高中物理 36.7 核聚变 粒子物理学简介教学课件 教科版选修35.ppt

6核聚变7粒子物理学简介 选学 1 了解聚变反应的特点及其条件 2 了解可控热核反应及其研究和发展 3 知道轻核的聚变能够释放出很多的能量 如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景 4 了解构成物质的 基本粒子 及粒子物理的发展史 较大的 热核反应 增加 释放 10 15 动能 特点 在消耗相同质量的核燃料时 轻核聚变比重核裂变的能量 热核反应一旦发生 就不再需要外界给它能量 靠就会使反应继续下去 氢弹原理 首先由普通炸药引爆原子弹 再由爆炸产生的高温高压引发热核爆炸 普通性 热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着 太阳就是一个巨大的 释放更多 自身产生的热 原子弹 热核反应堆 二 受控热核反应聚变与裂变相比有很多优点 1 轻核聚变 2 地球上聚变燃料的储量 3 轻核聚变更为 约束核聚变材料的方法 和 产能效率高 丰富 安全 清洁 磁约束 惯性约束 三 粒子 基本粒子 不基本 基本粒子 直到19世纪末 人们认为光子 质子 是 基本粒子 随着科学的发展 一方面逐渐发现了数以百计的新粒子 它们都不是由 组成的 另一方面科学家又发现质子 中子等本身也有自己的复杂的结构 因此 20世纪后半期 就将 基本 去掉 统称 电子 中子 中子 质子 电子 粒子 发现新粒子 1 新粒子 1932年发现了 1937年发现 1947年发现k介子和 介子及以后的超子 等 2 粒子的分类 按照粒子与各种相互作用的关系 可将粒子分为三大类 和 正电子 子 反粒子 强子 轻子 媒介子 夸克 反夸克 最小单位 自由 四 3种典型的粒子加速器直线加速器 1 粒子运动轨迹是 2 满足的条件 要保持粒子与高频电场之间的关系 3 优点 粒子束的 回旋加速器 1 粒子运动轨迹 在磁场中的运动 2 满足条件 高频电源的频率粒子回旋的频率 3 优点 粒子被加速到的能量可达 一条直线 强度高 匀速圆周 等于 40mev 谐振 对撞机能够实现两束相对运动的粒子的设备叫对撞机 工作原理 粒子先在中加速 然后射入对撞机 反向在轨道交叉处相互 获得较大能量 对撞 同步加速器 碰撞 回旋 热核反应的两种方式 爆炸式热核反应和受控式热核反应 聚变与裂变的对比 二 对粒子的认识 新粒子的发现及特点 粒子的分类 典例1 以下说法正确的是 a 聚变是裂变的逆反应b 如果裂变释放能量 则聚变反应必定吸收能量c 聚变须将反应物加热至数百万度以上高温 显然要吸收能量d 裂变与聚变均可释放巨大能量 对聚变的理解 借题发挥聚变就是使原先相距 较远 的核能克服库仑斥力而结合为一个 稳定 的新核 因此事先须让两核获得较大的初动能 常采用加热的方法 对基本粒子的认识 丁肇中 寻找宇宙中的基本粒子如何寻找宇宙中最基本的粒子呢 我用四个故事向大家介绍一下 这些故事是我在过去的年里所亲自经历的 第一个故事是测量电子的半径 现代电磁学的理论认为电子的半径为零 1964年 美国的麻省理工学院和哈佛大学建造了一个当时最大的加速器 这个加速器周长为1000英尺 1英尺为0 3048m 当时来自哈佛大学和康乃尔大学的世界上很有名的专家 在这个加速器里做一个很重要的实验 实验结果同时证明量子电动力学是错误的 电子是有半径的 这是一个非常重要的实验 1966年 我在德国用不同的方法重新做了这个实验 结果发现电子的半径确实小到不可测量 电子是没有半径的 实验的结果和理论的预期的比值等于1 即是说电子的半径等于零 也就是说以前许多专家所做的实验结果是错误的 第二个故事是关于新粒子家族的发现 到了20世纪年代 所有已经知道的基本粒子都可归结为由三种夸克组成 所有的现象都可以用三种夸克来解释 我就问为什么宇宙中只有三种夸克 为了寻找新夸克 我决定建造一个高灵敏度的探测器 南京下雨的时候 大概每秒钟有100亿个雨滴 其中有一个是蓝的 要把它找到 后来 在美国的布鲁克海文国家实验室用ags 做了这个实验 我们发现了一种很新的粒子 完全想像不到的一种粒子 这种粒子在正电子负电子质心系能量达到31亿电子伏特的时候 突然就产生一个很高的峰 根据以前所有的理论 这个峰是不应该存在的 这说明我们发现了一种全新的夸克 这种新粒子有很特别的性质 第一 它们质量比其他所有已知的粒子都重 第二 它的寿命比其他所有已知粒子的寿命长1000倍 这意味着什么呢 大家知道 如果所有人在世界上活到100岁左右 但你突然发现一个村子里的人能活到10000岁 这就表示这些人可能有特别的性质 当然 有了这第四种夸克 你就可以问有没有第五种 第六种 至今为止 已发现了六种 第三个故事是关于1979年胶子的发现 大家都知道在原子里有电子和原子核 电子和原子核之间的力由光子传送 在质子里不同的夸克和夸克之间的力在理论上来说是由胶子传递 那时我们正在德国用正电子负电子对撞机做一个量子电动力学的实验 在做这个实验的时候 则可以产生夸克 反夸克和胶子 如果这样的话就会出现三个喷柱的现象 果然 当正负电子对撞的时候 如果胶子能量很小 只有两个喷柱 当胶子的能量增大的时候 就会出现三个喷柱现象 三个喷柱现象的存在就表示胶子是存在的 当年 美国物理学会对这个事例作了详细介绍 虽然最初这套实验仪器并非为这个实验设计的 但却获得了意外的结果 第四个故事就是寻找反物质的宇宙 这在国际空间站上叫做ams 反物质的存在 是由玻尔 狄拉克在理论上推导出的 他因此在1933年12月12日获得诺贝尔奖 他注意到 相对论的公式和量子电动力学的公式中 质量是乘平方的 也就是说等于m m也等于 m m 狄拉克问 m是什么意思 从这儿就推导出反物质的理论 大家都知道 宇宙是大爆炸形成的 在大爆炸的理论中 宇宙起源时的温度非常高 大爆炸中有一个电子则应该有一个反电子 有一个夸克也应该有一个反夸克 所以在刚爆炸的时候 物质和反物质应该是一样多 问题是经过150亿年之后 由反物质组成的宇宙在什么地方 第一期ams 01 于1998年6月搭载美国航天飞机在太空中运行了10天 观测到一些过去没有的现象 这是人类第一次测量这些东西 所以觉得现在的结果很奇怪 美国宇航局决定在2003年5月再次将ams升空 ams将作为第一个科学实验搭载安装在空间站上 ams01原结构中用的中国制造的永久磁铁改为超导磁铁 大幅度提高ams探测能力 在太空中长时间运行并采