核能利用、放射性同位素考古.ppt

核能的应用、放射性同位素考古,1919年，E.卢瑟福任卡文迪许实验室主任时，用粒子轰击氮原子核后射出的粒子，命名为proton质子，这个单词是由希腊文中的“第一”演化而来的。1918年他注意到在使用粒子轰击氮气时他的闪烁探测器纪录到氢核的迹象。卢瑟福认识到这些氢核唯一可能的来源是氮原子，因此氮原子必须含有氢核。他因此建议原子序数为1的氢原子核是一个基本粒子。,1932年，卢瑟福的学生英国物理学家查德威克证实了在铀核中还放射一种类似射线，但贯穿力更强的辐射。它是由中性微粒组成的，从而中子发现了。,查德威克,人们提出了核是由质子和中子组成的核模型。在这种理论中，每种元素的原子序数即是其原子核中的质子的个数，而该元素的质量即是其核内质子与中子的质量和。同样地，同位素的本质揭示：它们是核中的质子数相等，而中子数不等的一些原子，因此在周期表中位于同一位置。质子和中于除了所带电荷不同外，其他各方面都很相象。因此物理学家把它们统称为核子。,20世纪对原子结构的研究揭示出原子是可变的、可分割的，原子由质子、中子、电子组成，而质子、中子则由更小的粒子组成。基本粒子的性质不同而且能相互结合组成比较稳定的原子结构，原子之间能够通过交换一定的组分如电子，而形成分子。所有这些过程都受着已知的力学和电磁定律的支配。在现代原子论中，基本粒子可以转化为辐射，反之亦然。在组成更大的单元时，基本粒子也不一定保持自身不变。,一、“基本粒子”世界,原子核(Nucleus)的结构,原子核包含两种粒子：中子(Neutron)与质子(Proton)中子与质子的质量相近，约为电子质量的1840倍。中子、质子、电子的质量1me=9.10910-31kg1mp=1.6726210-27kg1mn=1.6749310-27kg,每种元素的原子序数是其原子核中的质子的个数而该元素的质量即是其核内质子与中子的质量和。同位素的本质：它们是核中的质子数相等，而中子数不等的一些原子，在周期表中位于同一位置。质子和中子除了所带电荷不同外，其他各方面都很相象统称为核子。,是什么使得带正电的质子和不带电的中子紧紧的结合在这么小的范围之中?强相互作用。,核力,人们最初认为这一相互作用是用场来传递的。电磁相互作用是由交换电磁场的场量子Y光子而产生的由一粒子放出光子而另一粒子吸收光子的过程而产生的。通过类比，日本物理学家汤川秀树提出：核力也是由核子之间交换某种粒子产生的。汤川把这种粒子称为介子，并估计出它的质量约为电子质量的200倍。,1937年，美国物理学家安德逊在宇宙线中发现了一种质量约为电子质量207倍的新粒子，但事后发现它只有弱相互作用，并不能传递核力，所以不是介子。1947年英国物理学家鲍威尔在宇宙射线中发现了另一种粒子。它与核子有很强的作用，它才是汤川所预言的介子，它的质量是电子质量的264倍。,衰变与中微子,稳定的重核吸收中子后处于不稳定状态，其中的中子会转变成为质子同时放出一个粒子,这种现象称为衰变。但反应前后能量不守恒。奥地利物理学家泡利（19001958）1930年提出了一个大胆的设想：如果认为在衰变过程中还伴随着一种未被查觉的未知粒子的话，矛盾可获得解决。1933年费米在此基础上提出了衰变理论，并把泡利预言的这样一种不带电的、质量极小的粒子命名为：“中微子”。,加速器的发展使得大量的新粒子产生了。,1956年，探测到反中微子，1962年又发现了另一种反中微子。人们又相继在宇宙射线中发现了K介子，以及超子等一系列新粒子。这是因为在宇宙射线中含有高能量的基本粒子。它们与大气层中的核子相撞(散射)，就能产生许多粒子。然而能量越高的情况却越难发现。,基本粒子家族,1947年（英）鲍威尔利用核乳胶在宇宙射线中发现介子。符合日本汤川秀树的预言能够解释核力。第一代基本粒子：到1947年，人们认识到的粒子已达14种之多，经实验确定的已有十种。如果按照质量递增的次序来排队，可分为光子（），轻子（质量很轻，如e-,e+,，,而+和-粒子只参加弱相互作用，故称为轻子），介子（+，0，-），重子（质量很重，如p，n，）这么四种。,从三十年代初期的四种粒子发展到1947年的十四种粒子，基本粒子的家谱已有很大的发展。这14粒子各有各的用处质子、中子、电子构成一切稳定的物质；光子是电磁力的传递者，又是电磁场的基元，介子的作用是传递核力；中微子在衰变现象中扮演一个不可缺少的配角；介子则在宇宙射线中出现。使人高兴的是，其中有不少的粒子都是先从理论上预言的。,第二代基本粒子,反物质正电子与反粒子的发现,早在正电子发现之前，科学家们就在考虑这样一个问题：对称性在自然界里是普遍存在，可是为什么只有带负电的电子而没有带正电的电子？为什么只有带正电的质子而没有带负电的质子？1928年狄拉克描述单个电子的相对论性波动方程的量子力学理论狄拉克方程负能量的解预言正电子的存在。1932【美】安德森利用云室从宇宙射线中发现了正电子。,在1955年，美国加利福尼亚大学的物理学家张伯伦和西格雷连续几小时用6.2千兆电子伏的质子轰击铜靶后，观测到了反质子（事实上共发现了60个反质子）。他们由于这项发现而获得1959年诺贝尔物理奖。,张伯伦,反质子、反中子与正电子能否组成反原子而组成反物质呢？我们的宇宙中是否有反物质组成的天体呢？人工第一个反核素：美国长岛的国立布鲁克海文实验室,美国科学家莱德曼在用七千兆电子伏的质子轰击铍靶时，产生了一种由反质子和反中子结合成的“反氘核”。后来又产生了“反氦3”,基本粒子的相互作用,万有引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用,引力相互作用：比其他三种相互作用要弱许多倍，但它却是人类首先认识的一种相互作用。这是因为引力不但是一种长程相互作用，而且它只有相吸引的力，没有相排斥的力。因此它只会加强，不象其他相互作用那样会相互抵消。物体只要有质量，它们之间就一定有引力相互作用，所以称它为万有引力。质量越大，引力也越大。引力的这些性质，使它是唯一控制天体运动的力。,弱相互作用：1896年法国物理学家贝克勒尔发现了天然放射性，即某些原子核会自动放出一些射线，从而变成另一种原子核。不过这个过程进行得很慢，要许多年后，才有一半的核变掉。也就是说核的半衰期很长。物体一定要受到某种力的作用才会从一个状态变为另一种状态。那末，是什么力使原子核会自行衰变?根据半衰期很长和发生在原子核的内部这两个特征，我们可以猜测：这种力非常弱，它的作用范围非常小。因此人们把它叫作弱相互作用力。,强相互作用：原子核中带正电荷的质子之间的库仑排斥力（电磁相互作用），会使得除氢原子核以外的所有原子核都会顷刻分崩离析。原子核是非常稳定的，要碎裂它非常困难。这就意味着在原子核的内部一定还有一种比电磁力更强的力。这种保持原子核稳定的力就叫做强相互作用力。如果电磁相互作用的强度为1，那末强相互作用的强度就是它的137倍。强相互作用的范围也是原子核的范围：1013厘米。所以，尽管它是宇宙中最强的相互作用，却是最晚被发现的两种相互作用中的一种。,统一相互作用理论物理学家发现这四种相互作用都可用一种叫做规范场的理论来描述。这就唤起了人们统一这四种相互作用的希望。牛顿力学的建立（1686年）统一了地上的运动规律和天上的运动规律；安培和法拉第的工作（1831年）初步统一了电学和磁学；麦克斯韦的电磁理论（1873年）进一步统一了电场和磁场及电磁波和光；爱因斯坦的狭义相对论（1905年）统一了空间、时间与物质的运动；,爱因斯坦的广义相对论（1916年）进一步统一了时空与引力；统计物理学（1901年）在宏观物理与微观物理之间架起了桥梁；量子力学（1926年）的建立统一了物理学与化学甚至生物学，至少是部分生物学。1967年，美国物理学家温伯格提出了弱相互作用与电磁相互作用统一的规范理论（即弱电统一理论），几个月后（1968年）萨拉姆也独立地提出了相似的理论。弱、电、强三者统一的所谓“大统一理论”。四种相互作用统一的理论所谓“超统一理论”。,在强子结构模型的基础上，1964年，美国物理学家盖尔曼等人提出了“夸克模型”。夸克模型认为“夸克”才是基本粒子，强子均由夸克组成。夸克的重子数B1/3，因此可以由三个夸克组成一个重子。这也使夸克具有奇特的性质：第一，带电荷是电子的三分之二(或负三分之一)倍。夸克带有分数电荷。第二，人们至今还没有发现单独存在的夸克，它只能被“禁闭”在强子内部，这就是所谓“夸克禁闭”。第三，在很短的距离内(例如在强子内部)，夸克之间几乎完全没有相互作用，就像“自由的”粒子一样。这就是所谓夸克的“渐近自由”。,粒子的内部是什么“夸克”,到目前为止，粒子物理学家认为自然界就六种夸克六种具有不同“味”的夸克。u，d，c，s，t，b分别为夸克的六个“味”量子数。也可将这六种夸克分为三“代”(也称“族”)：第一代(d，u)、第二代(s，c)和第三代(b，t)。不同代的夸克除了质量明显不同之外，其他性质都相同，即后一代可看成是前面的翻版。,核子的内部结构“夸克”,二、核能及其应用,原子核的结合能就是自由核子结合成原子核时所释放出的能量。两个途径可以获得核能：重核裂变：即一个重核可裂变为两个中等质量的核，从而获得原子能。轻核聚变：当两个或两个以上的较轻原子核，在极高的温度和极大的压力下非常靠近时，它们聚合在一起而形成一个较重的新原子核，同时释放出巨大的能量。因为这种反应必须在极高的温度下（或107K以上）才会发生，所以也叫热核反应。,核能应用人们依靠重核裂变的方法制成了原子反应堆和原子弹，如核能发电，是利用核分裂产生巨大的能量，制造高温高压的蒸汽或气体，驱动发电机组发电。人们依靠轻核聚变制成了氢弹，而可控聚变堆正在研制中。核能优点减少依赖化工石油燃料、生产巨大能量、只需小量原料、铀矿蕴藏量足够长期使用、运作成本较低（约为火力发电三分之一）、生产电力时不会造成空气污染。,核能的缺点切尔诺贝利核电站大爆炸有近万人死亡，十万人受到核辐射伤害，造成直接经济损失数十亿美元，间接经济损失数千亿美元，后患将影响一百年以上，是全世界已知是一次最大的核事故。有专家认为，苏联境内将有两万五千人死于核污染引起的癌症，灾难随着时间的推移而逐渐显示出来。,重核裂变的发现,1934年，意大利物理学家费米用中子轰击原子核，并发现通过石蜡减速之后的慢中子，更加容易引起核裂变。费米因此获1938年诺贝尔物理奖。1938年，德国哈恩发现铀蜕变后出现的新元素与铀相距甚远。奥地利女物理学家迈特纳提出核裂变猜想，以解释铀实验。并称裂变过程要放出大量能量。,费米,哈恩,迈特纳,核裂变：被中子击中时，大原子核分裂成数个小原子核，这个过程会释放能量。1克铀裂变相当于20吨TNT炸药。,重核裂变,链式反应,费米发现，铀核被分裂为二时，可以放出两个中子，这两个中子再去击中两个铀原子核，它被分裂为四，同时放出四个中子，由此类推，原子的裂变就会这样自发地持续下去，产生一连串的原子分裂，同时不断放出能量。原子裂变自持链式反应的概念是利用原子裂变产生能量的重要理论基础。,核聚变：数个小原子核结合并释放能量。,轻核聚变,轻核聚变,氘和氚发生聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和0.176亿电子伏特能量。每一次氘氚聚变时释放的能量，比一次铀235裂变释放的约2亿电子伏特能量少得多。氘氚聚变时只有5个核子参加反应，而铀235裂变时有236个核子参加反应。因此如果按平均每个核子释放的能量来比较，氘氚聚变释放的能量是铀235裂变释放的能量的4.14倍。,原子弹与氢弹,原子弹：它是最早研制出的核武器，它是利用原子核裂变反应所放出的巨大能量，通过光辐射、冲击波、早期核辐射、放射性沾染和电磁脉冲起到杀伤破坏作用。氢弹：又称热核聚变武器，它是利用氢的同位素氘、氚等轻原子核的聚变反应，产生强烈爆炸的核武器。其杀伤机理与原子弹基本相同，但威力比原子弹大几十甚至上千倍。,中国第一颗氢弹爆炸成功腾起的蘑菇云,核电站,核电站是利用原子核裂变所释放的的能量产生电能的发电站。核电站一般分为两部分：利用原子核裂变生产蒸汽的核岛（包括反应堆装置和一回路系统）和利用蒸汽发电的常规岛（包括汽轮发电机系统）。核电站使用的燃料一般是放射性重金属：铀、钚。民用核电站大都是压水反应堆核电站，其工作原理是：用铀制成的核燃料在反应堆内进行裂变并释放出大量热能；高压下的循环冷却水把热能带出，在蒸汽发生器内生成蒸汽，推动发电机旋转。,中国现有的核电站包括：秦山核电站（运营中）大亚湾核电站（运营中）岭澳核电站（运营中）田湾核电站（建设中）三门核电站（建设中）,浙江省嘉兴市海盐县秦山镇,秦山I期核电站,浙江省嘉兴市海盐县武原镇杨柳山,秦山II期核电站,CANDU型重水压水堆由加拿大原子能源有限公司(AECLAtomicEnergyofCanadaLimited)投资设计建造并经营，运行20年后产权和管理归属中国。,秦山三期重水堆核电站,秦山III期核电站,广东省深圳市龙岗区大鹏镇大坑村,大亚湾核电站,广东省深圳市龙岗区大鹏镇岭澳村,岭澳I期核电站,江苏省连云港市连云区高公岛乡田湾,田湾核电站,浙江省台州市三门县，坐落在三门县健跳镇猫头山半岛,三门核电站,核能是公认的现实的可大规模替代常规能源的既干净又经济的现代能源2050年能源需求:40亿吨标煤规模极大,结构应合理一座百千瓦核裂变电站，300万吨原煤/年无二氧化碳造成温室效应,无二氧化硫和氮化物对大气的污染世界核电状况:根据IAEA截止到1994年的统计，装机容量为3.6亿千瓦，核电约占总发电量的23.2%,而中国大陆仅1%左右，核电可大有作为!,核能发展现状与国家能源需求,可控核聚变的研究现状与前景,中国、日本、韩国、俄罗斯、美国和欧盟6大ITER成员国2005年6月28日在莫斯科敲定法国的卡达拉舍（Cadalache）为反应堆建设地，这一为期30年、共计投资将超过100亿欧元的国际超大型科学合作项目很快就将正式启动。“ITER”拉丁文“道路”之意该计划旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆，规模可与未来实用聚变反应堆相仿，用以解决建设聚变电站的关键技术问题。,核聚变放射性微乎其微，不产生核废料，对环境的污染很小。1公斤核聚变燃料相当于1万吨石油燃料如果可控热核反应研究取得成功，人类将能利用海水中的重氢（取之不尽）获得无限丰富的能源。要在地球上使用受控的核聚变反应堆，必须把气体加热到超过1亿摄氏度。有关科学家设想兴建一个圆环型的磁力悬浮实验室（托卡马克装置），把聚合反应堆放在里面。,托卡马克装置,托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。,托卡马克装置,TokamakFusionTestReactor,1989,USA,20世纪70年代后期到80年代中期，世界各国陆续建成了四个大型的托卡马克，他们分别是：美国的TFTR(TokamakFusionTestReactor)日本的JT-60欧洲的JET(JointEuropeanTorus)苏联的T-15中国的超导托卡马克HT7U(后更名为EAST，ExperimentalAdvancedSuperconductingTokamak),1.人工放射性的发现,贝克勒尔和居里夫妇发现的放射性，只存在于铀、钍、钋、镭等天然的放射性元素中。而且，随着时间的推移，由于放射性衰变规律的作用，它们会不断变为其它元素，因而这些元素在自然界越来越少了。供人们研究和应用的天然放射性元素的来源，成了一个大问题。解决问题人工放射性的发现。,伊伦约里奥-居里(IrneJoliot-Curie),三、放射性同位素与考古,1934年，约里奥居里夫妇用粒子轰击铝原子时发现的，受粒子轰击时铝27放出质子和中子。当停止粒子轰击时，铝27仍然放出射性，这时它发射的是正电子，并且这种发射随时间逐渐衰减。约里奥居里夫妇分析发现，原来铝片上的有些地方的铝原子变成了磷的一种同位素磷30，这种磷在自然界中并不存在。停止轰击铝片继续发出的放射线就是磷30。磷30是人工方法制造出来的“人工放射性元素”。,磷30是天然磷31的一种放射性同位素，寿命短、不稳定，它很快就发射出一个正电子而衰变成硅30（稳定元素）。,约里奥居里夫妇实现了将一种非放射性元素转变为放射性元素的人工方法，开拓了放射性研究的新领域，他们因此获得1935年诺贝尔化学奖。给“研究放射性元素之家”增添了新的荣誉，使之成为世界上获诺贝尔奖最多的家庭，该家庭共有四人五次获得诺贝尔奖金。,2.费米的发现,人们在用粒子轰击重元素时发现，由于重元素所含的质子数较多，所带的正电荷也就较多。而粒子本身带两个单位正电荷，当它接近重核时要受到很大的静电斥力，很难击中重核，所以用粒子轰击重核的实验总是能以成功。中子被发现后不久，物理学家很快意识到，不带电荷、不受静电斥力的中子，也许很容易钻入带电的原子核内。为此，人们制造了能够产生中子的中子源，用所得的中子做炮弹去轰击各种原子核，看看能不能搞出点名堂来。其中，意大利物理学家费米在罗马做出了富有成效的工作。,费米用镭作为放射中子源，镭中子源能够持续不断地放出中子来，而测量受轰击后的元素发生了哪些变化时，也就很容易受到这些中子的干扰。为此，必须在轰击完成后，利用只有一分钟的间隙，把被轰击的元素试样迅速送到另一个房间进行测量。费米和他的助手就这样奔波往返，用中子把周期表上的元素，从头开始一个个轰击下来，竟然在短短的几个月，费米用中子共轰击了63种元素，得到37种放射性同位素，由于这方面的成就而获得了1938年诺贝尔物理奖。,3.放射性衰变的基本规律,核衰变的基本规律N=N0e-tN0是t=0时，放射性核素的数目是衰变常数，表示一个原子核在单位时间内发生衰变的概率半衰期：放射性元素衰变其原有核数一半所需的时间，叫做半衰期（T）。t=T时，N=N0/2平均寿命（）：描述核衰变快慢的物理量。=1/,工业同位素示踪放射性同位素电池同位素监控仪表辐射加工技术应用示踪技术应用植物育种技术昆虫辐射不育食品辐照保藏基础医学研究核医学临床诊断,核技术放射治疗医用辐射灭菌消毒水文勘测核测井技术淡化海水研究辐照技术与环境保护考古研究打击走私和反恐怖斗争反恐电子束辐照灭菌加速器,4.放射性与放射性同位素的应用,碳-14测年法原理,自然界中的C14由宇宙射线与大气中的氮通过核反应产生。C14存在于大气中，随着生物体的吸收代谢，经过食物链进入活的动物或人体等一切生物体中。C14一面生成，一面衰变，使C14在自然界中的含量与C12的含量的相对比值基本保持不变。生物