09-10(一)电子07级自然科学史(10).ppt

1、1,（复习）第二次科学革命 1、历史背景 以太漂移的“零”结果 紫外灾难 三大发现 2、爱因斯坦创立狭义相对论 狭义相对论的基本概念 3、普朗克创立量子论 光量子假说 玻尔的原子结构假说 量子力学的创立 量子力学的基本概念,2,第十讲 现代物理学形成（1）,3,一、原子核物理学的形成,原子核物理学是研究原子核的结构、变 化规律及其内部结合力的一个物理学分支。 原子核物理学涉及的空间尺寸很小(原子10-8cm，原子核10 -13cm)所以无法用显微镜观察。,4,1、原子核物理的研究方法: 用能量足够大的粒子(炮弹)去轰击原子核观察原 子核的变化。 如碎片的质量、能量、电荷能性质 。,5,哪些粒子

2、可作为炮弹? 最初的炮弹是粒子、粒子、 射线、 中子是理想的炮弹，后来人们发明了加速器，这 使人类可以加速其他粒子作为“炮弹”。,6,什么是粒子? 历史之最先发现的射线是由放射性原素镭发射 的。 现在已知粒子是带正电荷的氦原子核，形成的粒 子流叫射线。,7,22688Ra138 22286Rn136+42He2,这是“母核”镭放出一个粒子后转变为子氡核 222 原子序数从88减少到86. 质量数从226减少到222，在元素周期表上的位置往后退了两格，元素的性质发生了明显的变化。,8,1899年，卢瑟福用强磁场使铀的射线发生偏 转从而确立了射线的性质。,9,射线 现在已知射线是带负(正)电荷的电

3、 子流， 它产生的机制是原子核内部的中子和质子相互 转化时发出的一种放射线，,10,10n1 11P0+e+ 例如中子转化为质子时。由e形成的电子 流就是射线，称为中微子，象原子一样，原 子核也处于一定的能量状态。,11,射线 射线产生的机制是： 原子核内部核子能级跃迁产生的光子流。,12,2、原子核的结构结构的确认 （1）第一次人工嬗变的实现 1919年卢瑟福用粒子轰击氮原子核，发现氮 原子核受粒子轰击后变为氧原子，同时放出质子 ，核反应式如下 147N+42He 178O+11H,13,这是人类有史以来第一次真正将一种元素变为另 一种元素，这种变化叫元素的人工嬗变，它使古代 炼金士的梦想终

4、于变为现实。 因此卢瑟福开辟了物理学的新天地。,14,（2）质子作为原子核组成部分的确立 1921年 1924年，卢瑟福用多种材料作实 验，证明有十几种轻元素都可以在粒子的轰击下 发生衰变，并放出质子，根据这个现象，卢瑟福设 想:质子(H)可能是原子核的组成部分，也就是说质 子是所有元素原子核中都存在的一种粒子，,15,16,接下来的问题是：原子核内除了质子还有哪种 粒子？ 卢瑟福的学生莫塞莱首先注意到，原子核的正 电数(H数)与原子序数 (核外电子)相等，但原子核的 质量数却比原子序数大。 这说明原子核仅有质子组成它的质量是不够的。,17,一开始人们根据、射线都是从原子核放射出来的现象推测：

5、原子核是由电子和质子组成的。 但理论和实验都证明这是不可能的，如果原子 核内真的存在电子的话，它发出的射线的能量将 比实际观察到的大的多。,18,19,（3）中子的发现 1920年6月卢瑟福提出了原子核内可能存在一种电中 性的粒子的设想。 卢瑟福提出中子的假设后曾企图在实验室中把这种粒子从轻元素中打出来，但没立即取得 成功。,20,1932年1月，居里夫人的女儿伊雷娜居里 (1892-1956)和她的丈夫约里奥居里(1900-1958) 。 用很强的钋源产生的粒子轰击铍 发现一种穿透力 很强的不带电的粒子流。 由于他们没有注意到卢瑟福提出的设想，便把这 种中性粒子猜想为光子。,21,1932年

6、2月卢瑟夫的学生查德威克(1891-1974)在听到居里夫妇的实验结果后，由于了解老师关于核中存在中性粒子的假设，立即意识到那种贯穿力很强的粒子可能正是中子，并马上重复他们的实验，发现这种中性粒子具有静止质量，其速度比光速小的多。,22,于是得出结论：约里奥居里夫妇所发现的中性 粒子不是光子，而正是人们一直在企图寻找的中子。 查德威克的关于发现中子的文章发表在1932年2 月的英国自然杂志上，这离居里夫妇的实验仅一 个月。,23,24,25,中子的发现为核物理开辟了一个新纪元， 它的意义在于： 确定了核结构的模型。 中子的发现为原子核物理的研究提供 了一把“钥匙”。,26,（4）、中微子的发现

7、 1914年查德威克实验发现粒子的能谱是分立 的, 而粒子的能谱是连续分布的。这就产生了衰 变中如何满足能量守恒定律的严重问题。,27,据此,玻尔提出能量守恒定律对于衰变可能不适用的看法。 泡利于1931年设想,当发射性物质发生衰变时,同时放出一种质量极小的中性粒子。 1933年泡利完整地提出了衰变时放出中微子的假说。,28,1933年，泡利完整的提出了衰变时放出中微 子的假说。 +衰变：P n + e+ + -衰变：n P + e+,29,泡利认为衰变的本质是原子核中的一个中子转变为一个质子，中子和质子可以看做同一核子的两个不同的状态，它们之间相互转变，当核子从一个状态跃迁到另一个量子态时，

8、在跃迁过程中放出电子和中微子。 由于中微子难以探测，物理学界十分勉强的接受了这种理论。,30,1956年美国科学家戴维斯从实验中探测到了中微子。 1965年在南非的矿井下，首次发现来自宇宙中的自 然状态的中微子。 中微子的发现证明，能量、动量、角动量守恒定律 在微观领域仍然是成立的。,31,中微子是一种很奇特的粒子，静止质量为零， 电量为零，在宇宙中自由运行，如能为人类利用， 则有极光明的前景。,32,33,34,二、核裂变的发现,1、人工放射性元素的发现 1934年，约里奥居里夫妇粒子轰击铝，粒 子与铝结合后变成了磷的同位素30P，它是自然界中不 存在的，稳定性极差，在放出正电子后变成稳定元

9、素 硅。 此外他们还发现用粒子轰击镁、硼等轻元素后也能 产生人工放射性元素。这是一重大发现。,35,36,37,2 、核裂变的发现 （1）慢中子方法的产生 费米设想：用粒子作炮弹因为粒子带正电， 容易受到被轰元素核的排斥。如果用中子代替粒子 作炮弹，则较容易使稳定的元素成为人工放射性元素。,38,1934年费米和他的助手在用中子轰击银 费米发现；在中子源和银靶之间放有石 蜡时，银的放射性提高了100倍。,39,费米认为这是由于中子到达银靶前先击中了石 蜡中的氢核(原子)速度减慢了，在银核周围停留的 时间长了，因此快中子更容易被银核“俘获”。 从而开创了用慢中子进行核反应的方法。,40,（2）人

10、类第一次核裂变的产生 ； 当费米用中子轰击92号元素铀，生成物中放射出 射线，费米认为找到了93号超铀元素。 德国女化学家依达诺达克认为铀92在遭受慢中子 轰击后可能分裂成了几个大的碎片，但费米没有接收 她的意见。费米错过了一次重大发现的机会。,41,42,43,1937年当时最著名的化学家哈恩(1879-1968)及他的合作者也做了相同的实验。 诺达克夫人也曾向哈恩表示铀92可能分裂成几大碎片，但哈恩也未接受她的意见,44,45,46,47,1938年9月约里奥一居里夫妇用放射化学的方法 分析铀的产物，发现其中的一些放射性元素，半衰 期为3.5小时，对此他们无法解释。,48,约里奥一居里夫人

11、的实验再次引起了哈恩和施特拉斯曼的注意，于是他们重作上述实验，结果发现，在 铀被中子轰击后的产物中有钡、镧、铈几种元素，原子序 数分别为56、57、58.,49,一个能量很低的慢中子轰击一个重核产生如此 规模的崩裂，这是不可思议的，但是这是实验事实 1938年12月22日哈恩和施特拉斯曼给德国自 然科学寄去了实验报告，但哈恩对此感到很茫然。,50,哈恩在这种情况下给逃亡到瑞典的奥地利女物理 学家迈特纳征求她的意见。 迈特纳同她的外甥,物理学家弗里施(1904- )进行 了热烈的讨论，他们根据彼尔刚提出的原子核“液滴模 型”设想，铀原子核在受到中子的轰击后，像细胞分裂 那样产生了分裂。,51,52,质量亏损的发现 而且迈特纳在比较了前后物质的能量后，发现了质 量亏损现象。 1939年2月迈特纳在自然杂志上发表了论文，正 确分析了哈恩的实验结果，并特别指出了质量亏损会在 核裂变过程出现。 按照爱因斯坦的质能关系，这意味着巨大能量的产生，,53,根据质能关系式 E=mc2 算出：一个铀核裂变时 ，由于产生了质量亏损可以释放出2亿电子伏特的能量 ，是一个原子化学反应释放能量的几千万倍。 这个结论立刻引起了轰动，有人立即回到