物理講座11核物理學(xué)

1、原子核再分割——放射現(xiàn)象,1896年，法國物理化學(xué)家貝克勒爾在鈾礦石中發(fā)現(xiàn)了放射現(xiàn)象，此后，居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了其他放射性元素：釷、釙、鐳。,放射性不是少數(shù)幾種元素才有的，研究發(fā)現(xiàn)，原子序數(shù)大于82的所有元素，都能自發(fā)的放出射線，原子序數(shù)小于83的元素，有的也具有放射性．,天然放射現(xiàn)象,鈾礦石,鋇鈾云母,斜水鉬鈾礦,天然放射現(xiàn)象——放射性元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象,氦原子核,高速電子流,高能量電磁波,1/10光速,接近光速,光速,弱,較

2、強(qiáng),很強(qiáng),很容易,較弱,更小,質(zhì)子的發(fā)現(xiàn),原子量始終是氫原子量的整數(shù)倍。,1919年，盧瑟福用?粒子作為高速“炮彈”來轟擊氮原子核，首先實(shí)現(xiàn)了原子核的人工破裂。,用?粒子轟擊氮原子核，能釋放氫核，用硼、氟、鈉、鋁、磷等做實(shí)驗(yàn)，也能打出氫核。,氫核是原子核的組成部分。氫核定義為“質(zhì)子”。,盧瑟福得出結(jié)論：,原子核是否只是由質(zhì)子組成呢？,1920年盧瑟福進(jìn)而猜想原子核內(nèi)存在不帶電的中子，這一猜想被他的學(xué)生查德威克用實(shí)驗(yàn)證實(shí)，并得到公認(rèn)。,中

3、子猜想,≠,中子的發(fā)現(xiàn),1930年，德國物理學(xué)家玻特和貝克發(fā)現(xiàn)利用?粒子轟擊鈹元素時(shí)，產(chǎn)生了一種穿透力極強(qiáng)而且不受電場(chǎng)或磁場(chǎng)影響的射線。1932年，伊蓮娜和弗里德里克· 約里奧發(fā)現(xiàn)，這些新射線能將運(yùn)動(dòng)速度極快的氫核從煤油中釋放出來，斷言這種射線是?射線。 1932年，查德威克從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量與質(zhì)子相近的中性粒子，并命名為“中子”。,,伊倫.約里奧－居里,約里奧－居里,查德威克(1891～1974) 英國物理學(xué)家 1932

4、年發(fā)現(xiàn)中子，于1935年獲諾貝爾獎(jiǎng)。,原子核結(jié)構(gòu),1932年，前蘇聯(lián)伊凡年科與海森伯提出原子核由質(zhì)子和中子組成的理論。,質(zhì)子(p)和中子(n)統(tǒng)稱為核子(N)。,質(zhì)子質(zhì)量,中子質(zhì)量,質(zhì)子質(zhì)量微小于中子質(zhì)量,元素符號(hào)表示,例,同位素:質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的元素。如氫的同位素：,氘和氚是氫的同位素，關(guān)于氫、氘、氚的原子，下列說法哪個(gè)正確（ ）A、具有相同的質(zhì)子數(shù)、相同的中子數(shù)、相同的電子數(shù)；B、具有不同的質(zhì)子

5、數(shù)、相同的中子數(shù)、相同的電子數(shù)；C、具有相同的質(zhì)子數(shù)、不同的中子數(shù)、相同的電子數(shù)；D、具有相同的質(zhì)子數(shù)、相同的中子數(shù)、不同的電子數(shù)．,例,C,√,衰變遵循的規(guī)律：質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。,原子核的衰變（decay）——重的原子核由于放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓?原子核的衰變,?衰變:原子核放出?粒子的衰變叫做?衰變．,β衰變:原子核放出β粒子的衰變叫做β衰變．,兩種衰變,,γ射線伴隨?或?衰變產(chǎn)生.,例,?衰變,β衰變,β

6、衰變,?衰變,判斷衰變類型,經(jīng)過一系列?衰變和?衰變后，可以變成穩(wěn)定的元素鉛206 ，問這一過程?衰變和?衰變次數(shù)？,解：設(shè)經(jīng)過x次?衰變，y次?衰變,238＝206＋4x,92 = 82 + 2x - y,,x＝8y＝6,例,BC,圖中P為放在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的天然放射源，其放出的射線 在電 場(chǎng)的作用下分成a、b、c三束，以下判斷正確的是（ ）A．a(chǎn)為α射線、b為β射線B．a(chǎn)為β射線、b為γ射線C．b為γ

7、射線、C為α射線D．b為α射線、C為γ射線,例,√,√,半衰期,放射性元素的剩余質(zhì)量與原有質(zhì)量的關(guān)系：,半衰期——放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間。,數(shù)量關(guān)系：,單個(gè)的微觀事件不可預(yù)測(cè)，即我們只知道它發(fā)生的概率，不知道它具體何時(shí)發(fā)生。,衰變知識(shí)應(yīng)用,,如：人們利用地殼巖石中存在的微量的放射性元素的衰變規(guī)律，測(cè)定地球的年齡為46億年。地殼有一部漫長(zhǎng)的演變歷史，一部不斷變化、不斷發(fā)展的歷史。,半衰期的長(zhǎng)短由核內(nèi)部自身的因素決定，

8、跟所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件都沒有關(guān)系。利用這一知識(shí)可以用來測(cè)量各種年齡。,碳14測(cè)年技術(shù)大氣中14C是一些原子在太陽射來的高能粒子流作用下產(chǎn)生的，能夠自發(fā)的進(jìn)行β 衰變（半衰期5730年），變成氮。它在大氣中產(chǎn)生和衰變存在動(dòng)態(tài)平衡，含量相當(dāng)穩(wěn)定。活的植物因新陳代謝含量與空氣中一樣，死后沒有與空氣交換只有衰變因此可以根據(jù)相對(duì)含量，算出死亡時(shí)間。,1、原理：射線中的粒子與其他物質(zhì)作用時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象，顯示射線的存在。,2、現(xiàn)象舉例：,粒子使氣

9、體或液體電離，以這些離子為核心，過飽和的蒸汽會(huì)產(chǎn)生霧滴，過熱液體會(huì)產(chǎn)生氣泡；使照相乳膠感光；使熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光。,探測(cè)射線方法的原理,射線使氣體分子電離，過飽和蒸汽以離子為中心凝結(jié)成霧滴，顯示運(yùn)動(dòng)軌跡。,威爾遜云室,,,,,γ粒子的電離本領(lǐng)很小，一般看不到它的徑跡,?射線：直而粗。原因：①?粒子質(zhì)量大，不易改變方向②電離本領(lǐng)大，沿途產(chǎn)生的離子多,?射線：比較細(xì)，而且常常彎曲。原因：①?粒子質(zhì)量小，跟氣體 碰撞易改變方向。 ②

10、電離本領(lǐng)小，沿途產(chǎn)生的離子少。,工作原理：射線使液體分子電離，過熱液體以離子為核心形成胚胎氣泡，顯示運(yùn)動(dòng)軌跡。,氣泡室,優(yōu)點(diǎn)：直觀﹑作用頂點(diǎn)可見﹑有很好的多重效率﹑有效空間大和測(cè)量精度高等等。,缺點(diǎn)：收集和分析數(shù)據(jù)較慢，掃描﹑測(cè)量照片太費(fèi)時(shí)間﹐體積不容易做得很大。,,,窗口,,陰極：導(dǎo)電圓筒,,陽極：金屬絲,接放大器,粒子,蓋革-米勒計(jì)數(shù)器,射線使氣體分子電離，產(chǎn)生脈沖放電，放電次數(shù)就是進(jìn)入計(jì)數(shù)管內(nèi)粒子的個(gè)數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：非常靈敏。缺點(diǎn)：不

11、能區(qū)分射線的種類，不適合于極快速的計(jì)數(shù)，不適合于檢測(cè)α粒子。,核反應(yīng)——原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新的原子核的過程。,有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。,放射性同位素跟同種元素的非放射性同位素具有相同的化學(xué)性質(zhì)。放射性同位素衰變可生成另一種新元素。放射性同位素與放射性元素一樣，都有一定的半衰期，衰變規(guī)律一樣。,天然放射性同位素不過四十多種，現(xiàn)在可以用人工的方法得到放射性同位素1000多種。,核反應(yīng)和放射性同位素,放射性同位素

12、在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、和科學(xué)研究等許多方面得到了廣泛的應(yīng)用．其應(yīng)用是沿著利用它的射線和作為示蹤原子兩個(gè)方向展開的．,,放射性的應(yīng)用,射線應(yīng)用,示蹤原子,,,,,探傷儀,培育新種,保存食物,消除有害靜電,消滅害蟲,治療惡性腫瘤,,,,,農(nóng)作物檢測(cè),診斷器質(zhì)性和功能性疾病,生物大分子結(jié)構(gòu)及功能研究,放射性同位素的應(yīng)用,核力——核子之間的相互作用力,核力的奇怪特點(diǎn)：,核力（強(qiáng)力）,,1. 核力是四種相互作用中的強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）的一種表現(xiàn)。

13、 2. 核力是短程力。約在 10-15m量級(jí)時(shí)起作用，距離大于0.8×10-15m時(shí)為引力, 距離為10×10-15m時(shí)核力幾乎消失，距離小于0.8×10-15m時(shí)為斥力。 3. 核力具有飽和性。核子只對(duì)相鄰的少數(shù)核子產(chǎn)生較強(qiáng)的引力，而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用。 4. 核力具有電荷無關(guān)性。,除核力外原子核內(nèi)還存在 弱相互作用（弱力）弱相互作用也是短程力，力程比強(qiáng)力更短，

14、為10－18m，作用強(qiáng)度則比電磁力小。弱力是引起中子－質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。,弱力,自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對(duì)于較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多。,原子核中質(zhì)子與中子的比例,當(dāng)核越來越大，有些核子間的距離越來越遠(yuǎn)。核力減小很快。所以，原子核大到一定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個(gè)原子核就不穩(wěn)定了。這時(shí)，如果增加中子，中子與其他核子沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，有

15、助于維系原子核的穩(wěn)定。所以重原子核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。,,入射的光子的能量至少是2.22MeV,,以γ光子的形式向外輻射2.22MeV出去,當(dāng)核子結(jié)合成原子核時(shí)要放出一定能量；原子核分解成核子時(shí)，要吸收同樣的能量。這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能，也叫核能。,結(jié)合能,2、中等大小的核的比結(jié)合能最大，表明中等質(zhì)量的核最穩(wěn)定。,1、比結(jié)合能越大，取出一個(gè)核子就越困難，核就越穩(wěn)定。比結(jié)合能是原子核穩(wěn)定程度的量度,3、質(zhì)量較大的重核和質(zhì)量較小的輕

16、核的比結(jié)合能都較小。,比結(jié)合能:,結(jié)合能△E與核子數(shù)A之比,也叫平均結(jié)合能,特點(diǎn)：,比結(jié)合能,質(zhì)量虧損——把組成原子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差。,核子在結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以要放出能量，大小為：,質(zhì)量與能量,愛因斯坦的質(zhì)能方程,Δｍ=[Zmp+(A-Z)mn]-m,其中Z為質(zhì)子數(shù)，A為質(zhì)量數(shù)即核子數(shù)。,核聚變,核裂變,核聚變,核裂變,核聚變和核裂變,核聚變——兩個(gè)輕核結(jié)合成較重的單個(gè)原子核,核裂變——1個(gè)重核分裂為兩個(gè)（

17、或多個(gè)）中等質(zhì)量的核,證明：1u質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量為931.5MeV,碳原子質(zhì)量的1/12稱為 原子質(zhì)量單位 ，用u表示,例,解：根據(jù)質(zhì)能關(guān)系E=mc2=1.6605×10-27×（3.0×108 ） =1.49445×10-10（J） =1.46445×10-10/1.602×10-19 =0.9315×109 =931.5MeV,1uc2=9

18、31MeV,中子的質(zhì)量 =1.6749×10－27Kg 質(zhì)子的質(zhì)量 = 1.6726×10－27Kg 中子和質(zhì)子的質(zhì)量和 = 3.3475×10－27Kg 氘核的質(zhì)量 = 3.3436×10－27Kg 質(zhì)量差 = 0.0039×10－27Kg 放出的核能ΔE=ΔmC2=Δm/μ931MeV = (0.0039/1.6605) ×931=2.1866MeV,例,

19、求放出的能量。,解：,中子與質(zhì)子結(jié)合生成氘放出2.19MeV的能量，這能量的絕對(duì)數(shù)量并不算大，但這只是組成1個(gè)氘核所放出的能量．如果組成的是6.02×1023個(gè)（1摩爾）氘核時(shí)，放出的能量就十分可觀了。與之相對(duì)照的是，使1摩的碳完全燃燒放出的能量為393.5×103J。折合為每個(gè)碳原子在完全燃燒時(shí)放出的能量只不過4eV。兩者相差數(shù)十萬倍。可見核能比化學(xué)能強(qiáng)得多。如： 1克鈾相當(dāng)于2500噸優(yōu)質(zhì)煤。,核反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)能

20、量比較,鈾核裂變,1939年12月，德國物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)，用中子轟擊鈾核時(shí)，核發(fā)生了裂變。,哈恩,,鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，有時(shí)裂變?yōu)殡╔e)和鍶(Sr),有時(shí)裂變?yōu)殇^（Ba）和氪（Kr）或者銻（Sb）和 鈮（Nb），同時(shí)放出2～3個(gè)中子。鈾核還可能分裂成三部分或四部分，不過這種情形比較少見。討論其中一個(gè)裂變： 92235u+01n→3890sr+54136xe+1001n,計(jì)算可知：反應(yīng)過程

21、中質(zhì)量減少了△m=0.1510u.放出核能△E= △mc2=141MeV,鈾核裂變時(shí)，同時(shí)釋放出2～3個(gè)中子，如果這些中子再引起其他U235核裂變，就可使裂變反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去，這種反應(yīng)叫做鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。,鏈?zhǔn)椒磻?yīng),使裂變物資能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫做它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量。,原子彈原理,,核燃料存在一個(gè)臨界體積。當(dāng)體積大于此臨界體積時(shí)，核反應(yīng)將得到放大，否則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)將終止。臨界體積對(duì)應(yīng)的質(zhì)量稱為臨界質(zhì)量。例如鈾的臨界質(zhì)量

22、為30磅，钚的臨界質(zhì)量為5磅 。原子彈用控制臨界體積的方法引發(fā)核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。,,槍式,內(nèi)爆式,1942年，在奧本海默領(lǐng)導(dǎo)下出色完成美國 “曼哈頓” 計(jì)劃，造出世界上第一顆原子彈。,核電站,核電站和原子彈是核裂變能的兩大應(yīng)用，兩者機(jī)制上的差異主要在于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度是否受到控制。 核反應(yīng)堆按中子能量可分為：熱中子堆和快中子堆。 熱中子堆：中子能量在0.1eV左右。中子能量在2ｅV左右?？熘凶樱梢允?2至16個(gè)鈾

23、238變成钚239。生產(chǎn)核燃料生產(chǎn)的比消耗的還要多，幾乎可以百分之百地利用鈾資源，所以各國都在積極開發(fā)，現(xiàn)在全世界已有幾十座中小型快堆在運(yùn)行。,慢中子反應(yīng)堆,核聚變,聚變是核裂變平均每個(gè)核子放出能量的四倍。海水中氫與氘的原子數(shù)之比約為1:0.000151升海水中的氘核聚變放出的能量相當(dāng)于燃燒300升汽油所放出的能量。地球上所有海水中的氘可供人類使用數(shù)百億年。,核聚變常用氘氚（d+T）或氘氘（d+ d反應(yīng)）,d+T：,d+d：,發(fā)生聚

24、變的條件:要使原子核間的距離達(dá)到10-15m,實(shí)現(xiàn)方法:產(chǎn)生高溫108～109 K。,氫彈,普通炸藥,Ｕ235,氘、氚,爆炸,,,裂變,,,,聚變,氫彈是利用原子彈實(shí)現(xiàn)高溫的。,恐怖地氫彈爆炸,1967年6月17日，中國第一顆氫彈爆炸成功,太陽是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆。還能維持90億~100億年,人類的希望——受控?zé)岷朔磻?yīng),受控核聚變必須具備以下3個(gè)條件：(1)足夠高的點(diǎn)火溫度，需要幾千萬攝氏度甚至幾億攝氏度的高溫；(2)反應(yīng)裝置中的

25、氣體密度要很低，相當(dāng)于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一；(3)充分約束，能量的約束時(shí)間要超過1秒鐘。 等離子體的溫度、密度和熱能約束時(shí)間三者乘積稱為“聚變?nèi)胤e”，當(dāng)它達(dá)到1022時(shí)，聚變反應(yīng)輸出的功率等于為驅(qū)動(dòng)聚變反應(yīng)而輸入的功率，必須超過這一基本值，聚變反應(yīng)才能自持進(jìn)行。,,磁場(chǎng)約束,聚變所需燃料的約束,慣性約束,1987年春，IAEA（國際原子能機(jī)構(gòu)）總干事邀請(qǐng)歐共體、日本、美國和加拿大、前蘇聯(lián)的代表在維也納開會(huì)，決定四方

26、合作設(shè)計(jì)建造國際熱核實(shí)驗(yàn)堆（I TER）。這是一個(gè)基于托卡馬克方案的項(xiàng)目。,中子n、質(zhì)子p、氘核D的質(zhì)量分別為 現(xiàn)用光子能量為E的γ射線照射靜止氘核使之分解，反應(yīng)的方程為 若分解后中子、質(zhì)子的動(dòng)能可視為相等，則中子的動(dòng)能是 （ ）,C,例,√,能量最小,基本粒子,基本粒子指人們認(rèn)知的構(gòu)成物質(zhì)的最小最基本的單位。 質(zhì)子和

27、中子有沒有結(jié)構(gòu)？微觀世界除了質(zhì)子中子還有哪些東西？有沒有沒有結(jié)構(gòu)的基本粒子？,新粒子的發(fā)現(xiàn),1932 — 1950 發(fā)現(xiàn)一大批新粒子如: ? 子、?介子、奇異粒子、超子等，數(shù)目的增加在某種程度上類似于19世紀(jì)化學(xué)元素的增加。新的感性認(rèn)知的基礎(chǔ)上，需要新的歸納總結(jié)。,1964年由美國蓋爾曼提出強(qiáng)子由更小的組元 — 夸克組成,1995年 預(yù)言的六種夸克都被證實(shí),粒子的物理性質(zhì),（3）壽命。 粒子的壽命不同，有長(zhǎng)壽粒子，如：電子

28、、質(zhì)子、中子，質(zhì)子壽命最長(zhǎng)，大于1033年。但絕大多數(shù)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于十萬分之一秒。,（1）質(zhì)量。 例如：電子的靜止質(zhì)量為 m=9.11×10-31Kg 質(zhì)子的靜止質(zhì)量為 m=1.67×10-27Kg,（4）自旋。一種內(nèi)在性質(zhì)，帶有量子化的角動(dòng)量。（5）粒子具有對(duì)稱性。有一個(gè)粒子，必有一個(gè)反粒子。,費(fèi)米子----自旋為h/2π的半整數(shù)倍。玻色子----自旋為h/2π的整數(shù)倍。,192

29、8年，狄拉克從理論上預(yù)言反粒子的存在1932年，發(fā)現(xiàn)正電子；1995年發(fā)現(xiàn)反原子。,（2）電荷。 有正負(fù)和不帶電三種可能?；倦娏縠=1.6×10-19C，夸克可以帶e/3.,此外還有重子數(shù)、輕子數(shù)、奇異數(shù)、同位旋等性質(zhì),（1）強(qiáng)子類----是指能直接參與強(qiáng)相互作用的粒子。 由夸克組成，如：核子（質(zhì)子、中子）、超子、π介子、k介子、r粒子等?？淇斯?代、6味、每味3色，共 3 6 種。（2）輕子類----是指不直

30、接參與強(qiáng)相互作用，只參與弱相互作用、電磁作用和引力作用的粒子。 共有六種：電子、電中微子；u子、u中微子；τ子、τ中微子。 及這六種輕子的反粒子（3）傳播子----是傳播粒子間相互作用的能夠獨(dú)立存在的粒子。 有四種： 膠子、中間玻色子、光子、引力子。,,強(qiáng)力,,弱力,,電磁力,,引力,基本粒子分類,標(biāo)準(zhǔn)模型,規(guī)范粒子,中微子系中性粒子，質(zhì)量為零，只參與弱相互作用。,輕子（共12種

31、）,夸克,夸克:組成參與強(qiáng)相互作用的強(qiáng)子。3代、6味、每味3色，共36種。,1,0,-1,+1,1/2,1/2,0,0,p,n,p?,p+,u夸克：J =1/2，Q = 2e/3； d 夸克：J =1/2，Q= ?e/3,幾種粒子的夸克組成,,物理理論的統(tǒng)一,超 弦,大爆炸理論,宇宙從一個(gè)“奇點(diǎn)”爆炸產(chǎn)生,1950年前后，伽莫夫第一個(gè)建立了熱大爆炸的觀念。 天文觀察的依據(jù)是根據(jù)1929年埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)的紅移定律,關(guān)于原子的