原子核物理学

原子核物理学,2/82,JohnWheeler,“大学里为什么要有学生？”惠勒说，“那是因为老师有不懂的东西，需要学生来帮助解答。”惠勒培养出了几代美国物理学家，他指导过的博士达50位之多当下美国宇宙学或者天体理论物理的一线人物有相当一部分是惠勒的学生。“如果作出重要的发现应该立即发表，不要消极等待更多的成果。”,3/82,哈佛荣誉校长陆登庭(Rudenstine)教授：过去半个世纪“哈佛大学的教学从以知识传授为基础，转变为教师指导下的学生自我教育。”“哈佛大学仍然认为，学生应该很好地掌握现有的各种知识、信息和理论，这是任何学术研究的基础但是，从学生一入学，大学的主要努力方向就是使他们能够成为参与发现、解释和创造知识或形成新思想的人。从这个角度看，学生是处于实习阶段的学者和研究者”,4/82,原子与原子核“原子atom”源自希腊文，意思是“不可分割的”。按照现代的观点。原子作为物质结构的一个层次。研究原子的组成、组成物（主要是核外轨道电子）的运动规律、其相互作用的规律及化学周期表等。其表征特征为物质的物理、化学性质和光谱特性。“原子核atomicnucleus”则是研究物质结构的另一个更深的层次，研究原子核的组成、性质、核力、核模型、核的蜕变及核能的利用等。其表征特征为原子核的放射性。,5/82,原子核物理学nuclearphysics,物理学分支。研究原子核的结构和变化规律，获得射线束并将其用于探测、分析的技术，以及同核能、核技术应用有关的物理问题。核物理。主要研究：强子物质和原子核；它们的性质；它们的相互作用；它们的组成。核技术：核武器、核动力、同位素和辐射技术。地位和作用核武器使其成为高度政治化的学科；对人类的生存发展和国家的地位与安全发挥了重大影响，成为衡量综合国力的一项重要标志；在自身发展的同时，还为其它许多学科提供了重要的理论基础和研究手段。,6/82,课程安排,星期二、星期五晚上第11周第18周，包括2学时辅导课闭卷考试（重点在对知识点的掌握，综合性的考核）（叶沿林）目标：向本科学生提供核物理的基本知识，为准备将来从事核科学技术研究和开发的学生提供扎实的基础；部分内容作为核工程技术类学生的基础课程；作为从基础课向专业领域的过渡，要培养学生思维方式从知识型向研究型的转变，并引导部分学生参与国家的核科技事业。,7/82,课程介绍,【适用专业】：核工程核技术专业本科生、辐射防护与环境工程本科生【学分数】：【总学时】：48目的：掌握原子核结构、放射性、衰变、核反应、中子物理、核裂变和聚变的基本知识，为后续的核辐射探测、反应堆物理等课程作准备。突出原子核物理的基本知识，重视核物理及核技术的发展和应用所需了解的基本知识的介绍。教材：卢希庭、江栋兴、叶沿林：原子核物理修订版，原子能出版社，2000年,8/82,绪论、原子物理、量子力学准备知识（2学时）第一章：原子核的组成和基本性质（2学时）第二章：放射性和核的稳定性（6学时）第三章：核辐射测量（1学时）第四章：核力（1学时）第八章：原子核结构（1学时）第五章：衰变（4学时）第六章：衰变（6学时）+辅导课（1学时）第七章：跃迁（4学时）李建胜(研究员)第九章：原子核反应（6学时）第十章：中子物理基础（7学时）第十一章：原子核裂变和聚变（6学时）+辅导课,9/82,1896年，贝克勒尔发现了铀元素的放射现象。铀辐射乃是原子自身的一种作用,只要有铀这种元素存在,就不断有这种辐射产生这一发现虽然没有伦琴发现X射那样轰动一时,但其意义还是很深远的。因为这一事件为核物理学的诞生准备了第一块基石。1897年，居里夫妇研究了放射性，并发现了更多的放射性元素：钍、钋、镭。贝克勒耳和居里夫妇一起，因为放射性的发现和研究，得到1903年诺贝尔物理奖。,0.1核物理的历史和现状,10/82,阴极射线X射线,跨入原子核的大门，发现电子、X光和放射性元素，原子可分割。盖斯勒管，1855，低压气体放电管，霓虹灯、日光灯、显像管。在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出X射线，这就是X射线管的结构原理。X射线的特征是波长非常短，频率很高。因此X射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。所以X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。,11/82,X射线,1895年，伦琴（WilhelmKonradRontgen）发现了X射线。1895年12月22日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。冲洗出来的底片清楚地呈现出伦琴夫人的手骨结构，手上那枚金戒指的轮廓也清晰地印在上面。新发现的消息传到美国的第四天，就有一位医生用X射线检查了受枪伤的病人身体里有没有留下子弹。由于这一伟大发现，伦琴获得了1901年的诺贝尔奖。胡刚复在1918年对X射线放射机制的研究，对推测原子结构有重要意义1903年，法国著名物理学家布朗洛宣布他发现了一种新射线N射线。,第一张X光片,12/82,20世纪初的X射线,1917年，巴克拉(CharlesGloverBarkla),发现特征X射线。1901年获奖的伦琴1914年的劳厄发现了晶体的X射线衍射。1915年布拉格父子（X射线晶体结构分析）.不到20年就有5位诺贝尔物理学奖获得者，占当时总数的四分之一以上，由此可见，X射线的研究成果在世纪年中占有何等重要的地位。1924年，卡尔西格班(KarlManneGeorgSiegbahn),X射线光谱学1927年康普顿效应1936年德拜因利用偶极矩、X射线和电子衍射法测定分子结构的成就而获诺贝尔化学奖1979年X射线层析图象技术，生理医学,13/82,高真空放电管阴极射线管，克鲁克斯管阴极射线实际是高速的电子流。现在大家都公认，是汤姆逊在1897年正式发现了电子。这是19世纪末最伟大的发现之一。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.阴极射线的速度为光速的1/10，质量为H原子质量的1/2000(现在为1/1837)。没有任何其它发现能够像发现电子那样导致理解如此众多的各类现象。很多课题，象光学、电学和化学，原来曾被认为是不相关联的，在电子论的基础上可以用同一的基本机制来理解。,14/82,图1907-1913年密立根的油滴实验装置实物照片,(1)证明电荷的不连续性(具有颗粒性)，所有电荷都是基本电荷e的整数倍。(2)测量并得到了基本电荷即为电子电荷，其值为e=1.6010-19C。现公认e是基本电荷，对其值的测量测量精度不断提高，目前给出的最好结果为：e=(1.602177310.00000049)10-19C。,15/82,射线、射线和射线的发现,卢瑟福，“核科学之父”，卡文迪许实验室主任1899年，卢瑟福发现了镭的两种辐射，射线(Alpharay)，射线(Betaray)电子(electron)。这些射线后来常用于轰击其它原子，从而发现了原子世界的许多其它重要特性。1900年，维拉德发现射线(Gammaray)。1911年，卢瑟福完成了闻名的粒子散射实验，证实了原子核的存在，建立了原子的核模型。,16/82,发现质子(proton)1914年，卢瑟福用阴极射线轰击氢，结果使氢原子的电子被打掉，变成了带正电的阳离子，它实际上就是氢的原子核。电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将之命名为质子。1919年，卢瑟福用氮气作为粒子的轰击靶核，首次人工核反应。发现中子(neutron)1920年，卢瑟福预言：可能有一种质量与质子相近的不带电的中性粒子存在，他把这种粒子叫中子。英国的查德威克1932年用云室方法测量了中子的质量，还确证了中子确实是电中性的。中子就这样被发现了。,17/82,查德威克的实验装置,241AmO2粉末与铍粉混合后压片，焊封在双层不锈钢源壳内。,18/82,核物理的工具之一加速器,1930年前后，英国物理学家考克饶夫和瓦尔顿一起建造了第一台粒子加速器0.7MeV的质子流，Li-7靶，每10亿个质子中就有一个质子打中锂核产生反应，形成一个具有4个质子和4个中子的不稳定中间核。然后，分解成两个氦核。此后，加速器逐渐成为研究原子核和应用技术的必要设备。,19/82,1931年范德格喇大静电加速器，1.5MV电势差。结构改进，1955年串列式静电加速器，加速能量高、束流品质好、能量稳定度高等优点。劳伦斯在1931年设计制造了第一台回旋加速器，圆周运动由磁场作用，通过交变电场时不断加速获得能量。欧洲核子研究中心位于瑞士、法国边境地区的地下100米深的环形隧道中，隧道全长26.659公里，建设耗资超过60亿美元。2008年9月10日第一次对撞,20/82,劳伦斯正在讲解同步加速器的原理,21/82,SLAC长达3km的电子直线加速器，22GeV,22/82,23/82,欧洲粒子物理研究所和瑞士、法国周围地区的鸟瞰图。3个环清晰可见，最小的那个（位于右下方）显示出质子同步加速器的地下位置，中间的环是超级质子加速器(SPS)所在位置，这个加速器的圆周是7公里。那个最大的环（圆周27公里）是以前的大型正负电子对撞机(LEP)加速器所在地。,SPS,24/82,人工放射性,1934年，约里奥居里夫妇为了能彻底弄清粒子轰击铝核，铝核所产生的两种不同的核反应过程，最终都得到了硅30。一种是直接发射质子后得到的，另一种是先放出中子，并生成带放射性的磷30。磷30是第一个从实验室里通过核反应制造成功的人工放射性核素。,25/82,1939年，梅特涅和她侄子弗里施等人发现的铀核裂变现象，并测得200兆电子伏左右的裂变能。钱三强和何泽慧在40年代末证明铀的三分裂和四分裂现象.,1938年，哈恩和施特拉斯曼等人发现中子轰击铀后有中间质量的元素（例如钡）产生，经过分析，几名科学家几乎同时确认了铀裂变的现象。1939年，世界各地的科学家不约而同地完成了裂变时能放出多余中子的实验。,26/82,世界上第一座铀裂变反应堆CP-1(芝加哥1号堆)。其所以用“堆pile”一词，是因为该装置是用多层金属铀块和石墨块彼此交替堆砌而成的。在1942年12月1日下午的测量结果表明，堆已达临界。堆的总重量为1400吨，其中52吨天然金属铀和氧化铀，余下的重量几乎都是石墨。,反应堆,27/82,反应堆中子源应该说是20世纪中子科学研究平台的一个主流，到现在为止也是应用的最为广泛的一种中子源，作为工具和平台。,第1个反应堆,费米,28/82,原子弹的研制工作是一项耗资巨大的工程。美国政府差不多在整整四年时间内，调集了15万科技人员，动用了全国三分之一的电力，总共花费了20多亿美元。共制造了三颗原子弹，除了投放在日本广岛和长崎的两颗外，还有颗是在1945年7月16日凌晨5时半用来进行原子弹爆炸试验的。1954年初，美国第一颗可投掷氢弹问世。,原子弹,29/82,核电站,1951年美国利用一座生产钚的反应堆的余热试验发电，电功率为200千瓦。1954年，苏联在莫斯科附近的奥布宁斯克建成了世界上第一座核电站，输出功率为5000千瓦。,30/82,1958：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；1986年,“神光-”装置建成；1991：秦山核电站发电成功;2001年，神光装置全面达标，通过鉴定验收。2003：正式参加ITER计划谈判。,31/82,学科的发展,分离学科粒子物理的出现对核物理学有强烈的影响；夸克和轻子。和粒子物理、天体物理学很强的联系：探测夸克胶子等离子体、研究最轻元素丰度的实验，较重核产生的模型，核物质状态方程的确定，中微子质量和暗物质的探索。夸克之间强结合力的处理。,32/82,33/82,相互作用大统一的进程,34/82,Uuo是一种人工合成的放射性化学元素，它的化学符号是Uuo，它的原子序数是118，属于惰性气体之一。Ununoctium（118-ium），原子量为293，半衰期12ms。属于气体元素，化学性质很不活泼。核反应制取方程式:2006年10月16日，美国与俄罗斯科学家以钙离子与锎（Cf，Californium）碰撞制造Uuo，并宣称存在1ms。但获得确认尚需数年时间。1999年6月，美国劳伦斯伯克利实验室15名研究人员在著名学术刊物物理评论快报上发表论文称，通过铅原子核和氪原子核的撞击发现了元素周期表上空缺的118号元素，以及由118号元素衰变产生的116号元素。这一成果曾被视为1999年最重要的科技突破之一。,35/82,世界核电总体状况,2008年处于运行状态核电机组439台，净装机容量3.74亿千瓦，核电装机占总发电装机的比例全球为9.66%(到2006年末，核电提供了全球总电量的约15%，法国高达78%、比利时为54%、韩国为39%、瑞士为37%、日本为30%、美国为19%、俄罗斯为16%)。中国投运的核电机组11台，总装机容量910万千瓦。2008年，核电占全国电力装机总容量的1.3%，核电年发电量683.94亿千瓦小时，核电占总发电量的1.9%。在建24个机组，2450万千瓦。到2020年核电装机容量达到5%，发电量达到8%，保守估计，装机容量将超过7500万千瓦。,36/82,国内近况,4月20日举行的“面向二十一世纪核能部长级会议”。采用世界先进的三代核电技术AP1000的浙江三门核电1号机组已于4月19日正式开工建设。9月，在山东荣成，20万千瓦的高温气冷堆核电站示范工程项目将正式开建，具有一定四代特征的先进核电反应堆进入工程示范阶段。另有9个核电机组建设的前期工作正在开展。3月31日，四川核电一期工程筹建处揭牌，南充市蓬安县三坝厂址。孙勤说：“到2020年左右，中国将形成比较完整的自主化核电工业体系，具备批量化建设先进核电站的能力，并建立完善的核电法规和标准体系。”,37/82,11台，910万千瓦,38/82,在建工程及前期项目进展顺利2008年在建核电机组44台，净装机容量3938万千瓦，其中中国在建机组12台，净装机容量1188万千瓦。2008年全世界新开工项目14台，1335万千瓦。其中中国8台，800万千瓦，占世界60%。,39/82,一个两台百万千瓦级核电机组，需四年以上建设高峰期，需要各类专业技术和管理人员上千人，其中相当数量人员应是具备相关经验的“高端人才”中国核工业集团公司、中国广东核电集团有限公司、中国电力投资集团公司,40/82,ITERInternationalThermonuclearExperimentalReactor，国际热核聚变实验堆,1939年，美国物理学家贝特证实，一个氘原子核和一个氚原子核碰撞，结合成一个氦原子核，并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。这个发现揭示了太阳“燃烧”的奥秘。可控热核聚变能的研究分惯性约束和磁约束两种途径。惯性约束是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照靶板来产生聚变。而磁约束是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。1989年3月23日，美国犹他大学的彭斯和英国南安普敦大学的弗莱什曼宣称在实验室的小型装置上，用钯作阴极电解重水，实现了常温常压下的“冷核聚变”。,41/82,1985年，在美、苏首脑的倡仪和国际原子能机构（简称IAEA）的赞同下，一项重大国际科技合作计划“国际热核实验堆（简称ITER）”得以确立，其目标是要建造一个可持续燃烧的托卡马克聚变实验堆以验证聚变反应堆的工程可行性。法国的卡达拉什为ITER计划场址2006年5月成立ITER国际组织联合实施ITER计划的协定项目总花费预计约为100亿美元，欧盟承担50的费用，其余6方分别承担10，超出预计总花费10的费用将用于支付建设过程中由于物价等因素造成的预算超支。此外，参与各国完全平等地享有项目的所有科研成果和知识产权。ITER只是一个实验堆，离发电依然十分遥远。如果获得成功，它的下一步是建造商业示范堆，目的是验证商业可行性；最后还要建造商业运行堆，以验证经济可行性。,42/82,应用领域概述,一、核反应堆技术；二、核能的开发应用：铀矿开采与冶炼，铀的分离、加工,核燃料后处理,核安全防护及环境保护；三、粒子加速器；四、同位素的研制和生产五、核技术的应用,核物理研究受到人们的重视得到社会的大力支持，是和它具有广泛而重要的应用价值密切相关的。核技术主要为核能源的开发服务，核电成为火电、水电后的第三大能源，正在研究开发的核聚变工程将为今后的能源提供新的途径。同位素的应用是核技术应用最广泛的领域，同位素示踪已应用于各个科学技术领域；同位素药剂应用于某些疾病的诊断或治疗；同位素仪表在各工业部门用作生产自动线监测或质量控制装置。,44/82,45/82,核工业十一五规划,一、基础研究能力（一）建设基础性、综合性的核科技研究基地。（二）建设设施完善的核动力研究试验基地。（三）围绕核燃料循环发展的重要领域和核心技术，建设专业配套的科研开发平台。（四）加强核基础科学研究，使我国核基础科学研究的若干领域达到或接近世界先进水平。,46/82,二、积极推进核电发展，大幅提升核电自主化能力三、提高核燃料循环的生产能力和技术水平，满足核电发展需要四、加快放射性废物治理及核设施退役，确保人员与环境安全五、拓展核技术应用，加速产业化进程六、加强核安全管理，完善核应急体系,47/82,0.2原子模型郭正谊打开原子的大门,1、原子结构地球上的物质品种繁多，结构各异，但都是由100多种基本元素组成。到目前为止，人们发现了118种元素，其中92种是地球上天然存在的，26种是人造元素。构成元素的最小单元是原子。原子很小，直径只有108厘米左右，原子的质量约为10241022克。估算一张纸的厚度有多少个原子？如何根据水的密度估算原子的大小？,2dsin=n,Bragg(in1913),48/82,原子的大小,49/82,在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕着核旋转。,50/82,现代原子结构,51/82,卢瑟福的原子有核模型,1897年J.J.汤姆孙发现电子,1903年，汤姆孙提出原子的“葡萄干蛋糕模型”,卢瑟福的原子有核模型（行星模型）,原子中的正电荷和原子的质量均匀地分布在半径为的球体范围内，电子浸于其中.,原子的中心有一带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，电子围绕这个核旋转，核的尺寸与整个原子相比是很小的.,52/82,NielsBohr,53/82,原子模型元素玻尔模型至今仍然是相当好的近似。它描绘的原子图景虽然过时，但却是形象而生动，直到今天仍然是大众心中的标准样式，甚至代表了科学的形象。比如直到1980年代末，在中国的大街上还是随处可见那个代表了“科学”的图形：三个电子沿着椭圆轨道围绕着原子核运行。这个图案到了90年代终于消失了，想来总算有人意识到了问题。郭正谊打开原子的大门,原子模型,54/82,氢原子的玻尔理论,（1）经典核模型的困难,根据经典电磁理论，电子绕核作匀速圆周运动，作加速运动的电子将不断向外辐射电磁波.,55/82,（2）玻尔的三个假设,假设一电子在原子中，可以在一些特定的轨道上运动而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态（定态），并具有一定的能量.,假设二电子以速度在半径为的圆周上绕核运动时，只有电子的角动量等于的整数倍的那些轨道是稳定的.,56/82,由假设2量子化条件,由牛顿定律,氢原子能级公式,第轨道电子总能量,57/82,58/82,玻尔理论对氢原子光谱的解释,（里德伯常量）,光谱是光的频率成分和强度分布的关系图，它是研究原子结构的重要途径之一。,59/82,（1）正确地指出原子能级的存在（原子能量量子化）；（2）正确地指出定态和角动量量子化的概念；（3）正确的解释了氢原子及类氢离子光谱；,氢原子玻尔理论的意义和困难,（4）无法解释比氢原子更复杂的原子；（5）把微观粒子的运动视为有确定的轨道是不正确的；（6）是半经典半量子理论，存在逻辑上的缺点，即把微观粒子看成是遵守经典力学的质点，同时，又赋予它们量子化的特征.,60/82,这就是现代原子模型电子在核的周围运动，质子和中子在核内微动，而夸克则是在质子和中子内微动。依原子的比例去画，让质子和中子的直径只有1cm，那么电子和夸克就会小于头发的直径(0.08mm)，整个原子的直径将会大于三十个足球场的长度(3km)！99.999999999999%的原子体积都是空荡荡的空间！,61/82,0.3量子理论：castor_v_pollux，上帝掷骰子吗量子物理史话量子概念是1900年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到20世纪30年代，就建立了一套完整的量子力学理论.三个量子现象：光电效应康普顿散射电子衍射,62/82,量子理论,三类主要实验:()证实光量子的存在。(黑体辐射，光电效应，康普顿效应)()证实原子中的量子态。(光谱，Franck-Hertz实验)()证实物质波的实验。（电子衍射，中子衍射),63/82,普朗克假设普朗克黑体辐射公式（1900年）,普朗克常量,普朗克黑体辐射公式,空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为,光电效应特征：,1、光电子动能等于光子能量与结合能之差：,通常，,所以，,光电效应：光照射至金属表面,电子从金属表面逸出,称其为光电子光子与一个原子作用，把能量全部交给原子，使一个束缚电子从原子中发射出来，光子消失。,光电效应,65/82,（1）“光量子”假设,光子的能量为,（2）解释实验,逸出功与材料有关,对同一种金属，一定，与光强无关,66/82,电子反冲速度很大，需用相对论力学来处理.,入射光子（X射线或射线）能量大.,固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子.,量子解释,电子热运动能量，可近似为静止电子.,范围为：,自由电子不能发生光电效应。,入射光子与内层电子发生光电效应的几率较大。,光电效应伴随有特征x射线和Auger电子。,从内壳层打出电子，原子处于激发态。,原子退激过程：发出特征x射线，发出Auger电子。,光的波粒二象性,光子,相对论能量和动量关系,（2）粒子性：（光电效应等）,（1）波