课件：原子能及其和平利用.ppt

1,核工程与核技术系物理教研室 鄢泽林Email: 张辉 Email:h_zhang_,Advanced Physics of the Time,当代物理前沿,2,邓小平指出：“科学技术是第一生产力。” 现代科学技术已经成为社会发展的推动力，影响着国家的经济实力、政治实力、军事实力。 现代科学技术的发展一日千里，尤其在信息技术和生物技术方面的发展速度令人震惊。 通过这门课的学习，提高我们的科学素养。作为二十一世纪的大学生，应当时刻关注科技的发展，并积极投身进去，终身学习，不被时代所淘汰。,写在前面,3,课程要求,积极参与课堂讨论 结合本人学科专业，写出总结与体会 考核：考试60% 出勤和课堂表现40%,4,物理者，万物之理也。 物理学最早被称为自然哲学，是哲学专门研究自然界的分支。 近代，中国物理学一直落后于西方，它的现状和发展很基本上是由世界物理学现状及发展所决定的。,5,物理学,理论物理 粒子物理及原子核物理 原子分子物理 凝聚态物理 光学 声学 等离子体物理 无线电物理,理论物理,实验物理,应用物理,一级学科,二级学科,6,原子能及其和平利用,7,1896年,贝克勒尔发现铀盐的放射现象。这是人类历史上第一次在实验室里观察到原子核现象，是核物理学的开端。,获1903年度诺贝尔物理学奖,A.H.贝克勒尔 （法）1852-1908,伦琴发现X射线后,彭加勒(法)认为“X射线可能跟荧光属于同一机理”,在他的建议下,贝克勒尔着手验证,终于发现铀盐有预期效果.同时发现这种射线跟荧光不一样,不需要外来激发.进一步的研究表明这是有别于X射线的辐射,他称之为“铀辐射”.,贝克勒尔得到的第一张铀辐射照片,1.关于原子核的历史回顾,贝克勒尔是研究荧光和磷光现象的世家子弟，于1892年担任巴黎自然历史博物馆教授 ,而此职位是他祖父和父亲曾担任过的,偶然？必然？,J.J汤姆逊，英，1856-1940,1897年,J.J汤姆逊通过对阴极射线的研究测定了电子的荷质比从而在实验上发现了电子.,1925年,G.P汤姆逊证实电子的波动性.与戴维逊同获1937年度诺贝尔物理学奖.,J.J.汤姆孙曾师从瑞利,并于1884年（时年28岁）接替瑞利任卡文迪许实验室主任（长达35年），经他培养的研究人员中有7人获过诺贝尔奖.,获1906年度诺贝尔物理学奖,在19世纪末物理学的三大发现中，如果说X射线和放射性的发现具有某种偶然性, 那么，电子的发现却充分显示了科学发展的必由之路，它是许多人经过大量实验和理论研究，进行了长期的科学争论之后的产物。比起前两件来，电子的发现更有意义，它打破了原子不可分的传统观念。打开了通向原子物理学的大门。,9,皮埃尔.居里（法）（1859-1906） 玛丽.居里（法籍波兰）（1867-1934）,1897年,居里夫妇发现放射性元素 钋(Po)和镭(Ra),她们的女儿(1897-1956)和女婿(1900-1958)因发现人工放射性获1934年诺贝尔奖.,共同获1903年度诺贝尔物理学奖,贝克勒尔的发现引发了居里夫妇的兴趣. 他们发现有多种元素会自发辐射,并着手寻找新的辐射元素.,1898年7月,他们发现沥青铀矿分离物的放射性比同质量的铀强400倍. 确证放射性来自分离物内的一种微量元素.最终找到了特别强的放射性物质.居里夫妇建议称之为钋（Polonium）,为的是纪念祖国波兰.,进一步的分离实验发现钡盐有更强的放射性,认为还有第二种放射性更强的物质,他们命名为镭.最终得到放射性比铀强10万倍的镭的化合物结晶.后来他们用4年时间从8吨矿渣中提取了0.1g纯镭盐用于实验.1902年测得镭的原子量为225,找到两根明亮的特征谱线.至此,镭的存在得到公认.,10,1920年5月,美国记者麦隆内夫人在巴黎简陋的实验室访问居里夫人,问道：“难道这个世界上就没有你想要的东西？”“有,1克镭.以便我的研究.可18年后的今天我买不起,它的价格太贵了.”,居里夫人的高尚品质,麦隆内夫人回国后在全美妇女中为其募捐获得成功,1921年5月20日,美国总统将公众捐献的1克镭赠与居里夫人.,数年后,当居里夫人想在故国波兰华沙假设一个镭研究院治疗癌症时,美国公众再次为她捐赠了第二克镭.,居里夫人发现镭后,放弃专利,公布提纯方法。“没有人应该因镭致富,它是属于全人类的。”,“人类需要善于实践的人,他们能从工作中取得较大的收获,既不忘记大众的福利,又能保障自己的利益.但人类也需要梦想者.需要醉心于事业的大公无私.”,11,居里夫妇在工作中遭受了大剂量的辐射。居里夫人后来长期患恶性贫血症。弗列德利克约里奥曾检验过她当年的实验记录本，发现全都严重沾染了放射物。她当年用过的烹调书，50年后再检查，还有放射性。,1934年居里夫人在经过长期恶性贫血折磨后去世。她的女儿伊伦和女婿弗列德利克约里奥也因恶性贫血症相继于1956年和1958年去世。居里的一家有4人获诺贝尔物理奖，做出了巨大贡献，他们自己却被镭夺去了宝贵的生命。,12,卢瑟福(E.Rutherford） 英国物理学家，(1871-1937),新西兰人,1908年获得诺贝尔奖。证实了射线为 ,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位诺贝尔奖获得者.,查德威克（J.Chadwick） 英国物理学家(1891-1974)，卢瑟福的助手。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。,13,费米（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。,丁肇中，(1936) 与 B.里克特分别发现J、粒子，找到了美夸克存在的证据，1976年获诺贝尔奖。,14,1896：H.Becquerel发现了铀(U)放射现象; 1897：居里夫妇发现钋(Po)和镭(Ra); 1899：卢瑟福发现 , 射线； 1900：维拉德发现射线; 1903：卢瑟福证实射线为 ,射线为电子； 1911：卢瑟福提出原子的核式模型； 1919：卢瑟福首次实现人工核反应，发现了质子。 1932：J.Chadwick发现了中子; 1934：F. 1942：E.Fermi发明热中子链式反应堆； 1945：在奥本海默(美)领导下,原子弹试爆成功；（广岛） 1952：在泰勒(美籍匈牙利人)领导下，氢弹试爆成功； 1952：前苏联建成第一个核电站.,15,1958：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;,最早发现原子核一分为三的钱三强,“两弹元勋”邓稼先,16,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.,17,2.原子核的组成,核的组份,原子核对原子性质起主要贡献的是核的质量和电荷。,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,18,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) NA-Z:中子数,同位素:Z相同但N不同的核素.,例如,同中子异位素: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,19,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NZ重合,当N、Z 增大至一定数值后, 稳定线逐渐向 位于稳定线 NZ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,20,2 核的基本特性之一：核质量,质量亏损,原子核的质量与组成它的核子质量之和的差值.,用原子质量可表示为,氢原子的质量,核的结合能B,结合能：核子结合为某种核时释放的能量.,表明:亏损的质量转化为能量的释放. or:核能的释放以质量亏损为代价.,通过实验测出原子的质量M,即可由上式求出各种核素的结合能,反之亦然.因此,核的质量和结合能两词经常可等价使用.但至今仍无法从第一性原理导出核质量(或结合能)公式,以算出其它核素的质量(或结合能).,平均结合能 (比结合能),原子核中每个核子结合能的贡献,标志核子结合的松紧程度.,21,质量亏损m,核的结合能B,22,核的结合能图,核素图和核的结合能图是原子核物理学中最重要的两个图,2)A=40-120的中等核较高,几乎为一常量.,3)轻核和重核的较中等核低。,8.6MeV,1)当A30时,曲线有起伏的上升.其中,偶偶核(奇奇核)的有极大(小)值,具有较高(低)的稳定性;偶偶核(奇奇核):Z、N均为偶(奇)数,原子能（核能）,原子核结合能发生变化时释放的能量,获得核能的两个途径,1)重核裂变 2)轻核聚变,23,3 核力,核力：核子紧密结合形成高密度核的力,核的半径(由实验规律给出):,经验常数,核的质量密度：,核力的基本性质,1)核力是具有饱和性的短程力,核力是一种短程强相互作用力,只作用于相邻的核子.核的结合能近似与A成正比,比结合能B/A近似为常数,表明核力是具有明显饱和性的交换力.核的结合能正比于核的体积,这与液体相像.,2)核力是与电荷无关的强相互作用,核力强度约为库仑力的100倍.,海森堡于1932年假设：,a)电荷对称性:质子间、中子间的核力相等; b)核力与电荷无关:质子和中子间的核力相等.,此假设于1937年为实验初步证明,1946-1955年间为更精确的实验确证,24,3)核力在极短程表现为斥力,核子的作用势：由p-p、n-p的散射实验得出,核力表现为“斥力”,核力表现为“强引力”,核力消失,核子间距2fm范围内, 还有很多问题有待解决。,因无法制备纯中子靶而无法进行n-n散射实验,但间接实验证明有相似的大致规律)。,4)核力与自旋有关,两核子自旋平行时总自旋为1,此时作用力较强. (核子自旋平行和自旋相反时散射截面也不同),25,原子能的释放模式,重核裂变,从结合能图知,重核裂变为两个中等核时,平均结合能将增加1MeV左右,即每个核子平均贡献1MeV左右的能量.,平均来看,每个 裂变时将释放的能量约为200 MeV。释放的能量表现为碎片、放出的中子及相伴发生的衰变产物的动能.,裂变 释放的能量,一个铀核能提供的能量几乎是化学反应中一个原子提供能量(一般不到10MeV的能量)的一亿倍.最重要的一点是铀核裂变平均要放出2.5个中子,而这些中子是维持链式反应所必需的,即“中子的再生率1”,E.Fermi,意大利，1901-1954,获1938年度 诺贝尔物理学奖,费米的主要贡献：用中子辐照产生新放射性元素以及用慢中子引起核反应的有关发现,26,1934年，费米小组用中子轰击 ，对得到的放射性产物半衰期的测定表明它不属于其它重元素！这其实是重核裂变的最早证据。但他们作出错误判断，猜想那是“第93号元素”同时说明证据不足。但当时罗马大学物理研究所所长柯比诺却在国王出席的科学院会议上宣布发现第93号元素，引起新闻界的宣扬，吹捧这是法西斯主义在文化领域的胜利。,费米于1938年借领取诺贝尔奖之机由意大利迁居美国。在美军方支持下，于1941.12开始领导“曼哈顿工程”。,核裂变原料,占天然铀的0.72%，自然界仅有的能由热中子引起裂变的核素,占天然铀的99.27%，,可用来生产核原料：,1939年发现裂变时,世界上没有浓缩铀，当时还未发现钚,1945年美试爆的第一颗原子弹原料：,27,临界体积,在纯铀中,中子易从其表面逃逸而使反应中止。只有当其体积大于“临界体积”时才能发生链式反应。,轶事,斯罗达博士：用手阻止核爆炸的人,二战期间的一天,加拿大核物理学家斯罗达博士在实验室主持原子弹引爆临界试验工作,研究两块被放在轨道上的浓缩铀对合的临界质量. 拨动铀块的螺丝刀突然滑落,两块铀在轨道上相向滑动.就在两块铀即将滑到一起的关键时刻,斯罗达奋不顾身地用双手把它们阻隔开,避免了一起核爆炸.斯罗达受到高剂量的致命辐射,出事之后的第九天他离开了人世.加拿大政府和人民为了表彰这位优秀科学家对人类所做的贡献,把他誉为“用双手掰开原子弹的人”.,减速剂,欲使裂变反应持续,关键在于使中子减速.,目前常用的减速剂是重水和石墨.1942年世界第一个反应堆用石墨为减速剂.我国1958年建成的反应堆用重水为减速剂。,反应堆的控制棒用吸收中子很强的镉或硼制成。,链式反应大约1秒钟可产生1000代中子，解决的办法是靠“缓发中子” 。在设计反应堆时,要使缓发中子放出后才达到临界,才能使链式反应进行.因此有足够的时间来控制反应速度.,28,29,原子弹,发生链式反应,爆炸,35种元素的 200多种核素,铀-235 的临界质量约为1kg.,任何有核反应堆的国家都不难得到爆炸级的裂变材料，原子弹的基本设计又如此简单,从而为防止核武器扩散带来了困难。,30,1964年10月16日15时,中国在本国西部地区试爆成功一颗原子弹,蘑菇云发展图,31,“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。 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。,“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.”,“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：,32,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。 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，6.4万人丧生，7.2万人受伤，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8.6万人，占全市总人口的37%。,这是美国在日本投掷的两颗原子弹,33,痛苦的 回忆,原子弹在日本造成的,34,轻核聚变,轻核聚变中,每个核子贡献的能量是3.6MeV, 大约是 裂变时每个核子贡献能量的4倍.,氘核靠短程核力聚合在一起，核子间距r10fm才会有核力作用，r=10fm时的库仑势垒高度为：,两个氘核的聚合必须克服这个势垒,即每个氘核至少需要72keV的动能.,假如视其为平均动能,由,可得出相应的温度为,考虑到粒子的势垒贯穿几率和部分粒子的动能大于平均动能,从理论上估计,聚变温度约为,在此温度下所有原子均电离而形成等离子态.,说明,1）以上计算时取核子间距r=10fm。若按估算的氘核半径1.51fm计算,则Ec将为942keV.,2)以上考虑系以经典物理的看法。实际上还要考虑量子隧穿效应等。但研究表明，用击靶方式引发聚变的效率太低。（一百万个氘核打在靶上，只有一个可能进行聚变反应）,35,宇宙中主要能源由核聚变提供,太阳发生的是两种轻核聚变反应.,太阳能：引力约束聚变,C循环 (贝蒂循环） （1938年),p-p循环 (克里齐菲尔德循环),两种循环总的效果相同,均为：,4个质子的聚变过程中每个质子贡献6.7MeV,比裂变时每个质子的贡献大八倍,比化学能大一亿倍.太阳释放的能量相当于每秒种爆炸900亿枚百万吨级的氢弹.,天文研究表明,按太阳总质量的75%为氢计算,其热核反应可维持750亿年.,36,核聚变,由轻核聚合成中等核的过程.,实现聚变反应的三个条件,等离子体的温度足够高; 等离子体的密度足够大; 所需的高温和密度须维持足够长的时间.,1957年,劳逊将以上三个条件定量化(对dt反应)形成劳逊判据,这是实现聚变反应并获得能量增益的必要条件.,劳逊判据,太阳的热核聚变由万有引力约束，这需要有恒星那样大的质量，这不仅在地球上做不到，即使在太阳系最重的木星上也不能实现。,37,在地球上实现受控核聚变的约束方式,磁约束,惯性约束,磁约束,带电粒子在磁场中绕B线作拉莫旋进，横越B线的运动受到限制，此为磁场能够约束等离子体的基本原理。但在磁场中等离子体不稳定，难于长时间将粒子约束在等离子体内，这就是磁约等离子体的基本困难。,1958年以来形成大规模国际交流合作，1992年在最大一代托卡马克（译为“环流器”）装置上成功地进行了DT放电，聚变功率从7.5MW提高到10MW。2006年国际热核聚变实验堆（ITER）项目正式启动,惯性约束聚变,巴索夫（前苏诺贝尔奖得主）于20世纪60年代提出。不加外力而依靠聚变燃料自身惯性，在高温高压下短时间内完成聚变反应。氢弹实现的就是惯性约束。而可控的惯性约束必须在mm量级的靶内实现才不会产生灾难性后果，在技术上的难点很多。,38,聚变与裂变能,2019/8/6,39,可编辑,40,核聚变反应,D + T = n + 4He D + T = p + 3He,41,受控热核聚变,10克氘15克氚 人一生所需能源 500升海水含10克氘 无环境污染及长寿命放 射性废料,42,聚变需要亿度高温,劳逊判据（Q1） T10keV （1亿度） nt 3x1020m-3s,聚变需要亿度高温,43,实现聚变的三种途径,44,主要参数 Pf = 500MW Q 10 T = 500 s R = 6.2 m A = 2.0 m Ip = 15 MA B = 5.3 T V = 837 m3 S = 678 m2 Pin= 73 MW,46亿美元,ITER：我们的托卡马克聚变实验堆,45,法国人的梦想,2005年6月28日 ITER：Cadarache,46,磁约束聚变研究进展,磁约束聚变研究进展,47,磁约束受控聚变研究进展,30年聚变三乘积提高10万倍 平均每 1.8年翻一番,48,美国Nova激光聚变装置,1985年建成，10路 45000焦耳，1纳秒 2倍频/3倍频,49,美国国家点火（NIF）激光聚变装置,50,激光聚变电站,51,环流器1号,环流器2号,国内有关装置,52,神光II、星光II激光聚变装置,53,54,55,80年代我国建成的三大高能物理研究装置,上左：北京正负电子对撞机.1988.10建成。包括北京谱仪、北京同步辐射装置,上右：兰州重离子加速器.1989.11建成。系当时仅次于法、日的大型回旋加速器,下右：合肥同步辐射装置1989.4建成。主要用于粒子光谱的研究,56,Beijing, China,（大型通用探测器）,北京正负电子对撞机（外景）,57,2006.11.21,中国,欧盟,俄罗斯, 印度,日本,韩国,美国经长达十年的谈判最终签字，决定将其建在法国南部.这项计划花费128亿美元，目的是研究清洁而且无限的能源.建设过程预计超过十年,工程从2008年开始.,国际热核聚变实验堆（ITER）装置示意图.,58,2006.9.28,中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验,获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电.EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置.,59,氢 弹： 惯性约束聚变,轻核聚变反应中,氘(d)与氚(T)的反应截面最大而释放能量最多：,氘化锂( )可作为氢弹的原料,氢弹的原理：引爆普通炸药引发裂变反应, 产生高温高压同时放出大量中子,中子与 反应产生氚，发生d+T聚变反应.,典型氢弹（裂变弹）的能量,欲使这两部分能量相对减少,就要增加产生的中子数量,使聚变的贡献大于裂变贡献,这使人们进一步研究中子弹.但纯聚变弹至今仍实现不了.,氢弹的本质是利用惯性力约束高温等离子体(动力性约束).,人工约束较为成功的是激光惯性约束,此外还有电子束、重离子束的惯性约束方案,但这些人工惯性约束目前还仅限于理论,实践上还未获成功.可控核聚变最有希望的是磁约束.,60,1967.6.17，中国第一颗氢弹在西部地区上空试爆成功（比1000个太阳还亮） （距中国第一颗原子弹试爆成功不到3年）,61,1946年7月25日(二战结束之后將近一年)，史上第一场水下原子弹试爆释出了一团一英里高的蒸汽云，最顶部是一道道上升的水柱。在基部的地方，爆炸风扩散的震波看起来像个白色的圆圈，吞噬了一支无人的海军船队。这场试爆是“十字路口行动”（美国军队在太平洋马绍尔群岛进行的一系列核子试爆）的一部分，是地球上引爆过的第五颗原子弹。,62,1952年11月1日，世界的第一颗氢弹在太平洋的埃尼托威克环礁上方引爆，震撼了天际。这场美国的试爆行动代號艾薇麦克，把附近岛屿的植被全部连根拔起、造成了一个直径超过一英里的坑，並把大块大块受到放射线污染的珊瑚炸到50公里以外的地方。,63,核弹爆炸的瞬间,64,令人恐怖的美丽,65,66,核反应堆,通过受控核裂变反应获得核能的装置,可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数,以形成所谓的自持链式反应.,67,秦山核电站,核电是一种清洁能源,1995年一些国家核电占其总电力的比率,68,反应堆,69,我国于1958年建成的首座重水反应堆,70,中国现有核电站6座 浙江省-秦山核电站（一、二、三期） 广东省-大亚湾核电站和岭澳核电站， 江苏省-田湾核电站 未建成或在建： 三门核电工程项目 （浙江南部） 阳江核电站 （广东阳江） 烟台海阳核电站、威海乳山核电站、威海荣成核电站 辽宁红沿河核电站,71,核电“远景规划” 2005年，中国宣布将在2020年前建成30座核电机组，核电装机容量将从目前已经投产和在建的870万千瓦增加到4000万千瓦，从目前的占全国电力装机总容量的2.3提升到4。,72,2007年8月18日，红沿河核电站1号机组核岛第