第八章-材料的核物理性能.ppt

1、第八章材料的核物理性能,“台风”级弹道导弹核潜艇潜航排水量48000吨6艘（1艘仍服役）俄国防部决定全部退役941型核潜艇主要有几个原因。首先，2010年春俄美签署的第三阶段削减战略进攻性武器条约规定，双方部署展开的核弹头数量最多为1550枚。俄军941型核潜艇每艘最多可携载200枚核弹头，如果3艘该型核潜艇全部满载武器（R-39或R-39U弹道导弹）的话，几乎将占新条约限制标准的一半。,氘,氚,中子,氦,历史回顾重要人物,贝克勒尔(H.Becquerel),法国物理学家（1852-1908），1903年获得诺贝尔奖。发现了铀(U)放射现象，这是人类历史上第一次在实验室里观察到原子核现象。,居

2、里(M.Curie)，法国物理学家（1867-1934），波兰人，1903年获得诺贝尔奖。发现钋(Po)和镭(Ra);她的女儿(I.Joliot-Curie,1897-1956)和女婿(F.Joliot-Curie,1900-1958)因发现人工放射性获1934年诺贝尔奖。,历史回顾重要人物,卢瑟福(E.Rutherford)，英国物理学家(1871-1937)，新西兰人，1908年获得诺贝尔奖。证实了a射线为He2+，b射线为电子；提出了原子的核式模型；首次实现人工核反应；培养了10名诺贝尔奖获得者。+13N16O+p,历史回顾重要人物,恰德威克(J.Chadwick)，英国物理学家(189

3、1-1974)，1935年因发现了中子获得诺贝尔奖。中子的发现被认为是原子核物理的诞生。+9Be12C+n,历史回顾重要人物,原子弹之父：奥本海默,邓稼先(1924-1986)在原子弹、氢弹研究中，领导开展了爆轰物理、流体力学，状态方程、中子输运等基础理论研究。领导完成原子弹的理论方案，并参与指导核试验的爆轰模拟试验。,1896：H.Becquerel发现了铀(U)放射现象;1897：P.1903：卢瑟福证实a射线为He2+，b射线为电子；1911：卢瑟福提出原子的核式模型；1919：卢瑟福首次实现人工核反应，发现了质子。,历史回顾重要事件,1932：J.Chadwick发现了中子;1934：

4、F.1942：E.Fermi发明热中子链式反应堆；1945：原子弹试爆成功，并在广岛上空爆炸；1952：氢弹试爆成功。,历史回顾重要事件,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；(10.16)1967：我国第一颗氢弹试爆成功；(6.17)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；1991：秦山核电站发电成功;,历史回顾重要事件,“小玩意儿”钚装药重6.1千克，TNT当量2.2万吨，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座30米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨

5、大的弹坑。在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所有的动物全部死亡。“原子弹之父”奥本海默在核爆观测站里感到十分震惊，他想起了印度一首古诗：“漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争辉。我是死神，我是世界的毁灭者。”,历史回顾原子弹,在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里多。美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。广岛市区80%的建筑化为灰烬，64000人丧生，72000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%。长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，占全市总人口的37%。,历史回

6、顾原子弹,中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图,历史回顾原子弹,中国第一颗氢弹爆炸蘑菇云,从第一颗原子弹到第一颗氢弹试爆成功，美国人走过艰难的7年零4个月，苏联人用了4年，英国人用了4年零7个月，法国人更是经过8年零6个月才修得正果，而中国人只用了惊人的短短2年零8个月时间，这是中国人创造的奇迹！,返回主目录,第一节、核物理基础简介,核质量的测量质谱仪原理：先让原子电离，离子经电位差为V的加速电场区后，又经一磁场为B的磁场区，受洛仑兹力发生偏转，由偏转半径R可求得离子的质量。,第一节、核物理基础简介,放射性的一般现象,1）射线：高速运动的He核组成，电离作用强，穿透本领低。,2）射线：高速运动的电

7、子流，电离作用弱，穿透本领较强。,3）射线：波长很短的电磁波，穿透能力最强，电离作用最弱。,第一节、核物理基础简介,核衰变原子核自发地放射出或等粒子而发生的转变称为核衰变。,衰变,衰变,跃迁：处于激发态的原子核向基态或较低激发态跃迁。,第一节、核物理基础简介,哪些原子核能发生a衰变呢？,实验表明，不是所有的原子核都能发生衰变。A140的原子核才能发生衰变。,由于粒子的比结合能很高(7.07MeV)，结合很紧，故可以设想粒子作为一个整体存在于核中，在其它核子构成的势场中不停运动。,第一节、核物理基础简介,粒子与原子核的相互作用,粒子与核内其它核子间主要存在两种作用力：核力和库仑力。核力-吸引力，

8、短程力。（比库仑力大得多）库仑力-排斥力，长程力。,粒子在核内：可以认为，受力近似地达到平衡，粒子在核内可以自由地高速度地运动。粒子在核边界：受库仑势垒的阻挡，只有很小的概率能穿透库仑势垒跑到核外。一旦脱离了原子核，它与子核间仅是库仑相互作用。,第一节、核物理基础简介,衰变,指原子核自发地放射出一个粒子或者俘获一个轨道电子而发生的转变。,轨道电子俘获（EC）是原子核从核外的电子壳层中俘获一个轨道电子。,第一节、核物理基础简介,原子核进行，衰变以及核反应以后所形成的原子核往往处于激发态。处于激发态的原子核不稳定，常常进行电磁跃迁。原子核通过发射光子从激发态跃迁到基态或者较低的能态，这个过程叫做跃

9、迁，或称为衰变。射线的能量E等于初始能级能量Ei与终态能级能量Ef之差即E=EiEf。光子能量一般为：10keV-5MeV（108cm1011cm）,衰变,第一节、核物理基础简介,天然放射性：天然存在的放射性核素所具有的放射性。它们大多属于由重元素组成的三个放射系（即钍系、铀系和锕系）。,人工放射性：用人工办法产生的放射性。一般利用反应堆或加速器来产生。,第一节、核物理基础简介,人造放射性核素有两种方法：反应堆和加速器。,反应堆：一是利用反应堆中强中子流辐照靶核，靶核俘获中子而生成放射性核素（中子活化法）；二是利用中子引起重核裂变，从裂变碎片中提取放射性核素。,加速器：主要通过加速器加速带电粒

10、子来轰击靶核，引起核反应而获得放射性核素。,第二节、核物理性能及应用,1、核反应堆,1、核反应堆,1、核反应堆,核反应：原子核与原子核，或者原子核与其它粒子（如中子、光子等）之间的相互作用所引起的各种变化。1）各式各样的核反应是产生不稳定核素的最根本的途径。2）核反应涉及的能量可以很高，通常在一个核子的分离能以上，甚至高达几百MeV以上。反应核谱学是研究高激发能级的重要手段。,1、核反应堆,3）由核反应实验结果与理论预言比较，可得到核反应机制、原子核结构的重要信息。迄今为止，有关原子核的知识，主要来自核反应的研究。4）核反应的研究为核能的开发、核技术的应用奠定了物理基础。一些研究结果，对物理学

11、甚至化学的一些领域也有重要意义。,一、实现核反应的途径,要使核反应过程能够发生，原子核或其它粒子（如中子、光子等）必须足够接近靶核，一般要达到核力作用范围（1012cm）。实现这一条件可以通过以下途径：1）利用核衰变产生的高速粒子去轰击原子核。,用放射源提供入射粒子来研究核反应，入射粒子种类很少，强度不大，能量不高，而且不能连续可调。故目前应用较少。,1、核反应堆,2）利用宇宙射线实现核反应。,宇宙射线的能量一般都很高，最高可达1021eV。这是目前用人工方法不能实现的。用它作为入射粒子来研究高能核反应有可能发现一些新现象。但宇宙射线的强度很弱，能观测到核反应的机会极小。,1、核反应堆,3）利

12、用加速器、反应堆产生的粒子进行核反应。,这是实现人工核反应的最主要的手段。特别是随着粒子加速器技术的不断发展和性能改进，人们已能将几乎所有的稳定核素加速到单核子能量数百MeV，甚至更高的能量。在束流强度和品质方面也有极大提高。加速器产生的粒子，种类多、能量范围广、能量大小可调、束流强度高，是核反应研究的主要工具。,1、核反应堆,第一个在加速器上实现的核反应：1932年，英国考克拉夫（J.D.Cockroft）和瓦尔顿（E.T.S.Walton）把质子加速到500keV，,释放的粒子每一个具有8.9MeV动能。,1、核反应堆,二、核反应过程的分类,1、表示,or,式中，A和a分别表示靶赫和入射粒

13、子；B和b分别表示剩余核和出射粒子。,1、核反应堆,（1）按出射粒子不同可分为两大类：a=b称为核散射,ba称为核转变。如：,在这一类核反应中，有一种过程，出射粒子为射线，称为辐射俘获。如,1、核反应堆,（2）按入射粒子种类不同，核反应分为：,中子核反应,带电粒子核反应,光核反应：由光子引起的核反应,1、核反应堆,（3）按入射粒子能量不同可将核反应分为：,低能核反应：单核子能量E30MeV，此时最多出射34个粒子。中能核反应：单核子能量30MeVE/A1000MeV，此时可以使靶核散裂成许多碎片。E/A100MeV时，还可以产生介子。高能核反应：E/A1000MeV，此时除可以产生介子外，还可

14、以产生其它一些基本粒子和形成奇特核。,1、核反应堆,（4）按靶核的质量数A的大小分：,轻核反应：A30；中量核反应：30A90：重核反应：A90。,1、核反应堆,四、核反应过程的描述,韦斯科夫（V.F.Weisskopf）于1957年对核反应过程提出了三阶段描述，如图9-15。他是根据反应的时间顺序来分的。另外，在他描绘的图像中还包含了两种不同的反应机制：复合核反应和直接反应。根据反应阶段不同和反应机制的差异，建立了各不相同的模型理论。它们都成功地解释了许多实验现象。,1、核反应堆,1、核反应堆,第一阶段：独立粒子阶段。,入射粒子接近到靶核核场作用范围内，犹如光波射到一个半透明的玻璃球一样，可

15、能发生两种情况：一是粒子进入靶核，被靶核吸收，引起核反应（犹如玻璃球吸收了光波）；二是粒子被靶散射（弹性散射，犹如光波遭到了玻璃球的反射和折射）。描述这一阶段的核反应模型称为“光学模型”。在这一阶段，入射粒子在靶核核场中运动，保持相对独立性。,1、核反应堆,1、核反应堆,第二阶段：复合系统阶段。,粒子被靶吸收，粒子与靶核发生了能量交换，因而不再能看作是粒子在整个靶核作用下独立运动，而认为入射粒子和靶核形成了一个复合体系。描述这一阶段的核反应模型称为“复合核模型”。核反应过程可表示为：,1、核反应堆,能量交换方式：入射粒子把能量交给靶核表面或体内的一个或几个核子，使反应直接推向第三阶段直接作用；

16、入射粒子在核内碰撞多次再发射出来多次碰撞；入射粒子把部分能量交给靶核后飞出，这是靶核产生集体激发，引起核的集体转动、振动等集体激发；入射粒子与靶核经过多次碰撞，不断损失能量，最后停留在核内，和靶核融为一体，形成一个中间过程的原子核复合核。,1、核反应堆,第三阶段：最后阶段。,此阶段中，复合系统分解成出射粒子和剩余核。显然，若分解出的粒子与入射粒子相同，同时剩余核处于基态，这就是弹性散射。但不同于独立粒子阶段的势弹性散射，这种经过复合核的弹性散射称为复合核弹性散射，它就是9.6节所讲的共振散射。若剩余核处于激发态，就是非弹性散射。,1、核反应堆,2）复合核反应,复合核形成要经过多次碰撞，达到统计平衡后才能实现，因此作用时间比直接作用过程长得多，约为1015s。形成复合核后，已失去形成前的“记忆”，其出射粒子角分布各向同性或90对称，能谱接近麦克斯韦分布。,1、核反应堆,对于一个具体的反应，复合核过程和直接过程往往同时并存，但对于不同的入射粒子和靶核，不同的入射粒子能量，复合核截面和直接作用截面的相对大小是不同的。在某些情形，一种机制占压倒优势，以致在实验上观察不到两种反应机制的并存。根据两种机制的特点，可以判断不同反应机制的类型，以及估计各种反应机