陕西学大信息技术有限公司阎良校区高中物理选修35第三章原子核课件

1、原子核物理, 十九世纪末，汤姆生发现了电子，并知道电子是原子的组成部分由于电子是带负电的，而原子又是中性的，因此推断出原子中还有带正电的物质那么这两种物质是怎样构成原子的呢？zxxk,汤姆生,1。汤姆生的枣糕模型,一、原子模型,在汤姆生的原子模型中，原子是一个球体；正电核均匀分布在整个球内，而电子都象枣核那样镶嵌在原子里面,电子,正电荷,这个模型不久就被实验事实否定了,著名的 粒子散射实验,根据汤姆生模型计算的结果：电子质量很小，对 粒子的运动方向不会发生明显影响；由于正电荷均匀分布， 粒子所受库仑力也很小，故 粒子偏转角度不会很大Z.xxk,在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核 原子的全部

2、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Zx.xk,卢瑟福提出的原子核式结构,体育场,根据卢瑟福的原子结构模型，原子内部是十分“空旷”的，举一个简单的例子：zxx.k,原子,原子核,质子,中子,核子,质子数,电荷数,二.放射性的发现,关于原子核的研究，可以说起源于1896年贝克勒尔发现的放射性。Zx.xk,1.彭加勒的启示,2.1896年贝克勒尔发现的放射性,3.意义:第一次发现原子核的变化,开辟了原子核物理 研究的道路,4.1898年居里夫人从铀矿石中发现的镭和钋等放射性 元素为核物理科学奠定了基础,5.射线的发现：,6.放射性衰变规律的发现,三.人工核反应的实现

3、,1.马斯登发现反常现象,2.1919年卢瑟福发现了质子,3.1919年卢瑟福和查德威克又发现硼氟钠铝磷的核反应,4.1932年安德逊发现了中子，1945年由西格雷证实。中子的发现，验证了狄拉克反粒子的预言，使人们对粒子的认识产生了一个质的飞跃。,四.中子的发现,1.中子设想,2.查德威克寻找,卢瑟福的学生,得力助手查德威克从 1921年开始寻找,1924年建议,1930年有突破.,3.居里夫妇错失良机,1920年卢瑟福根据质子数与电子数不相等的矛盾大胆提出中子假设.,1928年居里夫妇和玻特发现了用粒子轰击轻元素时有一种穿透力极强的射线,但都错误的认为是射线,因而错失了发现中子的良机.,5.

4、查德威克发现中子,查德威克从 1921年开始,历经11年的探索,终于在比居里夫妇提前不到一个月的1932年2月17日发现了中子.,6.中子发现的意义,(1)中子的发现，表明原子核也有组成和结构，从而使人类对物质结构的认识深入到了核子阶段。人们确认原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。,(2)中子的发现，引发了一连串的新发现,如人工放射性,慢中子,核裂变等.,(3)中子的发现，打开了核能应用的大门.,要想知道梨子的味道，就得用口尝一尝，要想知道物质的结构就得打开看一看，这个方法连三岁小孩也是如此，他们为了弄清玩具内部的秘密，总是拆呀卸呀的，一天能搞坏几个玩具。然而人类要探索原子、原子核、

5、以至基本粒子层次的秘密就不那么容易了，这时就要寻找威力很大的“炮弹”才能将各种粒子打开。在粒子加速器问世之前，人们的“炮弹”有两种，一种是天然放射线束，一种是来自天外的高能宇宙射线。,五.探索物质结构的武器-加速器,1903年卢瑟福和库克发现宇宙射线迹象.,1909年莱特也发现宇宙射线迹象.,1910年沃尔夫和哥克尔也发现宇宙射线迹象.,1912年赫斯发现宇宙射线.,1914年赫斯的发现得到柯尔霍斯特的进一步证实.,对于天然放射线束，固然简单方便，但放射线粒子的能量太小，对重原子核和结合能大的粒子无能为力。对于高能宇宙射线，宇宙射线粒子的能量虽然可高达1016MeV，但其强度太弱，它像用步枪在

6、几公里之外处打一只苍蝇的眼睛一样，打中的几率太小。那么如何才能得到能量又高，流强又大，而且可由人工控制的粒子束（炮弹）呢？,自20世纪30年代以来， 科学家就想方设法制造出了一系列这样的“大炮”加速器。包括能量在100以下的低能加速器，能量在100MeV3000MeV的中能加速器和能量在3000MeV以上的高能加速器。举例如下:,（1）静电加速器 静电加速器是利用静电起电和尖端放电原理制成的加速器，如图9.3.1所示。放电针A将50100千伏高压电荷释放在传送带B上，刮电器从高速传送带上吸下电荷并传递给金属球S，由于电荷只分布在外表面，所以金属球内表面电势总是低于传送带上的电势，从而使金属球上

7、的电荷不断增加，电势不断增高，若将带电离子引入加速管中加速，至管下端可得到几兆电子伏能量，从而轰击置于管下端的靶物质。,（2）直线加速器 如图9.3.2所示，直线加速器是在高真空管内谐振腔中间沿轴线排列一系列的金属驱送管，几百兆赫的高频电磁场从外面输入之后，电场在整个腔内作振荡，当带电粒子经过每个驱送管间的缺口时，变化的电场使带电粒子不断加速，而在其它地方，由于金属管的屏蔽作用，没有电场，带电粒子只是漂移而过，所以金属驱送管也叫漂移管，漂移管式加速器可以加速很重的离子。,（3）回旋加速器 回旋加速器是利用电场加速和磁场回转的原理制成的，如图7.3.3所示。A、C是封在高真空中的两个半圆形盒电极

8、，与交流电相连，因此在两极之间可以形成一定频率的交变电场。电极上下有一对恒定的N、S强磁极，产生自上而下的强磁场。这样若从中央引入一带电粒子，则粒子受洛仑兹力作用，将在盒中作圆周运动。当粒子转到两电极之间时，适时调整电极方向，则不断地会受到电场力的作用而加速。由于运动电荷在磁场中的转动周期与速度无关，是一定值，所以只要使电流的交变周期与圆周运动的周期相等，适时地在旋转一周中加速两次，就能不断地增加能量以至高达几十兆电子伏。,（4）电子感应加速器 电子感应加速器是利用涡旋电场力对电子加速的，如图9.3.4所示。电子感应加速器主要由强大的电磁铁和极间的真空室组成。 在频率为数十周的强电流激励下，环

9、形真空室中便形成了交变的磁场，由麦克斯韦电磁理论可知，这个交变的磁场又在环形真空室中会产生很强的涡旋电场。由电子枪注入真空室的运动的电子，一方面在洛仑兹力作用下作圆周运动，另一方面又在涡旋电场作用下沿切线方向加速运动，以致在几十分之一秒的时间内旋转几十万圈，加速能量达到数兆电子伏。,(5)高能加速器 自20世纪30年代出现的第一台粒子加速器起，加速器的能量大致每10年就增加一个数量级，到60年代，加速器的能量就超过了3000兆电子伏，进入到了高能区。现在的高能环形加速器，直径达2公里之大，直线型加速器长度达2公里多长，加速的质子能量达500GeV，此外还有产生高能不带电的中子发生器和直接应用于

10、工业、农业、医疗方面的无损探伤电子静电加速器、材料工业的电子感应加速器、种子处理的电子辐射加速器、辐照肿瘤的中子发生器和介子加速器等等。,为了更进一步地提高加速器的能量和亮度，20世纪70年代，研制出能量更大的对撞机，其中有正负电子对撞机、质子反质子对撞机、质子质子对撞机和电子质子对撞机等。其质子反质子对撞机TEVATRON把能量推进到2900GeV。今后加速器将朝着强子对撞机、正负电子线型对撞机和粒子工厂方向发展。美国CERN理事会已着手投资26亿瑞士法郎建造人类最大的基础工程LHC，预计2008年全部完成，到时可将质子加速到26TeV(1012eV)，亮度达1034cm-2s-1，物理学家

11、将可研究他们梦寐以求的黑格斯粒子。美国、日本、德国、俄罗斯及欧盟将建6台正负电子线型对撞机。随着科技的发展，科学家们还提出了许多新的构想，如光子对撞机、激光加速器、相干加速器、双束加速器、晶体加速器等等，这些新构想很可能会开创粒子加速器的新时代。,我国加速器的发展，自北京、合肥、兰洲、四川几台低能加速器建成使用后，于80年未90年代初进入了一个高速发展的阶段，北京正负电子对撞机、兰洲重离子加速器和合肥同步辐射加速器等三台加速器相继建成使用。 北京正负电子对撞机成为世界在/c能区占领先地位的高能加速器，作为兰州重离子装置延伸的冷却储存环计划将在重离子方面覆盖到高能低端900MeV/核子），北京同

12、步辐射装置第一代光源，能量为2.2GeV，流强为100mA，合肥的同步辐射光源，安装上超导扭摆磁铁后将向X射线能区扩展，1993年台湾建成的同步辐射装置SSRC，能量为1.3GeV，流强为300mA，属于第三代光源。以高性能、中规模、宽波段为目标的上海同步辐射光源，到时将使我国在同步辐射研究方面进入世界先进行列。,六.探索物质结构的眼睛-探测器,观测由加速器和对撞机产生的新粒子可不像我们用显微镜观测微生物那样直观和简单，需要专门的探测仪器和设备，根据带电粒子穿过物质时留下的电离径迹或辐射效应而进行放大、计算、分析，才能得出粒子的速度、能量、动量等信息。,早期的探测器都比较简单，主要有静电计、质

13、谱仪、盖革计数器和威尔逊公室等。,静电计是利用静电感应做成的仪器，用它曾观察到X粒子散射等。,质谱仪是利用带电离子在磁场中受到洛仑兹力的原理制成的，利用质谱仪曾分离出了氯、汞、氮及几种稀有气体的同位素，测定了镁、钾、钙、锌等同位素的丰度。,盖革计数器是利用放射性的游离雪崩效应制成的，当带电粒子穿过时，计数器内气体电离，电离的气体离子分头跑向外接电场的正、负极，从而表示出进入的带电粒子的数目。,威尔逊云室是利用快速带电粒子穿过过饱和水汽或酒精气体时，使气体分子发生电离而凝成一长串液滴云雾的原理制成的。1911年威尔逊利用云室找到了、和电子的径迹。1925年布拉格利用改进后的云室拍摄到了原子核人工

14、转变的证据。1923年康普顿利用云室方法找到了X射线散射反冲电子的径迹，从而令人佩服地证实了X射线的波粒二象性。我国科技工作者1972年在云南省3200米高山上利用大型磁云室，从宇宙射线中获得了一个重质量的带电新粒子。,随着高能粒子能量增大，探测器越来越复杂，每一台仪器都是由多种探测器组合而成的，所以具有全面、多方位测量各类数据的功能。由于对物质结构探索的不断深入，探测器要求的分辨率也越来越高，自从计算机诞生以后，各类探测器更进一步向自动化、智能化的方向发展，现在大型的探测器，从探测、放大、分析，到显示、处理等全部过程都由计算机自动完成。,现代探测器的原理和早期探测器基本相同，如果按照具体的目

15、的来分，主要有： (1)逼近探测顶角探测器 由于在碰撞点处产生的粒子中，一部分粒子在飞行了大约四千分之一厘米后就衰变了，而这种衰变又提供了关于粒子性质的极有用的信息，因此只有将具有高空间分辨率的带电粒子探测器置于这个碰撞点的附近才可以探测到这些难得的信息，这就是顶角探测器。,(2)径迹探测 在一个典型的对撞机探测器里，顶角探测器外层就是带电粒子径迹室，用以测量单个粒子路径的方向、曲率以及时间和电离程度。 (3)粒子认证 在径迹室之后，常用一层探测器来认证粒子的种类，其方法很多，如契仑柯夫辐射、穿越辐射、自发辐射等。 (4)量热探测 由于上述各探测器对中性的粒子以及事例中的总能量不能探测，所以在

16、对撞机探测系统的最后一层常安装一量热器，用以探测总能量和中性粒子。,我国安装在北京的正负电子对撞机上的“北京谱仪(BES)就是我国自行设计制造的大型粒子探测器，它是国际上在该能区工作的最先进的探测器之一，受到了国际上的普遍关注。1992年，用它完成了对轻子质量的精确测量，将过去的的测量精度一下子提高了10倍，为解决轻子的寿命、分枝比与标准模型框架之一的轻子普遍性理论的矛盾问题起了关键作用，被世界专家们认为是近几年来高能物理最重要的实验之一。“北京谱仪”还在J/和粲物理研究方面取得了令人瞩目的结果，使我国在轻子和粲夸克领域的研究跨入了世界先进行列，占有一席之地。,七. 原子核模型,正如原子模型的

17、建立是原子物理学的一个重要组成部分一样，原子核模型的建立也成为核物理学的一个重要组成部分。但是原子核模型的研究比起原子模型的建立要漫长得多，几十年来，虽然先后有好几种核模型被提出来，但每一种模型还只能反映和解释不同侧面和一定范围的现象、性质和实验事实。例如：,(1)气体模型 这是1932年由费米提出来的，费米把核子视为像气体分子一样，相互间几乎没有作用，原子核就是由这些“分子”组成的一个大球。费米气体模型可成功地证明质子与中子相等时原子核最稳定的性质，但对于大多核现象却无法解释。,(2)液滴模型 这是1935年由N.玻尔和弗伦克尔提出来的，他们将核子视为像液体分子一样，紧密地结合为原子核。这样就可以解释核力是短程饱和力、核大小正比于核子数以及核反应等现象和性质，但对核自旋、核幻数等无法解释。,(3)壳层模型 这是1949年由迈耶夫人和简森各自独立提出来的，他们认为原子核中的核子像原子中的电子一样是分层填充的。这就很容易地解释了原子核随核子数的增加而呈现出的周期性稳定问题(幻数时稳定)，同时还能很好地解释大多数核基态的自旋和宇称等。但是壳层模型对电四极矩和核能级间跃迁几率的计算与实验值相差甚大。,(4)集体模型 这是1953年由A.玻尔和莫特尔逊