核物理发展.ppt

1、核物理简介,一 ： 核物理发展史 二： 核物理的应用,核物理的开端：,1896年，贝可勒尔发现天然放射性，这是人们第一次观察到的核变化。现在通常就把这一重大发现看成是核物理学的开端。此后的40多年，人们主要从事放射性衰变规律和射线性质的研究，并且利用放射性射线对原子核做了初步的探讨，这是核物理发展的初期阶段。 在这一时期，人们为了探测各种射线，鉴别其种类并测定其能量，初步创建了一系列探测方法和测量仪器。大多数的探测原理和方法在以后得到了发展和应用，有些基本设备，如计数器、电离室等，沿用至今。 探测、记录射线并测定其性质，一直是核物理研究和核技术应用的一个中心环节。放射性衰变研究证明了一种元素可

2、以通过衰变而变成另一种元素，推翻了元素不可改变的观点，确立了衰变规律的统计性。统计性是微观世界物质运动的一个重要特点，同经典力学和电磁学规律有原则上的区别。 放射性元素能发射出能量很大的射线，这为探索原子和原子核提供了一种前所未有的武器。1911年，卢瑟福等人利用射线轰击各种原子，观测射线所发生的偏折，从而确立了原子的核结构，提出了原子结构的行星模型，这一成就为原子结构的研究奠定了基础。此后不久，人们便初步弄清了原子的壳层结构和电子的运动规律，建立和发展了描述微观世界物质运动规律的量子力学。 1919年，卢瑟福等又发现用粒子轰击氮核会放出质子，这是首次用人工实现的核蜕变(核反应)。此后用射线轰

3、击原子核来引起核反应的方法逐渐成为研究原子核的主要手段。,初步探索中的成果,主要成果 在初期的核反应研究中，最主要的成果是1932年中子的发现和1934年人工放射性核素的合成。原子核是由中子和质子组成的，中子的发现为核结构的研究提供了必要的前提。中子不带电荷，不受核电荷的排斥，容易进入原子核而引起核反应。因此，中子核反应成为研究原子核的重要手段。在30年代，人们还通过对宇宙线的研究发现了正电子和介子，这些发现是粒子物理学的先河。 20世纪20年代后期，人们已在探讨加速带电粒子的原理。到30年代初，静电、 核物理 直线和回旋等类型的加速器已具雏形，人们在高压倍加器上进行了初步的核反应实验。利用加

4、速器可以获得束流更强、能量更高和种类更多的射线束，从而大大扩展了核反应的研究工作。此后，加速器逐渐成为研究原子核和应用技术的必要设备。 在核物理发展的最初阶段人们就注意到它的可能的应用，并且很快就发现了放射性射线对某些疾病的治疗作用。这是它在当时就受到社会重视的重要原因，直到今天，核医学仍然是核技术应用的一个重要领域。,大发展时期,20世纪40年代前后，核物理进入一个大发展的阶段。1939年，哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象；1942年，费密建立了第一个链式裂变反应堆，这是人类掌握核能源的开端。 在30年代，人们最多只能把质子加速到一百万电子伏特的数量级，而到70年代，人们已能把质子加速到四千

5、亿电子伏特，并且可以根据工作需要产生各种能散度特别小、准直度特别高或者流强特别大的束流。 20世纪40年代以来，粒子探测技术也有了很大的发展。半导体探测器的应用大大提高了测定射线能量的分辨率。核电子学和计算技术的飞速发展从根本上改善了获取和处理实验数据的能力，同时也大大扩展了理论计算的范围。所有这一切，开拓了可观测的核现象的范围，提高了观测的精度和理论分析的能力，从而大大促进了核物理研究和核技术的应用。 通过大量的实验和理论研究，人们对原子核的基本结构和变化规律有了较深入的认识。基本弄清了核子(质子和中子的统称)之间的相互作用的各种性质，对稳定核素或寿命较长的放射性核素的基态和低激发态的性质已

6、积累了较系统的实验数据。并通过理论分析，建立了各种适用的模型。通过核反应，已经人工合成了17种原子序数大于92的超铀元素和上千种新的放射性核素。这种研究进一步表明，元素仅仅是在一定条件下相对稳定的物质结构单位，并不是永恒不变的。 天体物理的研究表明，核过程是天体演化中起关键作用的过程，核能就是天体能量的主要来源。人们还初步了解到在天体演化过程中各种原子核的形成和演变的过程。在自然界中，各种元素都有一个发展变化的过程，都处于永恒的变化之中。 通过高能和超高能射线束和原子核的相互作用，人们发现了上百种短寿命的粒子，即重子、介子、轻子和各种共振态粒子。庞大的粒子家族的发现，把人们对物质世界的研究推进

7、到一个新的阶段，建立了一门新的学科粒子物理学，有时也称为高能物理学。各种高能射线束也是研究原子核的新武器，它们能提供某些用其他方法不能获得的关于核结构的知识。,重大突破,过去，通过对宏观物体的研究，人们知道物质之间有电磁相互作用和万有引力(引力相互作用)两种长程的相互作用；通过对原子核的深入研究，才发现物质之间还有两种短程的相互作用，即强相互作用和弱相互作用。在弱作用下宇称不守恒现象的发现，是对传统的物理学时空观的一次重大突破。研究这四种相互作用的规律和它们之间可能的联系，探索可能存在的靳的相互作用，已成为粒子物理学的一个重要课题。毫无疑问，核物理研究还将在这一方面作出新的重要的贡献。 核物理

8、的发展,不断地为核能装置的设计提供日益精确的数据，从而提高了核能利用的效率和经济指标，并为更大规模的核能利用准备了条件。人工制备的各种同位素的应用已遍及理工农医各部门。新的核技术，如核磁共振、穆斯堡尔谱学、晶体的沟道效应和阻塞效应，以及扰动角关联技术等都迅速得到应用。核技术的广泛应用已成为现代化科学技术的标志之一。 完善和提高 20世纪70年代，由于粒子物理逐渐成为一门独立的学科，核物理已不再是研究物质结构的最前沿。核能利用方面也不像过去那样迫切，核物理进入了一个纵深发展和广泛应用的新的更成熟的阶段。 在现阶段，粒子加速技术已有了新的进展。由于重离子加速技术的发展，人们已能有效地加速从氢到铀所

9、有元素的离子，其能量可达到十亿电子伏每核子。这就大大扩充了人们变革原子核的手段，使重离子核物理的研究得到全面发展。 随着高能物理的发展，人们已能建造强束流的中高能加速器。这类加速器不仅能提供直接加速的离子流，还可以提供次级粒子束。这些高能粒子流从另一方面扩充了人们研究原子核的手段，使高能核物理成为富有生气的研究方面。 从核物理基础研究看，主要目标在两个方面：一是通过核现象研究粒子的性质和相互作用，特别是核子间的相互作用；再者是核多体系的运动形态的研究。很明显，核运动形态的研究将在相当长的时期内占据着核物理基础研究的主要部分。,欧洲强子对撞机,欧洲大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高的粒子加

10、速器，是一种将质子加速对撞的高能物理设备，英文名称为LHC(Large Hadron Collider)。大型强子对撞机坐落于日内瓦附近。参与这一项目的研究人员表示，在短短3个月的实验过程中，他们已经探测到处于我们当前对物理学的了解标准模型核心的所有粒子。北京时间7月28日消息，据国外媒体报道，参与大型强子对撞机(LHC)项目的科学家表示，他们可能已经“接近”希格斯玻色子。希格斯玻色子也被称之为“上帝粒子”，据信在大爆炸之后宇宙形成过程中扮演重要角色。,研究主题 物理学家希望借由加速器对撞机来帮助他们解答下列的问题： 标准模型中所流行的造成基本粒子质量的希格斯机制是真实的吗？ 真是如此的话，希

11、格斯粒子有多少种，质量又分别是多少呢？ 当重子的质量被更精确的测量时，标准模型是否仍然成立的？ 粒子是否有相对应的超对称(SUSY)粒子存在？ 为何物质与反物质是不对称的？ 有更高维度的空间(Kaluza-Kleintheory,extradimensions)存在吗？ 我们可以见到这启发弦论的现象吗？ 宇宙有96%的质量是目前天文学上无法观测到的，这些到底是什么？ 为何万有引力比起其他三个基本作用力(电磁力，强作用力，弱作用力)差了这么多个数量级？ 重离子对撞机 虽然LHC的物理实验计划，着重于研究质子对撞后的现象。然而，短期的如每年一个月的重离子对撞也在实验计划之中。虽然其他较轻的离子对撞

12、实验也是可行的，目前主要的规划为铅离子的对撞实验。 中国元素：60余名中国科学家(其中近四十人为台湾科学家)参与强子对撞机实验。四个主要实验均有中国科研单位和高校参与，分别为：中科院高能物理研究所、中国科技大学、山东大学、南京大学参与ATLAS实验；中科院高能物理研究所、北京大学参与CMS实验；华中师范大学参与ALICE实验；清华大学参与LHCb实验。,核物理的应用,同位素示踪： 核技术应用主要为核能源的开发服务，如提供更精确的核数据和探索更有效地利用核能的途径等；另外，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

13、各工业部门用作生产自动线监测或质量控制装置。 加速器及同位素辐射源已应用于工业的辐照加工、食品的保藏和医药的消毒、辐照育种、辐照探伤以及放射医疗等方面。为了研究辐射与物质的相互作用以及辐照技术，已经建立了辐射物理、辐射化学等边缘学科以及辐照工艺等技术部门。 由于中子束在物质结构、固体物理。高分子物理等方面的广泛应用，人们建立了专用的高中子通量的反应堆来提供强中子束。中子束也应用于辐照、分析、测井及探矿等方面。中子的生物效应是一个重要的研究方向，快中子治癌已取得一定的疗效。 离子束的应用： 是越来越受到注意的一个核技术部门。大量的小加速器是为了提供离子束而设计的，离子注入技术是研究半导体物理和制

14、备半导体器件的重要手段。离子束已经广泛地应用于材料科学和固体物理的研究工作。离子束也是用来进行无损、快速、痕量分析的重要手段，特别是质子微米束，可用来对表面进行扫描分析。其精度是其他方法难以比拟的。,核武器,原子弹：利用铀-235或钚-239等重原子核裂变反应。瞬时释放出巨大能量的核武器。又称裂变弹。原子弹的威力通常为几百至几万吨级梯恩梯当量，有巨大的杀伤破坏力。它可由不同的运载工具携载而成为核导弹、核航空炸弹、核地雷或核炮弹等，或用作氢弹中的初级(或称扳机)，为点燃轻核引起热核聚变反应提供必需的能量。,氢弹（一般指二相弹）：氢弹是核裂变加核聚变由原子弹引爆氢弹，原子弹放出来的高能中子与氘化锂

15、反应生成氚，氚和氘聚合产生能量。氢弹爆炸实际上是两次核反应（重核裂变和轻核聚变），两颗核弹爆炸（原子弹和氢弹），所以说氢弹的威力比原子弹要更加强大。如装载同样多的核燃料，氢弹的威力是原子弹的4倍以上。当然，不能用大当量的原子弹与小当量的氢弹来比较。 一般原子弹当量相当于几千到几万吨TNT，二相弹可能达到几千万吨TNT当量,中子弹（增强辐射弹）：以氘和氚聚变原理制作，以高能中子为主要杀伤力的核弹 。中子弹是一种特殊类型的小型氢弹，是核裂变加核聚变但不是用原子弹引爆，而是用内部的中子源轰击钚-239产生裂变，裂变产生的高能中子和高温促使氘氚混合物聚变。它的特点是：中子能量高、数量多、当量小。如果当

16、量大，就类似氢弹了，冲击波和辐射也会剧增，就失去了“只杀伤人员而不摧毁装备、建筑，不造成大面积污染的目的”。也失去了小巧玲珑的特点。中子弹最适合杀灭坦克、碉堡、地下指挥部里的有生力量。,即核定向能武器：正在研制中，因为这些核弹不产生剩余核辐射，因此可作为“常规武器”使用，主要种类有： 反物质弹、粒子束武器、激光引爆核炸弹、干净的聚变弹、同质异能素武器等。 第四代的另一特点是突出某一种效果，如突出电磁效应的电磁脉冲弹，使通讯信号混乱。他可以使高能激光束、粒子束、电磁脉冲等离子体定向发射，有选择地攻击目标，单项能量更集中，有可控制的特殊杀伤破坏作用。,核爆图片,中国核试验图片,核电站,核电站是怎样

17、发电的呢？简而言之，它是以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，来加热水使之变成蒸汽。使核能转变成热能。蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电，使机械能转变成电能。一般说来，核电站的汽轮发电机及电器设备与普通火电站大同小异，其奥妙主要在于核反应堆。 核反应堆,核反应堆，又称为原子反应堆或反应堆，是装配了核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。 原子由原子核与核外电子组成。原子核由质子与中子组成。当铀235的原子核受到外来中子轰击时，一个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核，同时放出23个中子。这裂变产生的中子又去轰击另外的铀235原子

18、核，引起新的裂变。如此持续进行就是裂变的链式反应。链式反应产生大量热能。用循环水(或其他物质)带走热量才能避免反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水变成水蒸气，推动气轮机发电。由此可知，核反应堆最基本的组成是裂变原子核+热载体。但是只有这两项是不能工作的。因为，高速中子会大量飞散，这就需要使中子减速增加与原子核碰撞的机会；核反应堆要依人的意愿决定工作状态，这就要有控制设施；铀及裂变产物都有强放射性，会对人造成伤害，因此必须有可靠的防护措施。综上所述，核反应堆的合理结构应该是：核燃料+慢化剂+热载体+控制设施+防护装置。,第一代核电站,20世纪50年至60年代初，苏联、美国等建造了第一批单机容量在

19、300MWe左右的核电站，如美国的希平港核电站和英第安角1号核电站，法国的舒兹(Chooz)核电站，德国的奥珀利海母(Obrigheim)核电站，日本的美浜1号核电站等。第一代核电厂属于原型堆核电厂，主要目的是为了通过试验示范形式来验证其核电在工程实施上的可行性。,第二代核电站,20世纪70年代，因石油涨价引发的能源危机促进了核电发展，世界上已经商业运行的400多台机组大部分在这段时期建成，称为第二代核电机组。第二代核电厂主要是实现商业化、标准化、系列化、批量化，以提高经济性。自20世纪60年代末至70年代世界上建造了大批单机容量在6001400MWe的标准化和系列化核电站，以美国西屋公司为代

20、表,第三代核电站,我国自主创新的第三代核电项目正在浙江三门和山东海阳进行建设，和正在运行发电的第二代核电机组相比，预防和缓解堆芯熔化成为设计上的必须要求，而这一点也正是作为第二代核电站的福岛核电站事故中暴露出来的弱点。据悉，我国第三代核电站将装备有蓄水池，这样的“大水箱”在紧急情况下能释放出大量的水，从而达到降温等应急需求。它们发生严重事故的概率均比第二代核电机组小100倍以上 。,我国核电站分布图,历史上重大核泄漏,一 切尔诺贝利核电站是苏联时期在乌克兰境内修建的第一座核电站。曾被认为是世界上最安全、最可靠的核电站。但1986年4月26日，核电站的第4号核反应堆在进行半烘烤实验中突然发生失火

21、，引起爆炸，据估算，核泄漏事故后产生的放射污染相当于日本广岛原子弹爆炸产生的放射污染的100倍。爆炸使机组被完全损坏，8吨多强辐射物质泄露，尘埃随风飘散，致使俄罗斯、白俄罗斯和乌克兰许多地区遭到核辐射的污染。2011年4月26日，切尔诺贝利事故迎来25周年纪念。,二 1979年3月28日凌晨4时，美国宾夕法尼亚州的三里岛核电站第2组反应堆的操作室里，红灯闪亮，汽笛报警，涡轮机停转，堆心压力和温度骤然升高， 2小时后，大量放射性物质溢出。在三里岛事件中，从最初清洗设备的工作人员的过失开始，到反应堆彻底毁坏，整个过程只用了120秒。6天以后，堆心温度才开始下降，蒸气泡消失引起氢爆炸的威胁免除了。100吨铀燃料虽然没有熔化，但有60%的铀棒受到损坏，反应堆最终陷于瘫痪。此事故为核事故的第五级。（核事故共7个级别，级别越高，危害越大）,三 福岛核电站（Fukushima Nuclear Power Plant）是目前世界上最大的核电站，由福岛一站、福岛二站组成，共10台机组（一站6台，二站4台），均为沸水堆。受东日本大地震影响，福岛第一核电站损毁极为严重，大量放射性物质泄漏到外部，