材料的核物理性能ppt课件

第八章 材料的核物理性能,1,2,“台风”级弹道导弹核潜艇 潜航排水量 48000吨 6艘（1艘仍服役） 俄国防部决定全部退役941型核潜艇主要有几个原因。首先，2010年春俄美签署的第三阶段削减战略进攻性武器条约规定，双方部署展开的核弹头数量最多为1550枚。俄军941型核潜艇每艘最多可携载200枚核弹头，如果3艘该型核潜艇全部满载武器（R-39或R-39U弹道导弹）的话，几乎将占新条约限制标准的一半。,3,4,5,6,7,8,氘,氚,中子,氦,9,历史回顾重要人物,贝克勒尔(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。,历史回顾重要人物,居里(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。,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名诺贝尔奖获得者。 + 13N 16O + p,历史回顾重要人物,恰德威克(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。 + 9Be 12C + n,历史回顾重要人物,原子弹之父：奥本海默,14,邓稼先(1924-1986) 在原子弹、氢弹研究中，领导开展了爆轰物理、流体力学，状态方程、中子输运等基础理论研究。 领导完成原子弹的理论方案，并参与指导核试验的爆轰模拟试验。,15,历史回顾重要事件,1896：H.Becquerel发现了铀(U)放射现象; 1897：P. 1903：卢瑟福证实a 射线为He2+， b 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。,16,1932：J.Chadwick发现了中子; 1934：F. 1942：E.Fermi发明热中子链式反应堆； 1945：原子弹试爆成功，并在广岛上空爆炸； 1952：氢弹试爆成功。,历史回顾重要事件,17,1958：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；(10.16) 1967：我国第一颗氢弹试爆成功；(6.17) 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;,历史回顾重要事件,18,历史回顾原子弹,“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。 “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。”,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，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,中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图,历史回顾原子弹,中国第一颗氢弹爆炸蘑菇云,22,从第一颗原子弹到第一颗氢弹试爆成功，美国人走过艰难的7年零4个月，苏联人用了4年，英国人用了4年零7个月，法国人更是经过8年零6个月才修得正果，而中国人只用了惊人的短短2年零8个月时间，这是中国人创造的奇迹！,返回主目录,23,第一节、核物理基础简介,核质量的测量质谱仪 原理：先让原子电离，离子经电位差为V 的加速电场区后，又经一磁场为B 的磁场区，受洛仑兹力发生偏转，由偏转半径 R 可求得离子的质量。,24,第一节、核物理基础简介,放射性的一般现象,1） 射线：高速运动的He核组成，电离作用强，穿透本领低。,2） 射线：高速运动的电子流，电离作用弱，穿透本领较强。,3） 射线：波长很短的电磁波，穿透能力最强，电离作用最弱。,25,第一节、核物理基础简介,核衰变 原子核自发地放射出 或 等粒子而发生的转变称为核衰变。, 衰变, 衰变, 跃迁：处于激发态的原子核向基态或较低激发态跃迁。,26,第一节、核物理基础简介,哪些原子核能发生a衰变呢？,实验表明，不是所有的原子核都能发生 衰变。A 140的原子核才能发生 衰变。,由于 粒子的比结合能很高(7.07MeV)，结合很紧，故可以设想 粒子作为一个整体存在于核中，在其它核子构成的势场中不停运动。,27,第一节、核物理基础简介, 粒子与原子核的相互作用, 粒子与核内其它核子间主要存在两种作用力：核力和库仑力。 核力-吸引力，短程力。（比库仑力大得多） 库仑力-排斥力，长程力。, 粒子在核内：可以认为，受力近似地达到平衡， 粒子在核内可以自由地高速度地运动。 粒子在核边界：受库仑势垒的阻挡，只有很小的概率能穿透库仑势垒跑到核外。一旦脱离了原子核，它与子核间仅是库仑相互作用。,28,第一节、核物理基础简介, 衰变,指原子核自发地放射出一个 粒子或者俘获一个轨道电子而发生的转变。,轨道电子俘获（EC）是原子核从核外的电子壳层中俘获一个轨道电子。,29,第一节、核物理基础简介,原子核进行， 衰变以及核反应以后所形成的原子核往往处于激发态。处于激发态的原子核不稳定，常常进行电磁跃迁。 原子核通过发射 光子从激发态跃迁到基态或者较低的能态，这个过程叫做 跃迁，或称为 衰变。 射线的能量E 等于初始能级能量Ei与终态能级能量Ef 之差即 E = Ei Ef 。 光子能量一般为：10 keV - 5 MeV （10 8 cm 10 11 cm）, 衰变,30,第一节、核物理基础简介,天然放射性：天然存在的放射性核素所具有的 放射性。它们大多属于由重元素 组成的三个放射系（即钍系、铀 系和锕系）。,人工放射性：用人工办法产生的放射性。一般 利用反应堆或加速器来产生。,31,第一节、核物理基础简介,人造放射性核素有两种方法：反应堆和加速器。,反应堆： 一是利用反应堆中强中子流辐照靶核，靶核俘获中子而生成放射性核素（中子活化法）； 二是利用中子引起重核裂变，从裂变碎片中提取放射性核素。,加速器：主要通过加速器加速带电粒子来轰击靶核，引起核反应而获得放射性核素。,32,第二节、核物理性能及应用,33,1、核反应堆,34,1、核反应堆,35,1、核反应堆,核反应：原子核与原子核，或者原子核与其它粒子（如中子、 光子等）之间的相互作用所引起的各种变化。 1）各式各样的核反应是产生不稳定核素的最根本的途径。 2）核反应涉及的能量可以很高，通常在一个核子的分离能以上，甚至高达几百MeV以上。反应核谱学是研究高激发能级的重要手段。,36,1、核反应堆,3）由核反应实验结果与理论预言比较，可得到核反应机制、原子核结构的重要信息。迄今为止，有关原子核的知识，主要来自核反应的研究。 4）核反应的研究为核能的开发、核技术的应用奠定了物理基础。一些研究结果，对物理学甚至化学的一些领域也有重要意义。,37,一、实现核反应的途径,要使核反应过程能够发生，原子核或其它粒子（如中子、 光子等）必须足够接近靶核，一般要达到核力作用范围（1012 cm）。 实现这一条件可以通过以下途径： 1）利用核衰变产生的高速粒子去轰击原子核。,用放射源提供入射粒子来研究核反应，入射粒子种类很少，强度不大，能量不高，而且不能连续可调。故目前应用较少。,1、核反应堆,38,2）利用宇宙射线实现核反应。,宇宙射线的能量一般都很高，最高可达1021 eV。这是目前用人工方法不能实现的。用它作为入射粒子来研究高能核反应有可能发现一些新现象。 但宇宙射线的强度很弱，能观测到核反应的机会极小。,1、核反应堆,39,3）利用加速器、反应堆产生的粒子进行核反应。,这是实现人工核反应的最主要的手段。特别是随着粒子加速器技术的不断发展和性能改进，人们已能将几乎所有的稳定核素加速到单核子能量数百MeV，甚至更高的能量。在束流强度和品质方面也有极大提高。 加速器产生的粒子，种类多、能量范围广、能量大小可调、束流强度高，是核反应研究的主要工具。,1、核反应堆,40,第一个在加速器上实现的核反应：1932年，英国考克拉夫（J. D. Cockroft）和瓦尔顿（E. T. S. Walton）把质子加速到500 keV，,释放的 粒子每一个具有8.9 MeV动能。,1、核反应堆,41,二、核反应过程的分类,1、表示,or,式中，A 和a 分别表示靶赫和入射粒子；B 和b 分别表示剩余核和出射粒子。,1、核反应堆,42,（1）按出射粒子不同可分为两大类： a = b 称为核散射, ba 称为核转变 。如：,在这一类核反应中，有一种过程，出射粒子为 射线，称为辐射俘获。如,1、核反应堆,43,（2）按入射粒子种类不同，核反应分为：, 中子核反应, 带电粒子核反应, 光核反应：由 光子引起的核反应,1、核反应堆,44,（3）按入射粒子能量不同可将核反应分为：, 低能核反应：单核子能量E30 MeV，此时最多出射3 4个粒子。 中能核反应：单核子能量30 MeVE/A1000 MeV，此时可以使靶核散裂成许多碎片。E/A100 MeV时，还可以产生介子。 高能核反应：E/A1000 MeV，此时除可以产生介子外，还可以产生其它一些基本粒子和形成奇特核。,1、核反应堆,45,（4）按靶核的质量数A 的大小分：, 轻核反应： A30； 中量核反应： 30A90： 重核反应： A90。,1、核反应堆,46,四、核反应过程的描述,韦斯科夫（V. F. Weisskopf）于1957年对核反应过程提出了三阶段描述，如图9-15。他是根据反应的时间顺序来分的。 另外，在他描绘的图像中还包含了两种不同的反应机制：复合核反应和直接反应。根据反应阶段不同和反应机制的差异，建立了各不相同的模型理论。它们都成功地解释了许多实验现象。,1、核反应堆,47,1、核反应堆,48,第一阶段：独立粒子阶段。,入射粒子接近到靶核核场作用范围内，犹如光波射到一个半透明的玻璃球一样，可能发生两种情况：一是粒子进入靶核，被靶核吸收，引起核反应（犹如玻璃球吸收了光波）；二是粒子被靶散射（弹性散射，犹如光波遭到了玻璃球的反射和折射）。 描述这一阶段的核反应模型称为“光学模型”。在这一阶段，入射粒子在靶核核场中运动，保持相对独立性。,1、核反应堆,49,1、核反应堆,50,第二阶段：复合系统阶段。,粒子被靶吸收，粒子与靶核发生了能量交换，因而不再能看作是粒子在整个靶核作用下独立运动，而认为入射粒子和靶核形成了一个复合体系。 描述这一阶段的核反应模型称为“复合核模型”。核反应过程可表示为：,1、核反应堆,51,能量交换方式： 入射粒子把能量交给靶核表面或体内的一个或几个核子，使反应直接推向第三阶段直接作用； 入射粒子在核内碰撞多次再发射出来多次碰撞； 入射粒子把部分能量交给靶核后飞出，这是靶核产生集体激发，引起核的集体转动、振动等集体激发； 入射粒子与靶核经过多次碰撞，不断损失能量，最后停留在核内，和靶核融为一体，形成一个中间过程的原子核复合核。,1、核反应堆,52,第三阶段：最后阶段。,此阶段中，复合系统分解成出射粒子和剩余核。显然，若分解出的粒子与入射粒子相同，同时剩余核处于基态，这就是弹性散射。但不同于独立粒子阶段的势弹性散射，这种经过复合核的弹性散射称为复合核弹性散射，它就是9.6节所讲的共振散射。 若剩余核处于激发态，就是非弹性散射。,1、核反应堆,53,2）复合核反应,复合核形成要经过多次碰撞，达到统计平衡后才能实现，因此作用时间比直接作用过程长得多，约为1015 s。 形成复合核后，已失去形成前的“记忆”，其出射粒子角分布各向同性或90对称，能谱接近麦克斯韦分布。,1、核反应堆,54,对于一个具体的反应，复合核过程和直接过程往往同时并存，但对于不同的入射粒子和靶核，不同的入射粒子能量，复合核截面和直接作用截面的相对大小是不同的。在某些情形，一种机制占压倒优势，以致在实验上观察不到两种反应机制的并存。 根据两种机制的特点，可以判断不同反应机制的类型，以及估计各种反应机制所占的比例。,1、核反应堆,55,2、核材料辐照效应,56,氘,氚,中子,氦,2、核材料辐照效应,57,2、核材料辐照效应,58,2