原子核物理的对象.ppt

十九世纪末 物质结构的研究开始进入微观领域 取得了许多重大进展 原子 原子核和粒子物理 发现了微观世界的运动规律 建立了量子力学 量子场论以及量子电动力学 原子能的释放为人类提供了一种新能源 推动社会进入原子能时代 原子核物理是一个国际上竞争十分激烈的科技领域 各国都投入了大量人力 物力和财力从事这方面的研究工作 原子核物理基础研究的重大成就 核能和核技术的广泛应用已成为科技现代化的主要标志之一 核技术的应用大体上有下列五个方面 1 为核能源的开发服务 如提供更精确的核数据和探索更有效地利用核能的途径等 2 同位素的应用 同位素示踪 药剂用于诊断或治疗 同位素仪表用作生产自动线检测或质量控制装置 3 射线辐照的应用 加速器及同位素辐射源已应用于工业的辐照加工 探伤 消毒 农业上的育种及放射医疗等方面 并建立了辐射物理 辐射化学等边缘学科及辐射工艺等技术部门 4 中子束的应用 由于中子束在物质结构 固体物理 高分子物理等方面的广泛应用 人们建立了专用反应堆提供强中子束 在辐照 分析 测井及探矿等方面也得到应用 中子的生物效应是一个重要研究方向 快中子治癌已取得一定疗效 5 离子束的应用 离子注入技术是研究半导体和制备半导体器件的重要手段 离子束也是用来进行无损 快速 痕量分析的重要手段 1原子核物理的对象 2核的基态特性之一 核质量 3核力 4核的基态特性之二 核矩 5核模型 6放射性衰变的基本规律 7 衰变 8 衰变 9 衰变 10核反应 11裂变与聚变 基本内容 学而不思则罔 思而不学则殆 孔子 论语 为政 学习与思考 1原子核物理的对象 学习与思考 一个深夜 担任英国剑桥大学卡文迪许实验室主任的卢瑟福 披着外衣来检查实验室 发现一位学生还在做实验 卢瑟福就问他 你上午干什么了 学生回答 在做实验 卢瑟福又问 那你下午做什么了 学生回答 做实验 卢瑟福提高嗓门问 那你晚上又做什么呢 学生挺直了胸脯回答 我还在做实验 卢瑟福对他说 你整天做实验 还有什么时间用于思考呢 核外电子的运动 原子物理 原子核 原子核物理的对象 历史回顾 重要人物 H Becquerel 法国物理学家 1852 1908 1903年获得诺贝尔奖 发现了铀 U 放射现象 这是人类历史上第一次在实验室里观察到原子核现象 H Becquerel得到的第一张铀辐射照片 近代核物理的开始 历史回顾 重要人物 M Curie 法国物理学家 1867 1934 波兰人 1903年获得诺贝尔奖 发现钋 Po 和镭 Ra 她的女儿 I Joliot Curie 1897 1956 和女婿 F Joliot Curie 1900 1958 因发现人工放射性获1934年诺贝尔奖 历史回顾 重要人物 E Rutherford 英物理学家 1871 1937 新西兰人 1908年获得诺贝尔奖 证实了a射线为He2 b射线为电子 提出了原子的核式模型 首次实现人工核反应 培养了10诺贝尔奖获得者 1919年 卢瑟福发现了质子 历史回顾 重要人物 PaulUlrichVillard 法国物理学家 1860 1934 1900年发现 射线 1907获得LaCaze奖金 历史回顾 重要人物 J Chadwick 英国物理学家 1891 1974 1935年因发现了中子获得诺贝尔奖 中子的发现被认为是原子核物理的诞生 1932年 查德威克发现了中子 历史回顾 重要人物 E Fermi 意大利物理学家 1901 1954 1938年获得诺贝尔奖 发明了热中子链式反应堆 原子能利用的开始 历史回顾 重要人物 R L Mossbauer 德国物理学家 1929 1976 1961年因为对 辐射的共振吸收的研究和发现的Mossbauer效应获诺贝尔物理学奖 历史回顾 重要人物 李政道 杨振宁发现了在弱相互作用中宇称不守恒 并由吴健雄的实验所证实 历史回顾 重要人物 丁肇中 1936 与B Richter 1931 分别发现J 粒子 找到了美夸克存在的证据 1976年获诺贝尔奖 历史回顾 重要事件 1896 H Becquerel首次发现了铀 U 放射现象 1897 P 历史回顾 重要事件 1934 F 1942 E Fermi发明热中子链式反应堆 1945 在J R Oppenheimer领导下 原子弹试爆成功 并在广岛上空爆炸 1952 在E Teller领导下 氢弹试爆成功 1952 前苏联建成第一个核电站 小玩意儿 钚装药重6 1千克 TNT当量2 2万吨 试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压 致使一座30米高的铁塔被熔化为气体 并在地面上形成一个巨大的弹坑 历史回顾 原子弹 在半径为400米的范围内 沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质 半径为1600米的范围内 所有的动物全部死亡 原子弹之父 奥本海默在核爆观测站里感到十分震惊 他想起了印度一首古诗 漫天奇光异彩 有如圣灵逞威 只有一千个太阳 才能与其争辉 我是死神 我是世界的毁灭者 历史回顾 原子弹 历史回顾 原子弹 在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团 爆炸产生的气流 烟尘直冲云天 高达12英里多 历史回顾 原子弹 美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤 广岛市区80 的建筑化为灰烬 64000人丧生 72000人受伤 伤亡总人数占全市总人口的53 长崎市60 的建筑物被摧毁 伤亡86000人 占全市总人口的37 历史回顾 原子弹 今日美国报 美国国家核安全管理局2011 10 25发布声明宣布 美国最后一枚冷战时期存放至今的B53核弹已被拆除 这种堪称美国威力最大的核武器就此寿终正寝 走入历史 B53核弹重约4 5吨 长3 8米 直径约1 3米 威力是在广岛爆炸的原子弹的600倍 爆破时的冲击波能够摧毁方圆6公里内的所有建筑物 有效杀伤直径为15公里 1959年由洛斯阿拉莫斯国家实验室研制成功 1997年退役 前苏已实验未生产10亿万吨TNT前苏沙皇炸弹5000万吨TNT美国B53900万吨TNT美国Mark16800万吨TNT美国B83120万吨TNT中国东风41100万吨TNT 超级核弹 美国此举主要是因为这种自由落体式核弹已经落伍 不符合现代战争的实际需要 现在可以使用其他方式 特别是导弹 大幅提高核弹命中精度 实际上 由于对地球毁灭的恐惧 大杀伤威力早就不是美俄核弹的追求 目前核航弹的威力最多为几百万吨TNT当量 而多弹头洲际弹道导弹所携带的核弹头当量通常为50万吨到100万吨 原因很简单 大当量干不过高精度 据西方专家估计 将核武器精度提高一倍的对目标的破坏效果 相当于将当量提高一倍带来的效果的5倍 所以 在上世纪70年代 美苏等国都把核武器发展的重点放在提高精度 而非进一步增大当量上 B53的精度太差 这种由减速伞减速的无制导大型核弹的命中精度非常有限 大约为数百米 依照这个精度 即便B53能投放到苏联地下指挥所的上空 也未必能够完全摧毁地下的指挥所 B53核弹的另一缺点 太大 美国的B 52轰炸机只能装载2枚这种核弹 据介绍 由于其尺寸限制 目前只能由B 52轰炸机携带 而这种亚音速 非隐身轰炸机几乎不可能穿越大国的防空网投放这种大当量核弹 在高危环境下 B 52目前往往是采用发射空射巡航导弹的方式进行作战 美军现有投放核弹的主力轰炸机则是B 2 但是其弹仓容纳不下B53核弹 目前 美军已经有了更好的替代武器 那就是上世纪90年代研制的B61 11钻地核弹 它也是美国在冷战后 首次在没有进行核试验的情况下 利用计算机模拟技术研发出来的核弹药 该型弹药成为B 2的战斗武器 该型核弹重约545千克 长3 7米 弹体直径约0 34米 弹尾直径约0 57米 采用惯性导航系统 在机载雷达的指引下打击目标 其当量大约在40万吨左右 由于它在地下深处的爆炸 利用核爆炸所产生的极强的岩土冲击波和震动来摧毁地下深层硬目标 能摧毁地下的建筑设施而不致对地面造成太大的破坏 B61 11钻地核弹 美国前苏冷战时期32000枚45000枚条约计划1550枚1550枚 至2018年 目前2150枚 部署 5000 6000枚2850枚 封存 估计 核弹数量 历史回顾 重要事件 1958 我国建成第一座重水型原子反应堆 1964 我国第一颗原子弹试爆成功 1967 我国第一颗氢弹试爆成功 1969 我国首次成功地下核实验 1984 我国受控热核聚变实验装置顺利启动 1988 北京正负电子对撞机首次对撞成功 1991 秦山核电站发电成功 中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图 历史回顾 原子弹 中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸 世界有核武器国家及地区形势示意图 红色 联合国核五常 橙色 事实拥核国家 印度 巴基斯坦 朝鲜 以色列 黄色 致力于研制核武器国家 伊朗 紫色 曾拥有或曾研制核武器的国家 乌克兰 白俄罗斯 哈萨克斯坦 南非 伊拉克 蓝色 被国际原子能机构认为具备核武研制能力的国家和地区 包括中国台湾 日本 韩国等 秦山核电站 秦山核电站 秦山三期核电站 首座重水堆 秦山三期核电站一号气轮机组728MW 岭澳核电站全景 大亚湾核电站外景 中国未来15年内核电项目投资总额将达4500亿元 2007年11月03日 新增投产2300万千瓦的核电站的选址 将从广东 浙江 山东 江苏 辽宁 福建等沿海城市中优先选择 目前已经在这几个省市确定了13个优先选择的厂址 国家考虑在尚无核电的沿海省 区 各安排一座核电站开工建设 北京正负电子对撞机 BEPC 示意图 注入器长202米 储存环的周长为240 4米 对撞能量2 5GeV物理目标 北京35MeV质子直线加速器 中国原子能科学研究院HI 13串列加速器 中国原子能科学研究院实验快堆 预计2010年 热功率65MWe 电功率25MWe 1995年12月立项 2000年5月浇灌第一灌混凝土 2002年8月实现核岛厂房封顶 2009年9月达到首次临界 预计2010年6月实现并网发电 中国实验快堆 中国原子能科学研究院先进研究堆 CARR 即将建成 中国先进研究堆CARR堆型为轻水冷却慢化 重水反射反中子阱池式反应堆 是一座多用途 高通量研究型反应堆 堆功率60MW 该堆具有以下特点 品质因子大 即单位功率所能获得的最大热中子注量率高 有效中子利用空间大 便于布置水平孔道引出中子束供试验 同时也便于布置各种垂直孔道供辐照试验和生产 与国际同类反应堆比较 CARR主要技术指标和性能已经达到了国际先进水平 并位居前列 中国环流1号 国家同步辐射实验室鸟瞰 中国第一台静电加速器 高压倍加器 欧洲核子中心CKRN坐落在美丽的日内瓦湖畔 毗邻雄伟的阿尔碑斯山脉 地跨瑞士 法国 是世界上最大的高能物理实验中心之一 质子同步加速器 超级质子加速器 SPS 正负电子对撞机 LEP 加速器 AerialviewofFermilabAccelerators withtheMainInjectorunderconstructioninbackandTevatronintheforeground AerialviewofFermilabAccelerators withtheMainInjectorinforegroundandTevatronintheback 高压倍加器提供第一级加速 在高压倍加器内 氢气被电离 产生负离子 每个负离子由两个电子和一个质子组成 离子由正电压加速 能量达到750keV 相当于电视机显象管电子束能量的30倍 增强器位于地下约20英尺处 增强器是一个圆形加速器 它利用磁铁使质子束流在一个圆形通路里弯转 质子沿增强器转20 000次 反复经过电场 每转一圈 质子就多获得一些能量 能量达到8GeV时 便离开增强器 1999年竣工的主注入器加速粒子并传输束流 主注入器有4个功能 1 将质子从8GeV加速到150GeV 2 产生120GeV质子 用于反质子的产生 3 从反质子源接收反质子并把它们的能量提高到150GeV 4 将质子和反质子注入Tevatron 为产生反质子 主注入器把120GeV的质子送到反质子源 质子与镍靶对撞 产生范围很广的次级粒子 包括许多反质子 反质子被收集 聚焦后存在累积环内 当产生足够数量的反质子后 它们被送到主注入器以便加速 并注入到Tevatron Tevatron接收从主注入器来的150GeV的质子与反质子 并将其几乎加速到1000GeV 质子与反质子按相反的方向在Tevatron里运转 速度每小时仅比光速慢200英里 质子与反质子束流在Tevatron隧道中的CDF和D0探测器的中心部分发生对撞 爆发式地产生新粒子 美国斯坦福直线加速器中心 日本KEK加速器实验室 德国DESY加速器实验室 德国达姆施塔特重离子加速器 理查德 霍尔从1997年起开始尝试自制核聚变反应堆 我在差不多1个月的时间里造出了一台核聚变反应堆 霍尔说 他现在正准备制造自己的第5台核反应堆设备 在位于美国匹兹堡的自家车库里 51岁的弗兰克 萨安斯最自豪的发明 一个可以工作的核聚变反应堆 核聚变反应堆设备设计稿 自制的核反应堆设备 中子发现之前 人们只知电子和质子这两种基本粒子 当发现原子核可放出电子 衰变 后 自然使人们推测原子核是由电子和质子组成的 p e nuclear 在多个方面无法解释 首先 Heisenberg不确定关系 非相对论 相对论 太快了 太高了 核的组成 He 其次 无法对有些核的自旋给出合理的解释 例如 如此得到的氮核自旋为半整数 但其实验值为整数 再次 无法解释原子核的磁矩 原子核由质子和中子组成 质子和中子由夸克组成 目前已经明确夸克有6种 它们和电子等6种轻子被认为是物质最基本的组成单元 核的线度只有原子的万分之一 但质量却占原子质量的99 以上 近年来的实验已经有了夸克可能是由更小的粒子组成的迹象 仍有待进一步研究 核的组份 原子核对原子性质起主要贡献的是核质量和电荷 元素的物理 化学性质或光谱特性主要与核外电子有关 而放射性现象则归因于原子核 核外电子的行为对原子核的影响甚微 可不予考虑 原子质量单位u 同位素原子质量的1 12 原子核质量数A 原子的质量都接近于一个整数 这个整数称为 核子 中子和质子统称核子 原子核的质量一般可用质谱仪测定 其测量精度可达 核素及其标记 元素 质子数相同的一类原子 核素 具有相同质子数和相同中子数的一类原子核 核素符号 A 质量数 核子数 Z 质子数 原子序数 N A Z 中子数 同位素 Z相同但N不同的核素 例如 同中子素 N相同但Z不同的核素 同量异位素 A相同但Z不同的核素 同质异能素 A和Z均相同但能量状态不同的核素 迄今为止发现的2000多个核素中 有300多个天然核素 280多个稳定核素 60多个放射性核素 其余1600多个是自1934年以来人工合成的放射性核素 例如 例如 例如 核素图 核素的稳定区 稳定核素几乎全落在一条光滑曲线上或紧靠其两侧 此区域称核素的稳定区 对于轻核 这条曲线与直线N Z重合 当N Z增大至一定数值后 稳定线逐渐向位于稳定线N Z的方上侧的为缺中子向偏离 核区 下侧为丰中子核区 中子数和质子数过多或过少的核素都不稳定 中科院近物所 新核素图 114种元素 3070个核素 核素图 质子数 可能的超重元素岛 不 稳 定 海 洋 已知核素半岛 Z N Z 114 Z N 在轻核区 A84的以及质子数或中子数过多的核都是不稳定的放射性的同位素 质子结合能为零的线成为质子滴线 中子结合能为零的线成为中子滴线 黑点 稳定线的经验规律 理论预言 Z 114附近有超重元素稳定岛 核的大小 原子物理学 中 在讨论Rutherford散射时 曾经对原子核的大小进行了估计 rm为原子核大小的上限 定义1 力的作用半径 散射实验 定义2 电荷分布半径 高能e散射实验 电荷密度分布 经验拟合半径 核的体积 核的密度