第7章核物理

1、7原子核物理原子核物理 核外电子运动核外电子运动原子物理学原子物理学原子核内部运动原子核内部运动 原子核物理学原子核物理学 1932年人们发现中子，以此作为原子核物理的年人们发现中子，以此作为原子核物理的开端，那么今天我们对核的了解还远远没有达到开端，那么今天我们对核的了解还远远没有达到80年前对原子的了解程度。年前对原子的了解程度。 研究微观结构的三个分支学科研究微观结构的三个分支学科 原子物理原子物理 原子核物理原子核物理 粒子物理粒子物理A A 粒子物理与宇宙学粒子物理与宇宙学B B 核物理与加速器物理核物理与加速器物理C C 原子分子物理原子分子物理D D 光物理光物理E E 等离子体

2、物理等离子体物理F F 纳米与介观物理纳米与介观物理G G 表面与低维物理表面与低维物理H H 半导体物理半导体物理I I 强关联与超导物理强关联与超导物理物理分类物理分类（中国物理秋季会议）J J 磁学磁学K K 软凝聚态物理与生物软凝聚态物理与生物物理物理L L 量子信息量子信息M M 计算物理计算物理N N 统计物理与复杂体系统计物理与复杂体系O O 电介质物理电介质物理P P 液晶液晶Q Q 物理教学物理教学历史回顾 1896 1896年法国年法国物理学家贝克勒物理学家贝克勒尔发现了铀放射尔发现了铀放射现象。现象。 这是人类历这是人类历史上第一次在实史上第一次在实验室里观察到原验室里观

3、察到原子核现象。子核现象。19031903年贝克勒尔获得年贝克勒尔获得诺贝尔奖。诺贝尔奖。历史回顾 1897 1897年，居里年，居里夫妇发现放射性素夫妇发现放射性素钋钋( (Po)Po)和镭和镭( (Ra)Ra)，19031903年获得诺贝尔年获得诺贝尔奖。奖。 女儿女儿和女婿和女婿因因发现人工放射性获发现人工放射性获19341934年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。历史回顾 英国物理学家英国物理学家RutherfordRutherford，18991899发发现现 , , 射线射线, ,19031903证证实了实了 射线为射线为HeHe核核， 射线为电子射线为电子, ,19081908年获得诺贝尔奖

4、。年获得诺贝尔奖。 1911 1911年提出了年提出了原子的核式结构模型，原子的核式结构模型，19191919首次实现人工核首次实现人工核反应。培养了反应。培养了1010位诺位诺贝尔奖获得者。贝尔奖获得者。历史回顾 19321932英国物理学英国物理学家家ChadwickChadwick发现了中发现了中子，子， 1935 1935年获得诺年获得诺贝尔奖。贝尔奖。 中子的发现被认中子的发现被认为是原子核物理进入为是原子核物理进入大发展的起始点。大发展的起始点。重要事件 1939 1939年，发现重核裂变年，发现重核裂变 1942 1942年，年，E.FermiE.Fermi发明热中子链式反应堆发

5、明热中子链式反应堆 （是人类掌握核能源的开端）（是人类掌握核能源的开端） 1945 1945年，原子弹试爆成功年，原子弹试爆成功 19521952年，氢弹试爆成功年，氢弹试爆成功 1961 1961年，苏联新地岛试验场年，苏联新地岛试验场50005000万吨级核爆万吨级核爆 （历史上最大的核爆）（历史上最大的核爆） 1963 1963年，美苏英在莫斯科签订停止核试验条约年，美苏英在莫斯科签订停止核试验条约 1994-1996 1994-1996年间年间6161国签署国签署全面禁止核试验全面禁止核试验 1996 1996年至今有年至今有155155个国家签约个国家签约重要事件 19581958：

6、我国建成第一座重水型原子反应堆：我国建成第一座重水型原子反应堆 1964 1964：我国第一颗原子弹试爆成功：我国第一颗原子弹试爆成功 1967 1967：我国第一颗氢弹试爆成功我国第一颗氢弹试爆成功 1969 1969：我国首次成功地下核实验：我国首次成功地下核实验 1984 1984：我国受控热核聚变实验装置顺利启动：我国受控热核聚变实验装置顺利启动 1988 1988：北京正负电子对撞机首次对撞成功：北京正负电子对撞机首次对撞成功 1991 1991：秦山核电站发电成功：秦山核电站发电成功 历史回顾原子弹 相当相当2万吨万吨TNT，产生上千，产生上千万度的高温和数百亿个大气压，万度的高温

7、和数百亿个大气压，致使一座致使一座30米高的铁塔被熔化为米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑。的弹坑。 “原子弹之父原子弹之父” 奥本海默在核奥本海默在核爆观测站里感到十分震惊，他想爆观测站里感到十分震惊，他想起了印度一首古诗：起了印度一首古诗：“漫天奇光漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有一千异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争辉。我是死个太阳，才能与其争辉。我是死神，我是世界的毁灭者。神，我是世界的毁灭者。”历史回顾原子弹中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图历史回顾原子弹 原子弹突袭广岛和长崎原子弹突袭广岛和长崎

8、,在长在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，高达菇状云团，高达12英里。英里。 广岛市区广岛市区80%的建筑化为灰的建筑化为灰烬，烬，64000人丧生，人丧生，72000人受伤，人受伤，伤亡总人数占全市总人口的伤亡总人数占全市总人口的53%。 长崎市长崎市60%的建筑物被摧毁，的建筑物被摧毁，伤亡伤亡86000人，占全市总人口的人，占全市总人口的37%。7.1 原子核的基本性质原子核的基本性质1. 核质量核质量原子核的质量原子核的质量 =原子的质量原子的质量 - 外电子的质量外电子的质量AMAmeZmeAAZmMm通常采用质量单位通常采用质量单位 kgu2710

9、66054. 112/5016.931cMeV忽略电子的结合能忽略电子的结合能 中子的发现中子的发现: : 1930 1930年年BotheBothe完成了实验完成了实验 9 9Be+Be+ 1212C+ nC+ n 但他认为产生的中性射线是但他认为产生的中性射线是 射线。射线。质子的发现质子的发现: : 19191919年年RutherfordRutherford用用 粒子轰击粒子轰击1414N N发现了质子。发现了质子。 14 14N +N + 1 17 7O + O + p p 19321932年年ChadwickChadwick用这种穿透力很强的未知中性流轰击用这种穿透力很强的未知中性

10、流轰击氮和氢核，测量到核的反冲动能氮和氢核，测量到核的反冲动能, ,由此估算出中性射线的由此估算出中性射线的质量并大胆预言该射线是中子。质量并大胆预言该射线是中子。 19351935年获诺奖。年获诺奖。人类首次实现原子核的人工转变人类首次实现原子核的人工转变2.2.核的组成核的组成pnNnmmmmvvNHmn = 1.008665ump = 1.007277u练习：练习：用这种中性射线辐照氮核和氢核，测量到反用这种中性射线辐照氮核和氢核，测量到反冲速度，由此估算中性射线的质量。冲速度，由此估算中性射线的质量。 0122201111222nnHHnHHnm vm vm vm vm vm v 0v

11、1vHv02nHnHmvvmm14Npmmpm原子核的符号表示：原子核的符号表示：A AZ ZX XN N ， A A= =N N+ +Z Z 为核子数为核子数（i i） Z Z相同相同N N不同的核素称为不同的核素称为同位素同位素（iiii） N N相同相同Z Z不同的核素称为不同的核素称为中子异核素中子异核素（iiiiii） A A相同相同Z Z不同的核素称为不同的核素称为同量异位素同量异位素中子和质子统称为核子中子和质子统称为核子, ,可理解为可理解为核子的两个不同状态。核子的两个不同状态。核素图核素图质子结合能为零的线为质子滴线；质子结合能为零的线为质子滴线；中子结合能为零的线为中子滴

12、线。中子结合能为零的线为中子滴线。b b稳定线的经验规律：稳定线的经验规律： 轻核区：轻核区：N=ZN=Z的核素比较稳定的核素比较稳定理论预言：理论预言：Z=114Z=114附近有超重元素稳定岛。附近有超重元素稳定岛。3/20155. 098. 1AAZ3. 核的大小核的大小1/301501.2 101.2VARr Armfm核的密度核的密度330143304433110/43AAAmmmVRr Ag cmr N(AAmNN一个原子质量克） 为阿伏伽德罗常数实验表明核体积与核子数成正比实验表明核体积与核子数成正比4310万吨 厘米原子核电荷分布原子核电荷分布a a表示表面厚度参量表示表面厚度参

13、量R = rR = r0 0A A1/3 1/3 r r0 0 1.2fm1.2fm 0.02.04.06.08.010.00.000.250.500.751.001.251.50a = t /(4ln3)tc电荷密 度 (相对 值 )r ( fm )exp(1)(0aRrr7.2 原子核力和结合能原子核力和结合能什么力能使核子不顾库仑斥力而紧密结合？什么力能使核子不顾库仑斥力而紧密结合？ 1. 核力的基本性质核力的基本性质(ii)短程性短程性0.820.810fmrfmrfmrfm吸引力斥力消失(i)强相互作用强相互作用核力的强度比库仑力大一百倍核力的强度比库仑力大一百倍0.820.82fm

14、rfmrfmrfm有一点认识不清楚较清楚(iii) 饱和性饱和性pnnnppFFF3H(iii) 电荷无关性电荷无关性3HepnnMeVHnH48. 832 实验表明每个核子只与它相邻实验表明每个核子只与它相邻 的几个的几个核子有相互作用，就像液体中的分子。核子有相互作用，就像液体中的分子。 核内核内p-p库仑斥力能为库仑斥力能为0.72Mev，若，若 内不存内不存在此库仑斥力，则结合能应为在此库仑斥力，则结合能应为7.72+0.72=8.44Mev，与与 的结合能很接近。的结合能很接近。3He3HppnMeVHepH72. 7322. 原子核的结合能原子核的结合能 核由中子和质子组成，但核质

15、量不等于核内核由中子和质子组成，但核质量不等于核内中子中子和质子质量之和。和质子质量之和。 例如例如，氘核，氘核 由一个中子和一个质子组成由一个中子和一个质子组成2H221.0086651.0072772.0135520.0023902.225/npdnpdmumuHmummmmuMeV c中子质子 中子和质子组成氘核时会释放中子和质子组成氘核时会释放2.225MeV的能量，逆过程的能量，逆过程也成立。也成立。 自然界的普遍现象。自然界的普遍现象。问题：问题：一个电子和一个质子组成物会释放多少能量？一个电子和一个质子组成物会释放多少能量？ 核的质量亏损核的质量亏损pnAmZmNmm原子核的结合

16、能原子核的结合能核的结合能核的结合能核子结合成原子核时释放的能量核子结合成原子核时释放的能量2BEmc 练习：练习：估算一个铀核（估算一个铀核（A=235A=235，平均结合能为，平均结合能为7.6 MeV7.6 MeV）俘）俘获一个热中子后裂变为平均结合能为获一个热中子后裂变为平均结合能为8.5 MeV8.5 MeV的两个中的两个中等质量的核所放出的能量。等质量的核所放出的能量。 平均结合能平均结合能/8BEAMeV获得核能的途径获得核能的途径:重核裂变和轻核聚变重核裂变和轻核聚变 中等核中等核(A=30-120)(A=30-120)的平均结合能较大，的平均结合能较大，轻核和重核的平均结轻核

17、和重核的平均结合能较小合能较小原子核的自旋原子核的自旋 核自旋核自旋 核自旋是所有核子的自旋角动量和轨道角动量的矢量和核自旋是所有核子的自旋角动量和轨道角动量的矢量和 , ,在空间某一方向的投影：在空间某一方向的投影： (1)IIPPI I量子数可以是整数或半整数量子数可以是整数或半整数IzIPM核自旋核自旋磁磁量子数量子数IIIMI1,1 1A A为奇数的核为奇数的核( (奇奇A A核核) ) 2 2Z Z、N N都为偶数的核都为偶数的核( (偶偶- -偶核偶核) )3 3Z Z、N N都为奇数的核都为奇数的核( (奇奇- -奇核奇核) )核子是费米子，遵从费米核子是费米子，遵从费米- -狄

18、拉克统计狄拉克统计原子核的统计性质：奇原子核的统计性质：奇A A核是费米子，偶核是费米子，偶A A核是玻色子核是玻色子2353233 8.5 235 7.6 195U nX YnEMev 原子核原子核也有磁矩也有磁矩, , 核磁矩比电子的磁矩小得多，因此产核磁矩比电子的磁矩小得多，因此产生的超精细结构谱线也比精细结构谱线间距小得多。生的超精细结构谱线也比精细结构谱线间距小得多。 原子核的磁矩原子核的磁矩Ssxxsxgme,2Lgmelxxlx,2质子磁矩质子磁矩g gp,l p,l = 1, g= 1, gp,s p,s = 5.58= 5.58中子磁矩中子磁矩g gn,l n,l = 0,

19、g= 0, gn,s n,s = -3.82= -3.82超精细结构的原因超精细结构的原因 磁超精细相互作用磁超精细相互作用 E = - gE = - gI I N N M MI IB Be le l 超精细分裂相当于核角动量超精细分裂相当于核角动量 I I 在外磁在外磁场场B Be le l作用作用下发生的塞曼效应下发生的塞曼效应+3/2+1/2- 1/2- 3/2- 1/2+1/23/21/2MI =0,157Fe原子核的电四极距电势电势电偶极距电偶极距电四极电四极距距d1rd12zr)d-3 (1223rzr+-+- 原子核电偶极距为零原子核电偶极距为零 原子核有电四极距原子核有电四极距

20、)(5222acZQAB 现代物理学认为：电磁相互作用是带电粒子间交现代物理学认为：电磁相互作用是带电粒子间交换换“虚光子虚光子”而产生的交换力。而产生的交换力。 1935年，汤川秀树年，汤川秀树（Yakawa）提出核力的介子理论。）提出核力的介子理论。 核力的核力的介子理论介子理论能量能量xccxtE/xcmeemmmmm2643 .2730 1947 1947年年PowellPowell在宇宙线实验中在宇宙线实验中发现发现 + +介子，介子，19501950年又发现了年又发现了 0 0介介子，子，YakawaYakawa与与PowellPowell分别于分别于19491949和和19501

21、950年获诺奖。年获诺奖。虚粒子质量：虚粒子质量： 设核力的力程设核力的力程 x x 2fm,2fm,据此可据此可估出介子质量是电子的估出介子质量是电子的200200倍。倍。 请估光子质量？请估光子质量？1. 液滴模型液滴模型:实验依据实验依据7.3原子核结构模型原子核结构模型（1 1）核力具有饱和性，核子只与它周围几个核子作用，如）核力具有饱和性，核子只与它周围几个核子作用，如 同液体中的分子。强相互作用使核子易同液体中的分子。强相互作用使核子易“流动流动”。（2 2）核密度不随核子数变化，如同液体密度是常数一样。）核密度不随核子数变化，如同液体密度是常数一样。 19351935年年 Wei

22、zsacker Weizsacker 提出了核的质量公式提出了核的质量公式 B=BB=BV V + B + BS S + B + BC C + B + BSymSym + B + BP P 体积能：体积能： B BV V = a = aV VA A 表面能：表面能： B BS S =-a =-aS SA A2/3 2/3 库仑能：库仑能： B BC C = -a = -aC CZ Z2 2/A/A1/3 1/3 对称能：对称能： B BSymSym = -a = -aSymSym(N - Z)(N - Z)2 2/A/A对能：对能： 偶偶核偶偶核 B BP P = a = aP PA A-1/

23、2-1/2 奇奇A A 核核 B BP P = 0 = 0 奇奇核奇奇核 B BP P = - a = - aP PA A-1/2-1/2 实验表明：实验表明： 核的质子和中子数为核的质子和中子数为2,8,20,28,50,82,126 2,8,20,28,50,82,126 时，原子核特别稳定，这些数叫幻数（时，原子核特别稳定，这些数叫幻数（Magic Magic number)number)。在自然界中它们的含量明显比其附近。在自然界中它们的含量明显比其附近核素的含量多，稳定性强。核素的含量多，稳定性强。 幻数核结合能比邻近核结合能大，其中双幻数核结合能比邻近核结合能大，其中双幻数核结合能

24、特别大。幻数核结合能特别大。 幻数存在说明核内部有某种结构，如同原子幻数存在说明核内部有某种结构，如同原子情况。情况。 原子核壳层结构条件：存在一个平均场原子核壳层结构条件：存在一个平均场, ,每每个核子在场中独立运动个核子在场中独立运动, ,服从泡利原理。服从泡利原理。2. 壳层模型壳层模型 方位阱模型方位阱模型 势函数：势函数：0( )0VrRV rrR 边界条件：边界条件： r=R, r=R, =0=0 量子数量子数 n=1,2,3,l=0,1,2,3,n=1,2,3,l=0,1,2,3, 能级用能级用vlvl标记，标记，v=n-lv=n-l。 如：核的如：核的2p2p态，态， v=2,

25、l=1.v=2,l=1.核的能级次序核的能级次序: : 1s 1p 1d 2s 1f 1s 1p 1d 2s 1f 2 6 10 2 14 2 6 10 2 14 只能解释前三个幻数，只能解释前三个幻数，2,8,202,8,20 2221( )( )21 / 21( )(1)1 / 22spVC rC rjlsljlC rljls l 1949 1949年，年，MayerMayer和和JensenJensen在势阱中加入了自旋在势阱中加入了自旋- -轨轨道耦合项，成功地解释了幻数的存在，道耦合项，成功地解释了幻数的存在，19651965年获诺贝年获诺贝尔奖。尔奖。 壳层模型可以解释双幻壳层模型

26、可以解释双幻数核附近：数核附近： 偶偶核的低激发能级规律偶偶核的低激发能级规律: : 离双幻数核稍远：具有离双幻数核稍远：具有谐振子能级的特点。谐振子能级的特点。 远离双幻数核：远离双幻数核： 具有具有转动能级的特点。转动能级的特点。E0E2E4E6024601h2h3. 集体模型集体模型 19521952年年BohrBohr和和MottelsonMottelson提出描述核集体振动和转动的提出描述核集体振动和转动的“几何模型几何模型”，19751975年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。核的转动：核的转动：, 4 , 2 , 0) 1(22IIIEI)0() 1() 1(22BIBIIAIEI 1(

27、1)1IEabI I转动谱修正公式：转动谱修正公式：W-ZW-Z公式：公式：偶偶核的振动能偶偶核的振动能, 2 , 1 , 0)2/5(NNEv7.4 原子核放射衰变原子核放射衰变1. 衰变规律衰变规律 18961896年，法国物理学家年，法国物理学家贝克勒尔贝克勒尔发现铀矿物发现铀矿物能能自发地自发地发射穿透力很强并能使照相底版感光的发射穿透力很强并能使照相底版感光的不可见射线。不可见射线。 18981898年，居里夫妇又发现了钋和镭年，居里夫妇又发现了钋和镭 放射性衰变：放射性衰变：核素核素自发地自发地放射出某种射线而变成放射出某种射线而变成另一种核素的过程另一种核素的过程HeThU422

28、349023892放射性物质放出的射线主要有三种：放射性物质放出的射线主要有三种： 1 1 射线：氦核射线：氦核2 2 射线：正负电子射线：正负电子3 3 射线：光子射线：光子 放射性衰变放射性衰变遵守：遵守：电荷守恒、质量数守恒、质量和能量守恒、动量守恒等。电荷守恒、质量数守恒、质量和能量守恒、动量守恒等。 (1). 指数衰变规律指数衰变规律NdtdN NdtdNteNN0 代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几率，称为率，称为衰变常数衰变常数 0lnlnNtN 放射性活度放射性活度/AdN dt 放射性活度的单位为放射性活度的单位为Bq(贝克贝克)，1

29、Bq=1次衰变次衰变/秒秒1Ci （居里）（居里） Bq103.7 10 1975年第十五届国际计量大会将放射性活度的国年第十五届国际计量大会将放射性活度的国际单位命名为际单位命名为Bq(贝克勒尔贝克勒尔)。1Rd（卢瑟福）（卢瑟福） Bq610(2). (2). 半衰期半衰期核衰变到原来数目一半时所需时间称核衰变到原来数目一半时所需时间称半衰期半衰期012TNeNln20.693T2389924.5 10UT 例如：年半衰期测量半衰期测量斜率法：斜率法：直接法：例如直接法：例如 实验测得实验测得1mg1mg铀铀238238每分钟会放射每分钟会放射740740个个 粒子，求它粒子，求它的半衰期

30、。的半衰期。tAA0lnlndtdNAteNdtdN0teNN0(3)平均寿命平均寿命 一个原子核在衰变前存在的时间叫寿命，所一个原子核在衰变前存在的时间叫寿命，所有原子核寿命的平均值称为有原子核寿命的平均值称为平均寿命平均寿命。0000()1=()ttdtdNtdNtdNNtdtNNtdtNtdttdNNdN 内有-个核衰变，其寿命为-个核的总寿命为-个核的总寿命为平均寿命1183231087.41023810022.660/740/ssNA个例例1：某核某核的衰变常数为的衰变常数为 试求它的半衰期试求它的半衰期 和平均寿命。和平均寿命。1610097. 2sln2330472Ts14768

31、72s例例2: 2: 估算地球年龄估算地球年龄例例2: 2: 估算地球年龄估算地球年龄235235238238238235235238002352350.836002382380099.2%0.72%59(ttUtUUUNNNNeNetNNeN天然铀矿含量：假定地球形成时两者含量大体相当:亿年）A= 4nA= 4n+2钍钍系系铀系铀系级联衰变规律级联衰变规律锕系锕系镎系镎系A= 4n+3A= 4n+1dd00ttABAABtAABBAABBAAeeNNeNNNNtNABCA衰变服从衰变服从tAAAAAAeNNNtN0ddB衰变服从衰变服从1)(tABAABBAeNN时间足够长，且时间足够长，且

32、ABAABBNN久期平衡久期平衡 启示我们保存短寿命核数的一个方法。例如，医启示我们保存短寿命核数的一个方法。例如，医用放射性核素用放射性核素 In（A=113)，半衰期为，半衰期为99.5分钟，若从分钟，若从远处运送则剩下不多。但可以把它与其母体远处运送则剩下不多。但可以把它与其母体Sn（A=113，SnIn的的半衰期为半衰期为115天）放在一起保存。天）放在一起保存。 )()(,)(dd0CBCABACBABCBABACABBAAtCtBtAACCCBBChhhehehehNNNNtNCBAABC 衰变衰变HeYX4242AZAZ衰变能衰变能22()()XYXyHeEmmm cMMMc衰变

33、条件衰变条件 0XyHeEMMM例：例：判断判断 是否发生是否发生 衰变。衰变。uC6429HeCoC426027u6429uM9298.63CuuM9338.59CouM0026. 4He63.929859.93384.0026(2)2XXeYYeHeemMZmmMZmmMm()XYmmmm2.几种核衰变几种核衰变衰变前母核静止，根据动衰变前母核静止，根据动量守恒量守恒 EAAEAEmmEEmmmmvmvmEvmvmYY4)144()1(2121Y0YY22YYY 说明衰变能绝大部分以说明衰变能绝大部分以 粒子动能形式粒子动能形式放出，子核反冲能只占很少一部分。放出，子核反冲能只占很少一部分

34、。 HeYX4242AZAZ 衰变衰变 1930年，泡利（年，泡利（Pauli）指出：指出：“只有假定在只有假定在 衰变过程衰变过程中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子（中微子）一起被中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子（中微子）一起被发射出来，才能解释连续发射出来，才能解释连续 谱。谱。”中微子假说中微子假说 1956年，从实验上发现了中微子。年，从实验上发现了中微子。 当当衰变物只有两个时，能量可衰变物只有两个时，能量可由动量守恒完全确定，而由动量守恒完全确定，而衰变物有衰变物有三个时，能量可以任意分配。三个时，能量可以任意分配。 是守恒定律的问题还是存在第是守恒定律的问题还是存在第三者？

35、三者？ 原子核是量子体系，原子核是量子体系， - -衰变的能量谱是连续的，衰变衰变的能量谱是连续的，衰变过程中的电子如何产生？能量守恒关系是如何满足的？过程中的电子如何产生？能量守恒关系是如何满足的？费米认为：费米认为： 正像光子是原子不同状态之间跃迁的产物，中正像光子是原子不同状态之间跃迁的产物，中微子是核内部质子和中子之间转换产生的。微子是核内部质子和中子之间转换产生的。 导致光子产生的是电磁相互作用，而导致中微导致光子产生的是电磁相互作用，而导致中微子产生的是弱相互作用。子产生的是弱相互作用。中微子的电荷为中微子的电荷为0 0, ,自旋为自旋为1/21/2中微子的质量：中微子的质量：m

36、mv v3eV11MeVMeV）诱发裂变。诱发裂变。U U分离技术是制造原子弹的关键技术分离技术是制造原子弹的关键技术*240239*236235PuPuUUnnPuPu的生产的生产eevevenPuNpNpUUU239239239239239238裂变能量分配：每个裂变能量分配：每个235235U U裂变释放约裂变释放约200200MeVMeV 碎片动能：碎片动能： 170 170MeV MeV 中子的能量：中子的能量：5 5MeV; MeV; - -, , 的能量：的能量： 1515MeVMeV 中微子能量：中微子能量：1010MeVMeV可提供可提供2.52.5个中子维持链式反应。个中子

37、维持链式反应。原子核的裂变 临界质量临界质量 当体积太小时，中当体积太小时，中子容易逃逸，无法维持子容易逃逸，无法维持裂变反应。裂变反应。 热热中子中子 维持维持235235U U裂变裂变的中子的中子能量峰值为能量峰值为1 1MeVMeV。 中子减速中子减速 重水和石墨重水和石墨裂变反应堆裂变反应堆 MeV3 .18HeHeMeV6 .17HeHMeV0 .4HMeV25.3He434333pdndpddnddMeV15.4322He264npd库仑势垒：库仑势垒：144144KeVKeV5.6 5.6 10108 8K K聚变温度：聚变温度：约约10108 8K K（1 1亿度），等离子体状

38、态亿度），等离子体状态原子核聚变原子核聚变1.聚变能约为裂变能的聚变能约为裂变能的四四倍倍2.聚变的原料是氘聚变的原料是氘. 裂变的原料是铀裂变的原料是铀氢弹方案：高效炸药氢弹方案：高效炸药+ +裂变原料裂变原料+ +氘化锂氘化锂氢弹是不可控的热核反应裂变弹的能量分配：氢弹是不可控的热核反应裂变弹的能量分配：爆震与冲击波：爆震与冲击波： 50% 50% 热辐射：热辐射： 35% 35%剩余辐射：剩余辐射： 10% 10% 早期辐射：早期辐射： 5% 5%纯聚变不产生剩余辐射。纯聚变不产生剩余辐射。引力约束聚变引力约束聚变太阳内部太阳内部主要有两种热核反应主要有两种热核反应 引力约束等离子体，每

39、天燃烧的引力约束等离子体，每天燃烧的氢，相当于每秒爆炸氢，相当于每秒爆炸900900亿颗百万吨级亿颗百万吨级的氢弹。的氢弹。 碳循环周期碳循环周期 6 6x x10106 6年。年。 质子循环周期质子循环周期 3 3x x10109 9年。年。 太阳外层温度太阳外层温度60006000K,K, 中心温度中心温度15,000,00015,000,000K K。碳循环：碳循环：CNeNOONNCCNNC121515151514141313131312pvppvepMeV27224vep质子质子- -质子循环：质子循环： pdpvedpp2HeHeHe333MeV27224vep 激光激光约束聚变约

40、束聚变受控核聚变受控核聚变 在直径为在直径为0.40.4mmmm的小球内充以的小球内充以30-10030-100大气压的氘氚混合气体，用强大气压的氘氚混合气体，用强激光（激光（10101212-10-101414W)W)均匀照射，使氘氚混合气体的密度达到液体密度的一均匀照射，使氘氚混合气体的密度达到液体密度的一千到一万倍，温度达到千到一万倍，温度达到10108 8K K而引发聚变。而引发聚变。磁约束聚变磁约束聚变- -可控聚变反应堆可控聚变反应堆 万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束的，具有闭合磁力线的磁场成为可能的选择。如何设束的，具有闭

41、合磁力线的磁场成为可能的选择。如何设计计“磁笼磁笼”成为研究难点成为研究难点 。上世纪。上世纪7070年代，苏联科学家年代，苏联科学家提出提出“托克马克托克马克”方案，成为可控聚变研究的最佳方案方案，成为可控聚变研究的最佳方案。托克马克装置采用强磁场约束高密度等离子体。托克马克装置采用强磁场约束高密度等离子体核能利用核能利用 苏美苏美5050年代，英法年代，英法6060年代。年代。 中国中国19911991年年1212月秦山核电站发电。月秦山核电站发电。 据据19951995年资料显示，我国核能利用占总能年资料显示，我国核能利用占总能比（比（1.3%1.3%）远低于法国（）远低于法国（75%7

42、5%），日本（），日本（36%36%），韩国（），韩国（30%30%），台湾（），台湾（31%31%），甚至低于），甚至低于印度。印度。 2005 2005年，我国核电不到（年，我国核电不到（2%2%）。据估计，）。据估计，20502050年我国能源需求将达到相当年我国能源需求将达到相当5050亿吨煤标亿吨煤标准，而目前我国年耗准，而目前我国年耗1515亿吨煤，水资源不到亿吨煤，水资源不到2 2亿吨煤，缺口极大。亿吨煤，缺口极大。 在所有的核聚变反应中，氘和氚的核聚变反应在所有的核聚变反应中，氘和氚的核聚变反应相对比较易于实现。相对比较易于实现。 氘在海水中储量极为丰富，一公升海水里提取出氘在

43、海水中储量极为丰富，一公升海水里提取出的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300300公公升汽油的能量。升汽油的能量。 有人估计若把海水中的氘都提出来，可用几百亿有人估计若把海水中的氘都提出来，可用几百亿年。年。 聚变能具有资源无限，不污染环境，不产生高聚变能具有资源无限，不污染环境，不产生高放射性核废料等优点，是人类未来能源。放射性核废料等优点，是人类未来能源。 人类已经能控制和利用核裂变能，但由于很难人类已经能控制和利用核裂变能，但由于很难将两个带正电的核靠近产生聚变反应，控制和利用将两个带正电的核靠近产生聚变反应，控制和利用核聚变能则成为研发的难点。核聚变能则成为研发的难点。 ITER ITER 计划计划（International Thermonucle