方法链式反应的控制方法通通过过快快速速的的机机械械手手段段改改变变核核燃燃料料的的质质量量来来调调节系统节系统达到临界条件达到临界条件。让让快快中中子子在在某某些些特特定定的的介介质质中中通通过过碰碰撞撞损损失失其其能能量量而而变变成成热热中中子子（慢慢中中子子），这这个个过过程程称为称为慢化慢化，而那些特定介质就称为，而那些特定介质就称为慢化剂慢化剂。重重水水是是最最好好的的慢慢化化剂剂，石石墨墨也也是是一一种种良良好好的的慢慢化化剂剂，费费米米就就是是用用它它作作成成世世界界上上第第一一个反应堆的。个反应堆的。控控制制热热中中子子：采采用用镉镉（48Cd）作作为为热热中中子子反反应堆的控制棒。应堆的控制棒。链式反应的控制方法链式反应的控制方法221942年世界上第一个核反应堆运行成功。由于保密，不允许年世界上第一个核反应堆运行成功。由于保密，不允许拍照，这里只是一张油画。图中右上方手握大罐的三位青年拍照，这里只是一张油画。图中右上方手握大罐的三位青年物理学家组成物理学家组成“敢死队敢死队”，万一发生意外，他们就将吸收中子，万一发生意外，他们就将吸收中子的镉溶液注入反应堆。而站在下面的那位科学家正按照费米的镉溶液注入反应堆。而站在下面的那位科学家正按照费米的指令，一点一点地往外抽最后一根镉棒，以启动链式反应。的指令，一点一点地往外抽最后一根镉棒，以启动链式反应。1942年世界上第一个核反应堆运行成功。由于保密，不允许年世界上第一个核反应堆运行成功。由于保密，不允许核裂变发电站概貌核裂变发电站概貌核电站组成核电站组成:核反应堆、热交换器和发电装置。核反应堆、热交换器和发电装置。核核反反应应堆堆通通常常采采用用热热中中子子堆堆,反反应应堆堆的的堆堆心心是是原原子子能能发发电电站站的的心心脏脏，其其中中有有燃燃料料棒棒、慢慢化化剂剂、冷却剂冷却剂和和控制棒控制棒（镉棒）。（镉棒）。当当镉镉棒棒插插入入时时，堆堆心心处处于于次次临临界界状状态态，镉镉棒棒拔拔出出时时堆堆心心就就处处于于超超临临界界状状态态，于于是是控控制制镉镉棒棒就就可可以以控控制制反反应应堆堆的的运运行行。冷冷却却剂剂用用来来冷冷却却燃燃料料棒棒，并并通通过过热热交交换换器器将将热热量量送送到到无无放放射射性性的发电部分，供发电使用。的发电部分，供发电使用。核裂变发电站概貌核裂变发电站概貌24 研究性重水反应堆研究性重水反应堆中国中国1980年建成的高年建成的高通量工程试验堆堆芯通量工程试验堆堆芯 研究性重水反应堆中国研究性重水反应堆中国1980年建成的高通量工程试验堆堆芯年建成的高通量工程试验堆堆芯 核核电电虽虽然然造造价价较较高高，但但运运行行成成本本低低于于火火电电，环环境境污污染染也也比比火火电电小小得得多多，作作为为一一种种极极好好的的能能源源，将将来来会会在在全全世世界界广广泛泛推推广广使使用用。但也要警惕其危险性。但也要警惕其危险性。秦山核电站鸟瞰秦山核电站鸟瞰 核电虽然造价较高，但运行成本低于火电，核电虽然造价较高，但运行成本低于火电，26
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