第7章-原子核与粒子物理.ppt

7原子核物理,核外电子运动原子物理学,原子核内部运动原子核物理学,原子和原子核是物质结构泾渭分明的两个层次。1932年人们发现中子，以此作为原子核物理的开端，那么今天我们对核的了解还远远没有达到70年前对原子的了解程度。,7.1原子核的基本性质,1.核质量,原子核的质量=原子的质量-核外电子的质量,通常采用质量单位,忽略电子的结合能,2.核电荷,Z称核电荷数。,3.核的大小,核的密度,实验表明核体积与核子数成正比,4.核的组成-质子和中子,质子,1932年，查德威克发现了中子,1919年,Rutherford用粒子轰击14N，发现了质子。人类首次实现原子核的人工转变（点金术）。,原子核的符号表示：AZXN，A=N+Z为核子数（i）Z相同N不同的核素称为同位素（ii）N相同Z不同的核素称为中子异核素（iii）A相同Z不同的核素称为同量异位素中子和质子统称为核子,可理解为核子的两个不同状态。,中子,5.原子核的自旋和磁矩,核自旋,核自旋是所有核子的自旋角动量和轨道角动量的矢量和,在空间某一方向的投影：,量子数可以是整数或半整数,核自旋磁量子数,1A为奇数的核(奇A核)2Z、N都为偶数的核(偶-偶核)3Z、N都为奇数的核(奇-奇核),原子核也有磁矩,核磁矩比电子的磁矩小得多，因此产生的超精细结构谱线也比精细结构谱线间距小得多。测量原子核磁矩的重要方法之一是核磁共振,6.原子核的磁矩,电子自旋磁矩：,7.2原子核力和结合能,在认识原子核之前人们只知道自然界有两种相互作用力：引力和电磁力。是什么力使核子竟然不顾库仑斥力紧密结合？,1.核力的基本性质,(ii)短程性,(i)强相互作用,核力的强度比库仑力大一百倍,(iii)电荷无关性和饱和性,实验表明每个核子只与它相邻的几个核子有相互作用。,2.原子核的结合能,核由中子和质子组成，但核质量不等于核内中子和质子质量之和。,例如，氘核由一个中子和一个质子组成,说明中子和质子组成氘核时会释放2.225MeV的能量。逆过程也成立，用同样的能量辐照氘核，将一分为二飞出中子和质子。事实上，自然界中物体总质量比组成它的个别质量之和小是普遍现象。例如，一个电子和一个质子组成氢原子时会释放13.6eV。原子结合能eV，原子核结合能MeV,核的质量亏损,原子核的结合能,核的结合能核子结合成原子核时释放的能量,平均结合能,e-,e-,e-,e-,A,B,现代物理学认为：电磁相互作用是带电粒子间交换“虚光子”而产生的交换力。,3.核力的介子理论,(1)A30的轻核，平均结合能表现出周期性的变化，凡A等于4的倍数的核，平均结合能有最大值。(2)中等核(A=30-120)的平均结合能较大，轻核和重核的平均结合能较小,获得核能的途径有两个：重核裂变和轻核聚变,特点：,1947年发现介子,1.液滴模型,实验依据：,7.3原子核结构模型,（1）核力具有饱和性，核子只与它周围几个核子作用，如同液体中的分子。（2）核密度不随核子数变化，核具有不可压缩性，如同液体密度是常数一样。,2.壳层模型,在自然界中，Z或N(=2,8,20,28,50,82,126-幻数)的核特别稳定，含量明显比其附近核素的含量多，Z或N显示周期变化。1949年，Mayer和Jensen在势阱中加入了自旋-轨道耦合项，从而成功地解释了幻数的存在，1965年获诺贝尔奖。,3.集体模型,1952年Bohr和Mottelson提出描述核集体振动和转动的“几何模型”，1975年获诺贝尔奖。,7.4原子核放射衰变,1.放射性衰变规律,1896年，法国物理学家贝克勒尔发现铀矿物能自发地发射穿透力很强并能使照相底版感光的不可见射线。1898年，居里夫妇又发现了钋和镭,放射性衰变：核素自发地放射出某种射线而变成另一种核素的过程,放射性物质放出的射线主要有三种：,1射线：氦核2射线：正负电子3射线：光子,放射性衰变遵守：电荷守恒、质量数守恒、质量和能量守恒、动量守恒等。,指数衰变规律,代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几率，称为衰变常数,2.半衰期,核衰变到原来数目一半时所需时间称半衰期,3平均寿命,一个原子核在衰变前存在的时间叫寿命，所有原子核寿命的平均值称为平均寿命。,例1：某核的衰变常数为，试求它的半衰期和平均寿命。,放射性活度,放射性活度的单位为Bq“贝克勒尔，1Bq=1次衰变/秒,1居里(Ci)=次衰变/秒=Bq,例2:估算地球年龄,2.衰变,衰变能,衰变条件,例：判断是否发生衰变。,3.衰变,衰变连续能谱引发的困难,1930年，泡利（Pauli）指出：“只有假定在衰变过程中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子（中微子）一起被发射出来，才能解释连续谱。”中微子假说1956年，从实验上发现了中微子。,当衰变物只有两个时，能量可由动量守恒完全确定，而衰变物有三个时，能量可以任意分配。是守恒定律的问题还是存在第三者？,衰变的三种类型及衰变条件,i衰变：,衰变能,衰变条件,ii衰变：,iii电子俘获（K俘获，L俘获）,原子核俘获一个核外轨道上的电子转变为另一个核的过程,衰变的本质：衰变时一个中子转变为质子或反之，而轨道俘获其本质就是俘获轨道电子而转变为中子。,4.衰变,原子核通过发射光子从激发态跃迁到较低能态的过程,7.原子核反应,原子核反应：用具有一定能量的粒子轰击一个原子核，使其放出某种粒子而转变为新原子核的过程。,(1)历史上第一个人工核反应,()第一个在加速器上实现的核反应,核反应中的守恒定律:电荷数、质量数、动量、能量守恒.此外,还有角动量、宇称、统计性、同位旋等量守恒。,核裂变,一个铀核:,相当2.5吨煤完全燃烧放出的能量,核裂变的发现：1939年，哈恩和史特拉斯曼发现：利用中子轰击U时，产物中存在Ba。随后，梅特纳和弗里什指出：U在中子的轰击下，裂变为两个中等质量核素。1947年，钱三强和何泽惠发现了核裂变的三分裂现象，其发生几率约为二分裂的千分之三。,一克铀:,裂变机制：表面张力-库仑斥力(液滴模型)U分离技术是制造原子弹的关键技术每个235U裂变释放约200MeV，一个U原子可以提供2.5中子，可以维持链式反应！,临界质量：体积太小中子容易逃逸，无法维持反应。,裂变反应堆,二、裂变机制液滴模型,在裂变前，原子核处于能量最低的基态，呈球形。核内的质子、中子在不停地运动。核子之间有核力，质子之间有库仑斥力。,当中子轰击重核时，重核吸收中子形成复合核，能量增加，核子振荡加剧，由球形变成椭球形。这时核内各核子间距离增加核力减小，而库仑斥力则使原子核进一步增大，形成哑铃状。,当哑铃形的两端之间的库仑斥力大于中间收缩部分核子间总的核力时，形变不能恢复，原子核分裂成两块，放出中子，同时释放能量。,原子核聚变,核聚变：几个轻核聚合成较重核的过程,原子核的聚变,聚变条件库仑势垒：144KeV5.6108K聚变温度：约108K（1亿度），等离子体状态,1.聚变能约为裂变能的四倍,2.聚变反应的原料是氘.而核裂变的原料是铀,氢弹方案：高效炸药+裂变原料+氘化锂氢弹是不可控的热核反应裂变弹的能量分配：爆震与冲击波：50%热辐射：35%剩余辐射：10%早期辐射：5%纯聚变不产生剩余辐射。,引力约束聚变,等离子体约束引力约束、惯性约束和磁约束,关于太阳：引力约束等离子体。每天燃烧的氢，相当于每秒爆炸900亿颗百万吨级的氢弹。碳循环周期6x106年，质子循环周期3x109年。太阳外层温度6000K,中心温度15,000,000K。,质子循环：温度低于8x107K质子-质子循环为主,激光惯性约束聚变在直径为0.4mm的小球内充以30-100大气压的氘氚混合气体，用强激光（1012-1014W)均匀照射，使氘氚混合气体的密度达到液体密度的一千到一万倍，温度达到108K而引发聚变。,激光核聚变受控核聚变,可为人类找到一种取之不尽的清洁能源,可控聚变反应堆磁约束聚变采用强磁场约束高密度的等离子体，氘、氚混合气体中能产生大量核聚变反应，则气体温度必须达到1亿度以上，超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束。具有闭合磁力线的磁场（因为带电粒子只能沿磁力线运动）是一种最可能的选择。设计“磁笼”成为实现受控热核聚变的难点。70年代，苏联科学家发明的“托克马克”途径逐渐显示出了独特的优点，在80年代成为聚变能研究的主流途径。托克马克装置又称环流器，是一个由环形封闭磁场组成的磁笼。,核武器,原子弹利用235U或239Pu等重原子核的链式裂变反应原理制成的核武器。利用炸药实现临界状态，利用中子源点火实现裂变。临界状态的实现：枪法、内爆法，临界体积约1公斤,.,氢弹：利用氘、氚等轻原子核的热核聚变反应原理制成的核武器。初级：用于提供自持热核反应条件的起爆装置。（原子核裂变）次级：实现热核聚变反应的部分。氢弹没有填料的限制,中子弹：能量不能太高，是一颗小型氢弹,核试验核试验是在预定条件下进行的核爆炸装置或核武器爆炸实验。核试验的目的：鉴定核爆炸装置的威力和其它性能，检验理论计算及结构设计。研究核爆炸的宏观效应，为使用及防护提供依据；检验库存核武器的可靠性；改进核爆炸探测技术；研究核爆炸的和平利用等。大气核试验、地下核试验、计算机模拟核试验,原子反应堆,由堆芯、中子反射层、控制系统和屏蔽层等堆芯核燃料、中子减速剂和冷却剂。,反应堆,1954年第一艘核潜艇在美国下水,核动力,达到超临界状态的方法：,太阳能的来源,太阳内部主要有两种热核反应：,1氢链反应：,2碳氢循环,太阳的核聚变是引力约束,与不可再生能源和常规清洁能源不同，聚变能具有资源无限，不污染环境，不产生高放射性核废料等优点，是人类未来能源的主导形式之一，也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题。重原子核在中子打击下分裂放出的“裂变能”是当今原子能电站及原子弹能量的来源，两个氢原子核聚合反应放出“核聚变能”是宇宙间所有恒星（包括太阳）释放光和热及氢弹的能源。人类已经能控制和利用核裂变能，但由于很难将两个带正电的核靠近产生聚变反应，控制和利用核聚变能则需要历经更长的、非常艰苦的研发历程。在所有的核聚变反应中，氘和氚的核聚变反应相对比较易于实现。,氘在海水中储量极为丰富，一公升海水里提取出的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量，有人估计若把海水中的氘都提出来，可用几百亿年。聚变反应堆不产生环境污染。再考虑到聚变堆的固有安全性，可以说，聚变能是无污染、无长寿命放射性核废料、资源无限的理想能源。受控热核聚变能的大规模实现将从根本上解决人类社会的能源问题。,国际热核聚变实验堆（ITER）计划InternationalThermonuclearExperimentalReactor）1985年，作为结束冷战的标志性行动之一，前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上提出倡议由美、苏、欧、日共同启动ITER计划。1998年，美国出于政治原因宣布退出ITER计划，欧、日、俄三方则继续坚持合作2001完成ITER工程设计。2002年，欧、日、俄三方表示欢迎中国与美国参加ITER计划。2003年1月初中国宣布参加，1月末美国宣布重新参加ITER计划，在2005年韩国被接受参加，同年6月，六方一致同意把ITER建在法国核技术研究中心Cadarache，结束了激烈的选址大战。协商2006年印度加入ITER方。ITER建设总投资50亿美元（1998年值），欧盟贡献46%，美、日、俄、中、韩、印各贡献约9%，计划将历时35年，是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。,ITER计划集成了当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果。国际上对ITER计划的主流看法是：建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备，成功的把握较大，预期本世纪中叶可实现聚变能商业化。ITER计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用聚变能，从而可能影响人类从根本上解决能源问题的进程。,8粒子物理,实验研究：（1）宇宙线（2）加速器,目前世界上的高能对撞机（1）欧洲核子中心:质子-质子对撞，270+270GeV(1982）;T+T（2006）;正负电子对撞，80+80GeV（1989）。(2)中国高能所（1988）：正负电子对撞，2.8+2.8GeV(3)美国（1986）：质子对撞1000+1000GeV。,8.1粒子分类和相互作用,1.相互作用,2Particleclassification,1.规范粒子（场量子）Gougebosons光子Photon中间玻色子Intermediateboson胶子Gluon引力子Graviton,2.轻子Leptons-不参与将相互作用的费米子电子及伴生中微子重电子及伴生中微子超重电子及伴生中微子,3.强子（Hadrons）-参与将相互作用的粒子介子Mesons(玻色子)，由正反两个夸克组成重子Baryons(费米子)由三个夸克组成,夸克模型:,1964年，Gell-MannandGeorgeZweig提出夸克模型。夸克是自旋为1/2的费米子,UpDownStrangeCharmedBottomTop,In1974,thediscoveryofJ/ledtocharmedquark.In1977and1994,bottom(orbeauty)quarkandtop(ortruth)quarkwerefoundrespectively.,Red,Blue,Green,QCD(Quantumchromodynamics)量子色动力学,夸克层次的粒子分类,.规范玻色子-13种,2.费米子-48种,Higgs粒子和引力子迄今为止还没有发现,发现黑哥2011年全球科学界发生两件大事第一件，中微子被发现有超光速的迹象。动摇爱因斯坦相对论的基础，百年来的物理学可能要重写。第二件，黑格斯（higgs）粒子被发现有存在的迹象。黑格斯粒子也被叫“上帝粒子”，叫法源于一位诺奖（1988）得主莱德曼写的高能物理科普读物上帝粒子。名字有终极的意思，即粒子物理能发现的最后一个粒子。所谓higgs机制是指规范对称性自发破缺时，整体对称性自发破缺产生的零质量标量粒子被矢量场吃掉，使原本是零质量的矢量场在破缺后得到质量，这些是在相对论量子场论框架下做的。,希格斯粒子是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，是至今尚未在实验中观察到的最后一种未被发现的粒子。标准模型是当今粒子物理学的主流理论，它是描述强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论，它没有描述重力。当1995年美国费米实验室宣布发现了顶夸克时，标准模型所预言的61个基本粒子中的60个都已经得到了实验数据的支持与验证，看上去对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声,希格斯玻色子的一个LHC图像：希格斯玻色子衰减为两个强子和电子喷出物大型强子对撞机(LargeHadronCollider，简称LHC)为寻找Higgs而设计的，位于法国与瑞士边界处。环形加速器周长27公里，投资数十亿欧元，拥有来自世界各地的6000余位专家。,最接近诺贝尔奖的中国发现2012年3月8日，大亚湾中微子实验组宣布，发现了中微子的“第三种振荡”，有望破解“反物质消失之谜”。中微子振荡实际上是不同中微子之间的转换，称为“味振荡”（flavoroscillation）。科学家观测太阳中微子和大气中微子在传输过程中的值是理论值的三分之一到一半左右。已经发现了“太阳中微子振荡”和“大气中微子振荡”两种模式。发现中微子第三种振荡模式，结果是诺贝尔级的，如果观测实验早出现十来年，一定可以获得诺奖。1988年，因发现中微子获诺奖。1995年，因为1956年在实验中首次观测到中微子，而与子的发现者分享诺奖。2002年，戴维斯和小柴昌俊获诺奖。美国戴维斯从六十年代起对太阳中微子进行了三十多年的观测，提出了“太阳中微子震荡”。八十年代是日本的鼎盛时期，日本人砸钱修了一个“超级神冈探测器”。1996年开始观测，1998年发现了“大气中微子震荡”并证实了“太阳中微子震荡”。据说国际普遍不看好第三种震荡，大亚湾的科学家打算花三年时间观测到结果，没想到只花了55天就得到了5.2倍标准偏差结果。,大亚湾实验项目三号实验大厅，于2011年12月24日开始运行,项目于2007年10月动土，250名研究人员来自中国、美国、俄罗斯、捷克、香港和台湾等六个国家和地区的34家科研单位。建了总长3公里的隧道和3个地下实验大厅。其中，中国投资1.5亿元人民币，负责基础设施建设和建造一半探测器，美国能源部负责建造另一半探测器。之前决定振荡过程六个参数中的四个已经得到，大亚湾项目是针对第五个重要参数13混合角。如果一个针对性测值是零的话，意味着物质与反物质衰变速度一样，即现在物质和反物质应该是一样多，反物质必然隐藏在我们尚未找到的某个地方。如果不是零，那么就表明两者的衰变速度不同，在宇宙诞生近150亿年后的现在，反物质很可能已经衰变掉，所以我们再也没有可能找到反物质世界。实验参与者RobertMcKeown接受美国科学杂志采访时说，这很可能是中国至今最重要的物理学成果。,大统一理论grandunifiedtheory,以场论为基础统一描述弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用的理论。20世纪60年代，格拉肖、温伯格和萨拉姆提出了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论简称电弱统一理论。70年代初，强相互作用的理论研究取得了重大进展，出现了量子色动力学，为大统一理论的研究提供了较坚实的基础。,电弱统一理论是SU(2)U(1)的规范理论，该模型引入四个规范矢量粒子，通过黑格斯机制造成对称性自发破缺，使其中一个保持为无质量的规范粒子，对应传递电磁作用的光子，其余三个W和Z0获得了质量，成为传递弱作用的中间玻色子。1983年实验上发现了W和Z0，其质量与标准模型预言的一致，给了这一模型强有力的支持。,标准模型虽取得了很大的成功，但不少科学家认为它很可能不是粒子物理学最基本的理论，多年来科学家们一直在努力建立一种超越标准模型的新理论。1973年，美国科学家帕提和萨拉姆提出了统一描述夸克和轻子的帕提-萨拉姆模型，预言了质子的衰变。1974年，美国科学家乔治和格拉肖提出了把强、弱、电三种相互作用统一的SU（5）大统一理论。该理论预言了质子的衰变。测定质子的寿命成为大统一理论能否成立的关键。由于质子寿命很长，估计为1031年左右，即一年期间在1031个质子中会有一个质子蜕变。