第十一章原子核

1、LOGOLOGO 11.1 历史概述 11.2 放射性的发现和研究 11.3 人工核反应的初次实现 11.4 探测仪器的改善促进了核物理学的发展 11.5 宇宙线和正电子的发现 11.6 中子的发现 11.7 加速器的发明与建造 11.8 人工放射性的发现 11.9 重核裂变的发现 11.10 链式反应 11.11 原子核模型理论 11.12 衰变的研究和中微子的发现 11.13 介子理论和子的发现 11.14 强子结构和夸克理论 11.15 奇异粒子的研究LOGO11.1 历史概述 原子核物理学起源于放射性的研究，是19 世纪末兴起的崭新课题。在这以前，人类对这个领域毫无所知。从事这项研究的

2、物理学家，他们既没有史料可查，更没有理论可循，全靠自己用新创制的简陋仪器进行各种实验和观察，从中收集数据，总结经验，寻找规律，探索前进的方向，在原有的基础上不断开拓新的领域。原子核物理学的历史至今还不到一百年，但是发展很快。如果以1932 年中子等发现作为核物理学真正诞生的标志，则从1896 年发现放射性到1932 年之前，可以说是核物理学的前期。这30 多年中间，新发现层出不穷，大大丰富了微观世界的知识宝库，但是基本上还处于经验阶段；1933 年以后，原子核理论才逐渐形成，各种核模型提了出来，大量实验为“基本”粒子的性质提供依据。及至四、五十年代，核能的开发和利用，大大地促进了核物理学的进展

3、，高能粒子的研究发展成粒子物理学。LOGO11.2 放射性的发现和研究 11.2.1 放射性的发现 1895 年底，伦琴将他的第一篇描述X 射线的论文，初步通信：一种新射线和一些用X 射线拍摄的照片分别寄送给各国知名学者。 这件事大大激励了在场的物理学家亨利贝克勒尔，这种射线是怎样产生的？LOGO11.2 放射性的发现和研究 他在1896 年2 月24 日向法国科学院报告说：“我用两张厚黑纸 包了一张感光底片，纸非常厚，即使放在太阳光下晒一整天也不致使底片变色，我在黑纸上面放一层磷光物质，然后一起拿到太阳光下晒几小时。显影之后，我在底片上看到了磷光物质的黑影。 在磷光物质和黑纸之间夹一层玻璃，

4、也作出了同样的实验。这样就排除了由于太阳光线的热从磷光物质发出某种蒸气而产生化学作用的可能性。所以从这些实验可作如下结论：所研究的磷光物质会发射一种辐射，能贯穿对光不透明的纸而使银盐还原。”LOGO11.2 放射性的发现和研究 贝克勒尔所指的磷光物质就是铀盐。当时人们以为，荧光和磷光没有什么本质上的不同，只是发光时间的长短有区别而已。这里，贝克勒尔误以为X 射线的产生是由于太阳光照射铀盐的结果。 一个星期以后，当法国科学院于3 月2 日再次例会时，贝克勒尔已经找到了正确的答案。这也许是偶然的机遇，但偶然中有必然。他本想在会前再做一些实验，可是2 月26、27 日连续阴天，他只好把所有器材放在抽

5、屉里，铀盐也搁在包好的底片上，等待好天气。在对科学院的第二次报告中，贝克勒尔写道：LOGO11.2 放射性的发现和研究 “由于好几天没有出太阳，我在3 月1 日把底片冲了出来，原想也许会得到非常微弱的影子。相反，底片的廓影十分强烈。我立即想到，这一作用很可能在黑暗中也能进行。” 贝克勒尔意识到，这一发现非常重要，说明原来以为荧光（和磷光）与X 射线属于同一机理的设想不符合实际。他立即放弃了这种想法，转而试验各种因素，例如铀盐的状态（是晶体还是溶液）、温度、放电等等对这种辐射的影响，证明确与磷光效应无关。他发现，纯金属铀的辐射比铀化合物强好多倍。他还发现，铀盐的这种辐射不仅能使底片感光，还能使气

6、体电离变成导体。这个现象为别人继续研究放射性提供了一种新的方法。LOGO11.2 放射性的发现和研究 贝克勒尔搞清楚了铀盐辐射的性质后，在同年5 月18 日科学院的例会上再次报告，宣布这种贯穿辐射是自发现象，只要有铀这种元素存在，就会产生贯穿辐射。以后，这种辐射被人们叫做贝克勒尔射线，以区别于当时人们普遍称呼为X 射线的伦琴射线。 贝克勒尔发现放射性虽然没有伦琴发现X 射线那样轰动一时，意义却更为深远，因为这是人类第一次接触到核现象，为后来的发展开避了道路。LOGO11.2 放射性的发现和研究 11.2.2 钋和镭的发现 1898 年4 月居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强度与化合物中

7、铀的含量成正比的结论，但她不满足于局限在铀盐，决定对已知的各种元素进行普查。 1898 年7月，分离出铋的成分带强烈的放射性，比同样质量的铀强400 倍。“我们相信，从沥青铀矿提取的物质含有一种迄今未知的金属，在分析特性时跟铋有联系。如果这种新金属的存在得到证实，我们建议称之为钋(Polonium)，这个名称是根据我们之一的祖国命名的。” 1902 年，居里夫妇宣布，他们测得镭的原子量为225，找到了两根非常明亮的特征光谱线，这时，镭的存在才得到公认。LOGO 图912 约里奥-居里夫妇在做实验LOGO11.2 放射性的发现和研究 11.2.3 、与射线的发现 1898 年初，由于同年9 月卢

8、瑟福到加拿大蒙特利尔(Montreal)市的麦克吉尔(McGill)大学担任教授职务，此文乃迟于年底才从麦克吉尔大学寄出，发表于 1899 年哲学杂志上。所以，两种贯穿能力不同的辐射、射线的存在是在1899 年才为公众知道。 射线是1900 年由法国物理学家维拉德(PaulVillard，18601934)发现的。LOGO 图91 卢瑟福测量铀盐辐射的实验装置LOGO 图92 卢瑟福在演讲LOGO11.2 放射性的发现和研究 11.2.4 卢瑟福确定射线的本质 卢瑟福对放射性辐射的分类很快就得到了同行的公认，并运用于放射性的研究中。后来陆续有新的认识，但是射线的本质却难以判断。LOGO11.2

9、 放射性的发现和研究 11.2.5 放射性衰变规律的发现 1899 年，卢瑟福来到加拿大麦克吉尔大学后，电机系的一位教授欧文斯(R.B.Owens，18701940)曾一度和他合作，共同研究钍的放射性，他们选取氧化钍作为试验对象，和卢瑟福一年前一样，用的是测量游离电流的方法。LOGO11.2 放射性的发现和研究 1902 年9 月1903 年5 月间，卢瑟福和索迪连续发表了6 篇论文，主要的论点是： (1) 在放射性元素镭、钍和铀中连续产生新物质，这些新的物质自身也是放射性； (2) 当几个变化一起发生时，它们不是同时的，而是相继的，即钍产生钍X，钍X 产生钍射气等等；LOGO11.2 放射性

10、的发现和研究 (3) 放射性现象包含下列过程：一部分原子自发衰变为不同性质的原子，这类变化性质上与以前在化学中涉及的任何变化都不同，因为能量来自与化学反应无关的原子内部。 (4) 单位时间衰变的原子数与在场的尚未衰变的原子数Nt 有确定的比例。比值是放射性物质的特征常数。 (5) 发出的射线是原子变为下一代原子的伴生物，实际也是变化的结果。LOGO 图9-3 卢瑟福的光谱实验LOGO图94 放射性的衰变曲线LOGO11.3 人工核反应的初次实现 用人为的方法实现原子的转变也要首先归功于卢瑟福。1914 年，卢瑟福的学生马斯登在用闪烁镜观测射线在空气中的射程时，注意到出现了一些射程特别长的粒子。

11、这是反常的现象，因为当时已经掌握，粒子在空气中的射程大约为7 厘米，而他得到的却长达40 厘米。马斯登反复检验，证明实验没有错误。他解释是由于空气中的氢离子（即质子）受到粒子撞击所致，氢比氦轻4 倍，所以碰撞后氢的速度要比原来粒子的速度大得多。不久，马斯登因工作调动离开曼彻斯特，就没有继续这项工作。LOGO11.3 人工核反应的初次实现 1919 年，卢瑟福继J.J.汤姆生任剑桥大学卡文迪什实验室物理教授，在那里，他进一步确证氮原子经粒子轰击发生了如下转变： 后来，卡文迪什实验室的布拉开(P.M.S.Blackett)用威尔逊云室记录粒子的径迹，找到了氮气在粒子轰击下产生氢核的证据。不过几率非

12、常小，在两万多张照片中，只有八条径迹出现氢核径迹的分叉。 1921 年卢瑟福和查德威克(JamesChadwick)发现硼、氟、钠、铝和磷都可以产生类似的转变。LOGO图9-5 卢瑟福用粒子轰击轻元素的实验装置（左:原理图；右: 实物照片） LOGO 图9-11 查德威克的实验装置LOGO11.4 探测仪器的改善促进了核物理学的发展 盖革计数器：1913 年，盖革继续改进计数管，仍然根据碰撞游离的原理，不过用一根金属杆代替了金属丝，再接于弦线静电计，杆的顶端很细，正对电离管的入口，这样就大大增加了灵敏度。这样的计数管对粒子也有效。及至1928 年，缪勒（Muller）对盖革计数管又加改进，仍用

13、原先的同轴柱形电极，同时配以电子线路，使计数技术大大提高了一步，在核物理实验中得到了极广泛的应用。LOGO 图9-6 威尔逊云室（左:原理图；右: 实物照片） LOGO 图9-7 布拉开特从云室拍摄到的氮核蜕变的照片LOGO 图9-9 C.D.安德逊在云室照片中发现一条与电子的径迹相似而方向相反的径迹LOGO 图9-8 阿斯通的质谱仪LOGO11.4 探测仪器的改善促进了核物理学的发展 威尔逊云室：云室是 C.T.R.威尔逊(CharlesThomsonReesWilson，18691959)在1911 年发明的。由于它能直接显示粒子运动的径迹，所以一经出现就成了研究核物理的重要工具。后来发展

14、为汽泡室，在粒子物理学中继续发挥作用。 质谱仪精确测定同位素的质量：1910 年，阿斯通(E.W.Aston，18771945)开始协助汤姆生改进正射线的设备，并于1912 年投入使用，仪器的分辨率虽然不同，但质量数相差10的抛物线已经可以分开。LOGO11.5 宇宙线和正电子的发现 赫斯发现宇宙射线 安德逊发现正电子 由于发现宇宙射线和正电子的功绩，赫斯和安德逊共享1936 年诺贝尔物理奖，而布拉开特因改进云室技术和由此作出有关核物理和宇宙射线的一系列新发现而获1948 年诺贝尔物理奖。 正电子的发现，对研究光与实物之间的转变有重要意义，使人们对“基本粒子”的认识有了一次质的飞跃。LOGO1

15、1.9 重核裂变的发现LOGO 图9-13 1934年费米小组自制的计数管LOGO 图9-14 1934年费米小组用过的电子计数装置LOGO 图9-15 1934年费米小组自制的中子源(管中密封的小管装有镭射气)LOGO 图916 罗马大学的实验小组合影。从左到右：达哥斯廷诺、西格雷、阿玛尔迪、拉塞第和费米。LOGO 图917 哈恩和迈特纳在做实验LOGO 图9-18 画家笔下的试验反应堆LOGO图9-19 曼哈顿工程成员在运动场大门口合影（前排左起第一人是费米） LOGO回旋加速器LOGO 图9-22 劳伦斯正在讲解同步加速器的原理LOGO 图923 第一台回旋加速器LOGO 图924 劳伦斯（右）和