物理与人类文明Chapter52

第十三讲基本相互作用的统一，原子能的利用,5.5.1奇妙的规范对称性对称性就是一个物体或物体系统在某种变换下具有的不变性。例如一个均匀的圆球绕其球心转动任意角度后，它看上去与转动前一样，也就是说，该球具有转动对称性。很多建筑物，甚至人体均具有左右对称性。对称性给自然界带来了和谐与美,5.5相互作用的统一,对称性与物理量的守恒定律有着一一对应的关系。例如：空间平移对称性（空间是均匀的）动量守恒时间平移对称性能量守恒空间转动对称性（空间各向同性）角动量守恒电荷守恒对应着一种抽象的对称性：规范变换的不变性。,5.5相互作用的统一,5.5.2标准模型,温伯格-萨拉姆理论具有SU(2)U(1)规范对称性，展现了称作自发对称破缺的性质.强相互作用则由具有SU(3)规范对称性的量子色动力学（QCD）描述两个理论组合起来统一描述强、弱、电三种相互作用，称为基本粒子的标准模型GUT,超弦理论（SuperstringTheory）,粒子物理中的标准模型,物质由三代轻子与夸克构成:传递相互作用的粒子:光子电磁作用W和Z弱作用胶子强作用量子色动力学(QCD)质量起源Higgs(刚找到？),电弱统一理论,RichardFeynmanSharedthe1965NobelPrizeinPhysicsforhiscontributionstothedevelopmentofQuantumElectrodynamics,粒子物理中有待解决的基本问题-及其与宇宙学的关系,1）寻找Higgs玻色子LHC,Tevatron宇宙学=质量起源2)标准模型之外的新物理？超对称，超空间LHC，ILC,muoncollider,宇宙学=暗物质3)标准模型的检验夸克模型,QCD,弱电统一理论宇宙学=物质的基本形态，宇宙的形成与演化4)CP破坏，CKM矩阵B工厂、BEPC、LHCB宇宙学=反物质5）CP破坏，MNS矩阵，中微子反应堆中微子，长基线中微子及中微子工厂,宇宙学=暗物质，反物质，宇宙总质量，宇宙大尺度结构,高能量前沿,高能量与高精度前沿,高精度前沿,中国为什么要研究高能物理,高能物理研究是基础科学研究的根本之一物质结构、宇宙起源与演化和生命起源及其本质高能物理研究涉及国家安全和经济发展的关键技术加速器核探测技术与核电子学真空，微波，高频，低温，网络，自控，。作为基础科学研究提供了国际交流的平台人才培养基地,研究物质结构，发展关键技术开拓国际交流，培养高级人才,中国高能物理的发展,参与国际大型高能物理实验合作欧洲大型强子对撞机：LHC/ATLAS,CMS日本B-工厂：KEKB/BELLE地下与空间实验：KamLAND,T2K,AMS,国际未来直线对撞机：ILC基于国内的高能物理实验北京正负电子对撞机（BEPC）及北京谱仪实验（BES）大亚湾中微子实验羊八井国际宇宙观测站硬X射线调制望远镜,Acarefulbalanceofphysicsopportunities,financialresources,technologicalcapabilitiesandneeds,manpower,experience,Sino-ItalianARGOexperiment(RPChall),Sino-JapaneseASexperiment(scintillationdetectorarray),Sino-ItalianARGOexperiment(partofRPCcarpet),AS,ARGO:Cosmic-rayexperiment,3TeV,300GeV,ASscintillationdetector,高能物理中长期规划,未来发展：新实验，地下实验室？,BESII物理研究,理论物理研究，核探测技术与电子学，。,ILC国际合作,加速器物理未来发展：新加速器？,羊八井宇宙线,ARGO,羊八井宇宙线观测站,HXMT,HXMT数据分析,未来发展：新实验？,北京正负电子对撞机与北京谱仪,北京正负电子对撞机(BEPC)由电子直线注入器、储存环、北京谱仪（BES）和北京同步辐射装置（BSRF）组成84年动工，88年如期建成，并迅速达到设计指标。,BEPCIIStoragering:Largeangle,double-ring,RF,RF,SR,IP,Beamenergy:1-2GeVLuminosity:11033cm-2s-1Optimumenergy:1.89GeVEnergyspread:5.1610-4No.ofbunches:93Bunchlength:1.5cmTotalcurrent:0.91ASRmode:0.25A2.5GeV,储存环调试速度国际罕见Oct.25,2007:accumulationofelectronbeamsOct.31,2007:accumulationofpositronbeamsNov.18,2007:firste+e-collision,Collisionof500mA500mA,漂移室：测量带电粒子动量与径迹,3万根丝，单丝位置分辨率120mm,大亚湾中微子实验,物质世界的最基本单元之一：中微子,中微子是构成物质世界的最基本单元之一：弱作用的宇称不守恒源于只有左旋中微子中微子与反中微子是否同一个粒子？中微子质量极轻，不带电荷，与物质的相互作用十分微弱。因此极难探测，需要用体积庞大的探测器。粒子物理标准模型认为中微子质量为零。,中微子简史,1930泡利假设了中微子，以解决b衰变中能量不守恒问题1956Reines和Cowan发现中微子（1995年诺贝尔奖）1962Lederman等发现中微子（1988年诺贝尔奖）1957Pontecorvo提出中微子可以发生振荡1968Davis发现太阳中微子丢失，中微子振荡？（2002年诺贝尔奖）1998超级神冈实验证实大气中微子丢失,中微子振荡！(2002年诺贝尔奖）2001SNO实验证实丢失的太阳中微子变成了其它中微子2002KamLAND用反应堆实验证实太阳中微子振荡,中微子振荡开启了粒子物理，天体物理与宇宙学研究的新窗口,中微子振荡,1962年，因信仰共产主义而逃到前苏联的BrunoPontecorvo提出如果中微子质量不严格为零，且中微子的质量本征态与弱作用本征态不同，根据量子力学，不同的中微子之间可以相互转换判断中微子质量是否为零的方法,大亚湾核电站是世界上最理想地点,功率高，2011年增加到17.4GW。周围有山，便于建设地下实验室以屏蔽宇宙线本底。宇宙线信号会与中微子讯号混淆，影响实验结果。大亚湾的业主中国广东核电集团积极支持这项实验。,实验原理,全同探测器远近相对测量大的靶质量本底屏蔽：地下，水屏蔽层(2.5米）,实验安排,通过近点与远点探测器进行相对测量，以消除与反应堆有关的系统误差两个近点与一个远点探测器之间用隧道连接，共3000m事例率：1200/day近点350/day远点本底：B/S0.4%近点B/S0.2%远点,隧道总长度约3100m三个地下实验大厅一个地下装配大厅一个地下水处理大厅,小结,中国的高能物理经过二十来年的发展，已在国际上占有重要地位Tau-Charm能区具有丰富的物理，已取得丰硕成果，随着BEPC的改进，有望取得更大的成果。中微子物理是粒子物理未来发展的重要方向与热点。大亚湾实验以有限的投资，可使中国步入粒子物理研究的先进行列，取得极为重要的一流成果。未来二十年，我们一定会看到我国粒子物理研究步入世界先进行列,5.6.1原子核的结合能原子核由质子和中子组成实验发现原子核的质量并不简单地归结为所有质子的质量和中子的质量之和，而是有微小的差异.,5.6原子能及其应用,原子核的结合能,氘（D）是氢的同位素，在海水中100万个氢原子中约有150个氘原子。氘核是核聚变反应的主要原料，它由一个质子和一个中子组成，其结合能为：,=（1.0078251.0086652.014102）931.5Mev=2.224Mev,5.6.2原子能的可能释放模式,原子核衰变:某一原子核自发地演变成为另一种原子核并放出相应粒子的过程,87.84年原子核裂变包含三种方式，一种是自发裂变:重原子核自发地碎裂成两块，并放出能量，,5.6.2原子能的可能释放模式,中子诱发裂变:在中子作用下而引发的核裂变，并释放出2到3个中子的过程.,原子核碎裂:高能粒子轰击到原子核上，将原子核击成很多碎块，并放出能量.,5.6.2原子能的可能释放模式,原子核聚变:由轻原子核融合成质量数较大的核并放出能量的过程.,5.6.3原子能的和平利用,核反应的效率是化学反应的106108倍，即1百万到1亿倍,碳排放（carbonemissiont）:二氧化碳和其它温室气体的排放六种温室气体:二氧化碳，甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物(HFCS）、全氟化碳（PFCS）、六氟化硫（SF6）,GWF（全球变暖因子）可换算这些气体释放热量的能力将二氧化碳的全球变暖因子设为1，其他温室气体以此为标准单位来换算，例如甲烷的全球变暖因子是21，氧化氩氮是310，全氟碳化物的全球变暖因子在5000到14000之间,世界二氧化碳排放量最高的五个国家(2009.12.08)中国31亿吨美国28亿吨印度6.3亿俄罗斯4.7亿吨,德国4.3亿吨,经济发展与能源消耗紧密相关低碳经济需要低碳或无碳能源,能源的比例:,中国能源消耗的结构:,清洁能源水电(3963亿度/2497516%,2004年)风能潮汐太阳能核电,裂变电站,未来能源的要求：资源丰富没有温室气体排放安全、环境友好经济、高效,可控核反应,一座百万千瓦级的压水堆核电站，一年仅需补充30吨核燃料，其中仅消耗1吨左右，同样规模的热电厂，要燃原煤250万吨,秦山核电站全景,电站反应堆换料,电站反应堆控制棒,电站环境监测,FusionFirePowerstheSun,CanwemakeFusionFireonearth?,第一个过程是弱作用，反应几率很低。,氘-氚反应：D(氘)+T(氚)4He(氦)+n(中子)+17.6Mevn(中子)+6Li(锂)4He(氦)+T(氚)+4.79Mev氘-氘反应D(氘)+D(氘)T(氚)+p(质子)+4.04Mev氘-氦反应：D(氘)+3He(氦)4He(氦)+p(质子)+18.14Mev氢-硼反应p(质子)+11B(硼)3(4He)+18.6Mev,典型核聚变过程,地球上最容易实现的核聚变反应是：D(氘)+T(氚)He(氦)+n(中子)n(中子)+Li(锂)He(氦)+T(氚)实现上述反应的条件:温度大于一亿度；密度大于2.5x1020m-3能量约束时间大于1-2秒5x1021m-3keVs,核聚变能,=17.6Mev,+17.6Mev,氘氚核聚变反应的资源在地球上储存量十分丰富:氘（D）存在于海水中。地球上约有40万亿吨氘，一升海水里含有的氘完全实现核聚变反应，将释放出相当于燃烧300升汽油所释放出的能量，因此一旦实现受控热核聚变海水将成为人类取之不尽用之不竭的新能源；关键是锂的储量(地球上锂的储量比氘少得多，约有2000多亿吨)，可用上万年.中国锂资源丰富(排名第二).聚变反应没有温室气体排放.,核聚变能,没有放射性废物氘-氚核聚变的产物是惰性气体氦；氢的同位素氚(T)的寿命为12年，只具有短期放射性；不会产生核爆炸(温度下降,聚变反应立即停止),安全可靠,对环境友好缺点是实现困难,前期投入,核聚变能,结论:核聚变能既资源丰富且环境友好（无放射性废料、无二氧化碳排放，安全可靠）是人类可持续发展最理想的新能源！,核聚变能,三种约束极高温热核聚变燃料的途径：重力约束；惯性约束；磁约束；,约束高温等离子体的途径,Tokamak,NationalSphericalTorusExperiment(NSTX),ASIPP,EAST装置已于2006年一月建成(,EAST,59,Aim-demonstrateintegratedphysicsandengineeringonthescaleofapowerstationKeyITERtechnologiesfabricatedandtestedbyindustry5.1BillionEuroconstructioncost（2007）Partnershouseoverhalftheworldspopulation,ITER,通往聚变之路,TheNationalIgnitionFacility,新一代PW(拍瓦)/30fs级CPA超强超短激光系统,上海光机所强场激光物理国家重点实验室,目前已获得激光脉宽2230fs，激光能量25.8J，峰值功率890TW/30fs。,C：主放大及其泵浦系统,A:振荡器与展宽器,B:前置放大系统,5.6.4核武器及其小型化,姜子牙（司马穰苴？）司马法：国虽大，好战必亡；天下虽安，忘战必危。第一颗原子弹于1945年7月在新墨西哥沙漠中引爆第一颗用于战争的原子弹，是1945年8月8日投在广岛的原子弹。它们的中间是垒球大小的一个钚心，周围是5英尺厚的高能化学炸药。第一颗于1