第九章原子核及粒子物理学的兴起

1、2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院1一一 人工核反应的实现及质子的发现人工核反应的实现及质子的发现二二 中子的发现中子的发现三三 人工放射性的发现人工放射性的发现四四 慢中子效应和核裂变的发现慢中子效应和核裂变的发现五五 正电子的发现正电子的发现六六 中微子的发现中微子的发现七七 介子理论的建立介子理论的建立八八 奇异粒子的研究奇异粒子的研究九九 粒子的分类粒子的分类十十 强子结构和夸克理论强子结构和夸克理论第九章第九章 原子核及粒子物理学的兴起原子核及粒子物理学的兴起2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院2原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起前言前言原

2、子核物理学是原子核物理学是研究核的性质、结构和变化规律、以及核研究核的性质、结构和变化规律、以及核能、核技术应用等有关物理问题的学科，简称核物理，属于当能、核技术应用等有关物理问题的学科，简称核物理，属于当代物理学的前沿。代物理学的前沿。粒子物理粒子物理 ( (高能物理高能物理) )是研究场和粒子的性质、运动、相互是研究场和粒子的性质、运动、相互作用和相互转化规律的学科，也是研究粒子内部结构规律的学作用和相互转化规律的学科，也是研究粒子内部结构规律的学科，是当代物理学发展的前沿。科，是当代物理学发展的前沿。原子核物理学及粒子物理的工作原子核物理学及粒子物理的工作1.1.实验研究实验研究: :主

3、要是通过高能粒子的相互碰撞，用实验手段发主要是通过高能粒子的相互碰撞，用实验手段发 现新粒子。到目前已经发现了现新粒子。到目前已经发现了300300多种。多种。 采用的试验设备有加速器、对撞机、探测器、计算机和数采用的试验设备有加速器、对撞机、探测器、计算机和数据处理系统。据处理系统。2.2.理论基础理论基础是量子场论，是解释微观现象的基本理论。是量子场论，是解释微观现象的基本理论。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院3一一 人工核反应的实现及质子的发现人工核反应的实现及质子的发现 1914年卢瑟福的学生马斯登在观察年卢瑟福的学生马斯登在观察粒子在空气中的射程时粒子在空气中的射程时

4、注意到，注意到，粒子在空气中的射程一般只有粒子在空气中的射程一般只有7厘米，但有的粒子的厘米，但有的粒子的射程竟达射程竟达40厘米。经反复验证和思考，卢瑟福认为，这是空气厘米。经反复验证和思考，卢瑟福认为，这是空气中的氢离子受到中的氢离子受到粒子的撞击所致。因为粒子的撞击所致。因为粒子的质量是氢离子粒子的质量是氢离子质量的质量的4倍，因此氢离子被撞击后速度要大许多。倍，因此氢离子被撞击后速度要大许多。 在上述现象启发下，从在上述现象启发下，从1917年开始，卢瑟福进行了年开始，卢瑟福进行了粒子轰粒子轰击氮原子核的实验。装置如右图。击氮原子核的实验。装置如右图。A为为射线源，可前后移动，射线源，

5、可前后移动，利用显微镜利用显微镜M观察透过窗口观察透过窗口F在荧光屏在荧光屏S上的闪烁。上的闪烁。当从阀当从阀T充入氮气，放射源充入氮气，放射源A距观察屏距观察屏S的距离超过的距离超过粒子的粒子的射程很多时，屏上仍有闪烁，射程很多时，屏上仍有闪烁，射程长度和氢离子的差不多；射程长度和氢离子的差不多；当充入氧气时却没有这种现象。当充入氧气时却没有这种现象。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院4卢瑟福经过反复实验，终于判定是氮原子在卢瑟福经过反复实验，终于判定是氮原子在粒子的轰击下发粒子的轰击下发生了核嬗变：从氮核中释放出了氢核（质子）。生了核嬗变：从氮核中释放出了氢核（质子）。 19

6、19年，卢瑟福明确表达了年，卢瑟福明确表达了粒子轰击氮核的反应过程：粒子轰击氮核的反应过程： 14N7+4He217O8+1H1为了进一步了解被轰击出的粒子的性质，在实验装置里加进磁为了进一步了解被轰击出的粒子的性质，在实验装置里加进磁场和电场，根据粒子在其中的偏转，测出它的质量和电荷，从场和电场，根据粒子在其中的偏转，测出它的质量和电荷，从而确定了该离子就是氢原子核而确定了该离子就是氢原子核-质子。质子。 后来英国卡文迪什实验室的后来英国卡文迪什实验室的布拉凯特布拉凯特在充满氮的云室里做在充满氮的云室里做了了粒子轰击氮核的实验，并拍摄了两万多张云室的照片，终粒子轰击氮核的实验，并拍摄了两万多

7、张云室的照片，终于从于从40多万条多万条粒子径迹中发现有粒子径迹中发现有8条产生了分叉。从而证实条产生了分叉。从而证实了人工核反应的实现和质子的产生。了人工核反应的实现和质子的产生。 1921年卢瑟福和查德威克年卢瑟福和查德威克(J.Chadwick)发现硼、氟、钠、铝和磷都可以产生类似的发现硼、氟、钠、铝和磷都可以产生类似的转变。由于各种原子核里都能打出质子来，转变。由于各种原子核里都能打出质子来，可见质子是原子核的组成部分。可见质子是原子核的组成部分。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院5二二 中子中子n的发现的发现1.1.卢瑟福的预言：卢瑟福的预言：质子发现以后，人们认为原子

8、核是由电子和质子发现以后，人们认为原子核是由电子和质子组成，即质子质子组成，即质子- -电子核模型。但是这个模型存在着电子在电子核模型。但是这个模型存在着电子在核内的存在状态问题，并且与量子力学中多体统计及自旋理论核内的存在状态问题，并且与量子力学中多体统计及自旋理论相矛盾。为了解释电子为什么能够稳定的存在于核内，卢瑟福相矛盾。为了解释电子为什么能够稳定的存在于核内，卢瑟福提出，可以把质子和电子作为一个复合体，看成是一个单独的提出，可以把质子和电子作为一个复合体，看成是一个单独的中性粒子。中性粒子。 19201920年年6 6月，卢瑟福预言：原子核内可能存在着质量与质月，卢瑟福预言：原子核内可

9、能存在着质量与质子质量相同的中性粒子。子质量相同的中性粒子。19211921年美国化学家哈金斯将它命名为年美国化学家哈金斯将它命名为“中子中子”。2.2.中子发现的前奏：中子发现的前奏：1930年德国物理学家博特年德国物理学家博特(W.G.F.Bothe)与贝克尔与贝克尔(H.Becher)用天然放射性元素用天然放射性元素Po放出的放出的粒子轰击铍粒子轰击铍 Be，发现从铍放射出一种穿透能力极强的射线。且这种射线在，发现从铍放射出一种穿透能力极强的射线。且这种射线在磁场和电场中都不会发生偏转。人们认为是高能量的磁场和电场中都不会发生偏转。人们认为是高能量的射线。射线。 2004-12-8山东师

10、范大学物理与电子科学学院6 1932年年1月，法国物理学家约里奥月，法国物理学家约里奥-居里夫妇重复了博特和贝居里夫妇重复了博特和贝克尔的实验，并用这种新射线轰击石蜡，结果从石蜡中打出大克尔的实验，并用这种新射线轰击石蜡，结果从石蜡中打出大量质子来。约里奥量质子来。约里奥-居里夫妇把这种现象当成是一种强居里夫妇把这种现象当成是一种强射线造射线造成的成的“康普顿效应康普顿效应”。错失发现中子的良机。错失发现中子的良机。3.3.查德威克的发现：查德威克的发现：查德威克当时正在卡文迪什实验室作放射查德威克当时正在卡文迪什实验室作放射性研究。对于性研究。对于约里奥约里奥-居里夫妇的实验，他不赞同他们的

11、解释。居里夫妇的实验，他不赞同他们的解释。他用这种射线先后照射轻重不同的几种元素，发现这种射线与他用这种射线先后照射轻重不同的几种元素，发现这种射线与通常的通常的射线性质有所不同：通常射线性质有所不同：通常射线照射到物质上时，物质射线照射到物质上时，物质密度越大，对密度越大，对射线的吸收越厉害，而这种射线刚好相反。且射线的吸收越厉害，而这种射线刚好相反。且用它轰击氢原子核时，竟然能被弹回来。说明这种射线是具有用它轰击氢原子核时，竟然能被弹回来。说明这种射线是具有一定质量的中性粒子流。通过对反冲核的动量测定，再利用动一定质量的中性粒子流。通过对反冲核的动量测定，再利用动量守恒定律进行估算，确定出

12、这种射线中性粒子的质量几乎和量守恒定律进行估算，确定出这种射线中性粒子的质量几乎和质子相同。于是质子相同。于是查德威克意识到这就是卢瑟福曾经预言的查德威克意识到这就是卢瑟福曾经预言的“中中子子”。于是在。于是在19321932年的年的NatureNature上发表了上发表了中子可能存在中子可能存在的论文。的论文。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院74.意义意义1 1）建立了原子核的正确模型。）建立了原子核的正确模型。2 2）引起了一些新的研究课题。）引起了一些新的研究课题。3 3）由于中子不带电，因此就使）由于中子不带电，因此就使人们在核物理的研究中，拥有人们在核物理的研究中，拥

13、有了一颗威力无比的炮弹，人们了一颗威力无比的炮弹，人们利用它打开了核能仓库，昂首利用它打开了核能仓库，昂首迈入原子能时代迈入原子能时代! ! 查德威克的成功，是他能查德威克的成功，是他能够将理论预言与实验现象密切够将理论预言与实验现象密切结合，抓住机遇的结果。结合，抓住机遇的结果。原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起查德威克像查德威克像2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院8伊伦娜伊伦娜居里和约里奥居里和约里奥居里居里原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院9三三 人工放射性的发现人工放射性的发现 1934年

14、年1月，约里奥月，约里奥-居里夫妇用居里夫妇用粒子轰击铝，发现撤走粒子轰击铝，发现撤走放射源后，还可检测到放射性。化学分析表明，他们得到了自放射源后，还可检测到放射性。化学分析表明，他们得到了自然界中并不存在的放射性同位素磷然界中并不存在的放射性同位素磷-30，即，即 27Al13+4He230P15+1n0磷磷-30经经衰变放出正电子衰变放出正电子, ,变成稳定元素硅变成稳定元素硅: :3030P P15153030SiSi1414+ +0 0e e1 1 他们又用他们又用粒子轰击硼和镁，得到放射性同位素氮和硅。粒子轰击硼和镁，得到放射性同位素氮和硅。这样这样约里奥约里奥-居里夫妇因人工放射

15、性的发现而获得居里夫妇因人工放射性的发现而获得1935年诺贝年诺贝尔化学奖。也为核物理的研究及原子能利用开辟了道路。尔化学奖。也为核物理的研究及原子能利用开辟了道路。 后来人们发现，用后来人们发现，用粒子轰击轻元素能够得到放射性同位粒子轰击轻元素能够得到放射性同位素，但用素，但用粒子轰击重元素，则很难产生。费米考虑了这一问粒子轰击重元素，则很难产生。费米考虑了这一问题，认为，重元素原子核所带正电荷较大，与题，认为，重元素原子核所带正电荷较大，与粒子的库仑斥粒子的库仑斥力很难让力很难让粒子产生轰击效果。所以他选用中子作实验，尽管粒子产生轰击效果。所以他选用中子作实验，尽管中子的产额很少（核反应放

16、出的中子一般少于中子的产额很少（核反应放出的中子一般少于10-4），但由于），但由于它不必克服库仑势垒，所以与原子核撞击的机会比它不必克服库仑势垒，所以与原子核撞击的机会比粒子或质粒子或质子大得多。子大得多。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院10四四 慢中子效应和核裂变的发现慢中子效应和核裂变的发现1.1.慢中子效应的发现：慢中子效应的发现：19341934年年1010月，费米小组的阿玛尔迪等人月，费米小组的阿玛尔迪等人把一装在铅盒内的中子源放置在一个银制的圆筒里，对银进行把一装在铅盒内的中子源放置在一个银制的圆筒里，对银进行辐射，他们发现银的放射性随中子源的位置而变化，由于铅是

17、辐射，他们发现银的放射性随中子源的位置而变化，由于铅是重金属，费米建议他们用轻元素材料，如石蜡，于是他们把大重金属，费米建议他们用轻元素材料，如石蜡，于是他们把大块石蜡挖了个洞，将中子源放入，然后辐照银圆筒，结果银的块石蜡挖了个洞，将中子源放入，然后辐照银圆筒，结果银的放射性增加了放射性增加了100100倍。再放到水下做实验，证实水也有类似作倍。再放到水下做实验，证实水也有类似作用。费米经过分析，认为：由于石蜡中大量的氢核（质子）与用。费米经过分析，认为：由于石蜡中大量的氢核（质子）与中子质量相近，中子碰撞后速度大大减慢，成为慢中子。慢中中子质量相近，中子碰撞后速度大大减慢，成为慢中子。慢中子

18、经过银原子核的时间变长了，因此增加了中子被俘获的机会。子经过银原子核的时间变长了，因此增加了中子被俘获的机会。因为慢中子大大增强了轰击的效果，所以慢中子及其作用的发因为慢中子大大增强了轰击的效果，所以慢中子及其作用的发现为重核裂变的发现打下了基础。因此，人们将慢中子及其效现为重核裂变的发现打下了基础。因此，人们将慢中子及其效应的发现看作是应的发现看作是“核时代的起点核时代的起点”。费米简介：费米简介：美籍意大利物理学家，美籍意大利物理学家，19011901年年9 9月月2929日出生于意大日出生于意大利罗马。利罗马。1717岁时进入比萨大学，毕业时，他以岁时进入比萨大学，毕业时，他以X X射线

19、的专题论射线的专题论文获得博士学位。文获得博士学位。之后赴德国格丁根大学，拜玻恩为师，之后赴德国格丁根大学，拜玻恩为师，192419242004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院11 1934年，用中子轰击了年，用中子轰击了63种元素，种元素，得到了得到了37种放射性同位素。在实验种放射性同位素。在实验中，发现中，发现了慢中子及其效应。了慢中子及其效应。在用在用慢中子轰击原子核的反应中，他又慢中子轰击原子核的反应中，他又发现可生成新的元素。费米因利用发现可生成新的元素。费米因利用慢中子轰击原子核引起有关核反应慢中子轰击原子核引起有关核反应和利用中子辐射发现新的放射性元和利用中子辐射发现新

20、的放射性元素，获得了素，获得了1938年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。由于受法西斯迫害，借领诺贝尔奖由于受法西斯迫害，借领诺贝尔奖之机，携家移居美国，在哥伦比亚之机，携家移居美国，在哥伦比亚大学任教。大学任教。 在获奖之后，费米与一些科学在获奖之后，费米与一些科学家们在核裂变的链式反应研究中，家们在核裂变的链式反应研究中，同时预见到制造原子武器的危险。同时预见到制造原子武器的危险。年回意大利年回意大利佛罗伦萨大学佛罗伦萨大学任教任教，并因并因在理论物理学方面的贡献在理论物理学方面的贡献引起世界范围的注意。引起世界范围的注意。1926年，年，任罗马大学理论物理学教授，任罗马大学理论物理学教授

21、，1927年提出费米年提出费米-狄拉克统计理论，狄拉克统计理论，1933年提出年提出衰变理论。衰变理论。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院12当时德国的核裂变也已实验成功，他们非常担心德国首先用以当时德国的核裂变也已实验成功，他们非常担心德国首先用以制造原子弹，而美国的政界、军界却反应迟钝。于是，费米、制造原子弹，而美国的政界、军界却反应迟钝。于是，费米、西拉德等科学家于西拉德等科学家于1939年年8月一起找到了爱因斯坦，要求借助月一起找到了爱因斯坦，要求借助他的威望上书美国总统罗斯福，提醒政府要切实注意德国的动他的威望上书美国总统罗斯福，提醒政府要切实注意德国的动向和已出现的危

22、险，建议尽一切力量要赶在德国纳粹分子之前向和已出现的危险，建议尽一切力量要赶在德国纳粹分子之前造出原子弹，以消灭法西斯。上书信于造出原子弹，以消灭法西斯。上书信于10月月11日转到罗斯福手日转到罗斯福手中，他立即下令成立铀矿顾问委员会，并拨了研究经费，中，他立即下令成立铀矿顾问委员会，并拨了研究经费，1941年年12月月6日，日本偷袭珍珠港的前一天批准了制造原子弹的庞日，日本偷袭珍珠港的前一天批准了制造原子弹的庞大工程计划。为保密而取名大工程计划。为保密而取名“曼哈顿计划曼哈顿计划”。 1942年年12月月2日，以费米为首的一批美国科学家建造了第日，以费米为首的一批美国科学家建造了第一座原子反

23、应堆，人们利用原子能的时代从此开始。一座原子反应堆，人们利用原子能的时代从此开始。 1954年年11月月28日费米因胃癌逝世于美国的芝加哥，年仅日费米因胃癌逝世于美国的芝加哥，年仅53岁。为纪念他，第岁。为纪念他，第100号元素以他的名字命名为镄。号元素以他的名字命名为镄。 2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院132.2.核裂变的发现：核裂变的发现： 19341934年，当年，当费米小组费米小组用中子轰击铀用中子轰击铀2382389292U U时，得到了半衰期时，得到了半衰期为为1313分钟的一种放射性产物。经分析它不属于铅分钟的一种放射性产物。经分析它不属于铅- -铀之间的重铀之

24、间的重元素。元素。19341934年年5 5月费米在月费米在NatureNature上发表了一篇短文上发表了一篇短文原子原子序数高于序数高于9292的元素可能生成的元素可能生成，报道了可能是一种，报道了可能是一种“超铀超铀”元元素素9393。在随后的。在随后的4-54-5年里，人们又陆续年里，人们又陆续“发现发现”了超铀元素了超铀元素9494、9595、9696和和9797号号“超铀超铀”新元素。其实，这就是最早出现的重核新元素。其实，这就是最早出现的重核裂变现象。裂变现象。 在在“超铀超铀”元素的的研究中，德国和法国的科学家按照已元素的的研究中，德国和法国的科学家按照已知核反应规律，认为：当

25、中子轰击原子核时，原子序数将增知核反应规律，认为：当中子轰击原子核时，原子序数将增1 1，产生一新元素。但德国女化学家产生一新元素。但德国女化学家诺达克夫人诺达克夫人(T.Noddack)(T.Noddack)却提却提出不同看法，她认为：出不同看法，她认为：“当重核被中子轰击时，该核可能分裂当重核被中子轰击时，该核可能分裂成几大块。这些裂片无疑将是已知元素的同位素，而不是被辐成几大块。这些裂片无疑将是已知元素的同位素，而不是被辐照元素的近邻照元素的近邻”。但这一观点没有引起费米等人的注意，甚至。但这一观点没有引起费米等人的注意，甚至当时的放射性权威哈恩认为诺达克夫人的观点当时的放射性权威哈恩认

26、为诺达克夫人的观点“纯粹是谬论纯粹是谬论”。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院14 1938 1938年，年，伊伦伊伦- -居里和南斯拉夫的沙维奇居里和南斯拉夫的沙维奇(P.Savitch)(P.Savitch)进行进行了有关了有关“超铀超铀”元素的分离和分析实验。他们用中子轰击铀，元素的分离和分析实验。他们用中子轰击铀，产生了半衰期为产生了半衰期为3.53.5小时的放射性元素，其性质接近镧（镧原小时的放射性元素，其性质接近镧（镧原子序数为子序数为5757，后证实是镧，后证实是镧-141-141），于同年），于同年5 5月将实验结果发表月将实验结果发表在在科学院通讯科学院通讯上。

27、由于产生的放射性元素同铀和上。由于产生的放射性元素同铀和“超铀超铀”元素的差别太大，又没有意识到重核的分裂，于是放弃了实验。元素的差别太大，又没有意识到重核的分裂，于是放弃了实验。 当时德国化学家当时德国化学家哈恩哈恩及犹太血统的奥地利女化学家及犹太血统的奥地利女化学家迈特纳迈特纳(L.Meitner)(L.Meitner)也正在从事放射性研究。看到伊伦也正在从事放射性研究。看到伊伦- -居里的文章后居里的文章后认为他们一定是搞错了，于是立即重复了居里的实验，结果证认为他们一定是搞错了，于是立即重复了居里的实验，结果证实了伊伦实了伊伦- -居里和沙维奇的结果。亦即肯定在中子轰击重核时居里和沙维

28、奇的结果。亦即肯定在中子轰击重核时确有中间元素（镧和钡）产生。确有中间元素（镧和钡）产生。19391939年年1 1月，德国月，德国自然科学自然科学杂志上发表了哈恩和斯特拉斯曼的实验结果。杂志上发表了哈恩和斯特拉斯曼的实验结果。 哈恩写信将结果告诉为了避难正在斯德格尔摩诺贝尔研究哈恩写信将结果告诉为了避难正在斯德格尔摩诺贝尔研究所工作的迈特纳。迈特纳和她的侄子所工作的迈特纳。迈特纳和她的侄子弗里胥弗里胥(O.Frisch(O.Frisch，19341934年流年流亡国外，在玻尔理论物理研究所工作亡国外，在玻尔理论物理研究所工作) )对哈恩的结果进行了讨论。弗对哈恩的结果进行了讨论。弗里胥在玻尔

29、里胥在玻尔“液滴核模型液滴核模型”的启发下，想到：如果的启发下，想到：如果核被中子击核被中子击中中2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院15也许会以巨大的能量分裂。几天后，弗里胥回到哥本哈根，将也许会以巨大的能量分裂。几天后，弗里胥回到哥本哈根，将自己的想法告诉了自己的想法告诉了玻尔玻尔。玻尔听了十分高兴，惊呼：。玻尔听了十分高兴，惊呼：“正应该正应该如此如此”。于是弗里胥和迈特纳随即联名写文章，论证重核分裂。于是弗里胥和迈特纳随即联名写文章，论证重核分裂的产生。重核裂变的现象终于真相大白。的产生。重核裂变的现象终于真相大白。“裂变裂变(fission)”一词一词也由此产生。也由此产

30、生。3.3.链式反应：链式反应：重核裂变一经证实，人们立即转向由此可能释重核裂变一经证实，人们立即转向由此可能释放的核能。许多实验证实了理论预期的能量，但是要利用这一放的核能。许多实验证实了理论预期的能量，但是要利用这一巨大能量，必要条件是有可能产生自持的链式反应。巨大能量，必要条件是有可能产生自持的链式反应。 约里奥和他的同事们首先提出了约里奥和他的同事们首先提出了“中子过剩中子过剩”问题：轻核问题：轻核中子和质子数近于相等，中等核中子数略多，重核中子数比质中子和质子数近于相等，中等核中子数略多，重核中子数比质子数大的多。因此重核分裂成两个较轻核时，必然出现中子过子数大的多。因此重核分裂成两

31、个较轻核时，必然出现中子过剩。如果过剩的中子又去轰击重核，连锁反应即可发生。剩。如果过剩的中子又去轰击重核，连锁反应即可发生。 费米小组证明铀核每次裂变平均可产生费米小组证明铀核每次裂变平均可产生2 2个中子。他们选择个中子。他们选择铀铀235235核石墨做实验。并在军方的支持下开始了核石墨做实验。并在军方的支持下开始了曼哈顿工程。曼哈顿工程。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院16第一座原子反应堆第一座原子反应堆 1941年年12月开始，费米选择了芝加哥大学的一座运动场的月开始，费米选择了芝加哥大学的一座运动场的看台下做为实验区，开始了核反应实验。但有两个问题需要解看台下做为实验

32、区，开始了核反应实验。但有两个问题需要解决，一是把中子减速为慢中子，以提高核裂变的效率；重水是决，一是把中子减速为慢中子，以提高核裂变的效率；重水是很好的中子减速剂，但成本太高，普通水对中子减速太快，且很好的中子减速剂，但成本太高，普通水对中子减速太快，且有很强的吸收；最后选择石墨作为中子减速剂。二是严格控制有很强的吸收；最后选择石墨作为中子减速剂。二是严格控制核裂变的反应速度。最后选择了镉来吸收中子，以控制核裂变核裂变的反应速度。最后选择了镉来吸收中子，以控制核裂变速度。设计方案为将反应堆作成立方点阵形式，铀层和石墨层速度。设计方案为将反应堆作成立方点阵形式，铀层和石墨层间隔的布置在方阵中。

33、间隔的布置在方阵中。 1942年年12月月1日反应堆砌好，并达到临界状态。次日抽出日反应堆砌好，并达到临界状态。次日抽出控制用的镉棒，自持的链式反应产生了，得到的功率为控制用的镉棒，自持的链式反应产生了，得到的功率为0.5瓦。瓦。人类第一次实现了原子能的可控释放。人类第一次实现了原子能的可控释放。为了保密，他们用暗语为了保密，他们用暗语向美国国家保卫研究委员会主席通话说向美国国家保卫研究委员会主席通话说:“意大利航海家登上了意大利航海家登上了新大陆新大陆” 。从此开始了原子能利用的新纪元。从此开始了原子能利用的新纪元。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院17原原 子子 核核 物物

34、理理 学学 的的 兴兴 起起原子弹原子弹 原子弹利用的是没有催化剂且不加以控制的原子核裂变链原子弹利用的是没有催化剂且不加以控制的原子核裂变链式反应。美国动用了大量人力、物力，集结了世界大量的科学式反应。美国动用了大量人力、物力，集结了世界大量的科学人才。人才。 19451945年年7 7月月1616日，在阿拉莫多哥沙漠，爆炸了第一颗原子日，在阿拉莫多哥沙漠，爆炸了第一颗原子弹。爆炸产生了上千万度的高温，几百万个大气压，放置原子弹。爆炸产生了上千万度的高温，几百万个大气压，放置原子弹的钢塔顿时化成了气体。弹的钢塔顿时化成了气体。被炸后的广岛被炸后的广岛 杜鲁门政府决定用原子弹杜鲁门政府决定用原

35、子弹征服死不投降的日本。征服死不投降的日本。 19451945年年8 8月月6 6日第一枚原子日第一枚原子弹投在广岛，弹投在广岛，8 8月月9 9日又在长崎日又在长崎投了第二颗，广岛死投了第二颗，广岛死78,15078,150人人，长崎死，长崎死23,70023,700人。人。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院18原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起氢弹氢弹 前苏联于前苏联于19491949年年2 2月月2222日，爆炸了第一颗原子弹。日，爆炸了第一颗原子弹。英国于英国于19521952年年1010月月3 3日、法国于日、法国于19601960年年2 2月月131

36、3日、中国日、中国于于19641964年年1010月月1616日，分别爆炸了第一颗原子弹。日，分别爆炸了第一颗原子弹。氢弹氢弹 继原子弹后，又制造继原子弹后，又制造了威慑能力更大的氢弹。了威慑能力更大的氢弹。我国政府提出了不首先使我国政府提出了不首先使用核武器倡议，并在用核武器倡议，并在19961996年宣布停止核试验。全世年宣布停止核试验。全世界现已拥有核弹头界现已拥有核弹头5 5万多万多个，相当于广岛原子弹的个，相当于广岛原子弹的100100万倍。万倍。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院194.核能的应用核能的应用1)原子能发电站原子能发电站 1954年年6月月27日，前苏联

37、在莫斯科附近首先建成，现已日，前苏联在莫斯科附近首先建成，现已有有40多个国家拥有多个国家拥有400多座核电站。核电站虽然一次性投资多座核电站。核电站虽然一次性投资较大，但以后核电的成本低，比火电成本低较大，但以后核电的成本低，比火电成本低30%左右，核电左右，核电站还具有由运行安全，环境污染小等优点，所以已经在美、站还具有由运行安全，环境污染小等优点，所以已经在美、法、日、德、俄等国广泛采用。法、日、德、俄等国广泛采用。2)2)用于农业用于农业 螺旋虫曾在美国南部和墨西哥肆虐，能在家畜中产卵，螺旋虫曾在美国南部和墨西哥肆虐，能在家畜中产卵，害死家畜。繁殖极快。美国以毒攻毒，将螺旋虫用核辐射处

38、害死家畜。繁殖极快。美国以毒攻毒，将螺旋虫用核辐射处理，使之无生育能力，但能交配，理，使之无生育能力，但能交配，18个月内，每星期播放个月内，每星期播放5千万只这样的虫子，整个地区螺旋虫被消灭。千万只这样的虫子，整个地区螺旋虫被消灭。原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院20原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起5.核物理的发展核物理的发展 一方面表现为向一方面表现为向凝聚态物理凝聚态物理、天体物理天体物理和和核核技术应用技术应用发展，另一方面为核物理自身的发展，对发展，另一方面为核物理自身的发展，对核的研究，已从低激

39、发态到研究高激发态和高自旋核的研究，已从低激发态到研究高激发态和高自旋态，核物理学的发展和应用仍旧有着广阔的前景。态，核物理学的发展和应用仍旧有着广阔的前景。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院212004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院22五五 正电子的发现正电子的发现 安德逊安德逊(C.D.Anderson)：美国加州理工学院密立根教授的学：美国加州理工学院密立根教授的学生，生，1930年起负责用云室观测宇宙射线。云室置于磁场中。为年起负责用云室观测宇宙射线。云室置于磁场中。为了鉴别宇宙射线的性质，在云室中安有几块金属板，粒子穿过了鉴别宇宙射线的性质，在云室中安有几块金

40、属板，粒子穿过金属板，就可区别其能量。金属板，就可区别其能量。1932年年8月月2日，安德逊在照片中发日，安德逊在照片中发现一条奇特的径迹，与电子的径迹相似，却又具相反的方向，现一条奇特的径迹，与电子的径迹相似，却又具相反的方向，显示这是某种带正电的粒子。从曲率判断，又不可能是质子。显示这是某种带正电的粒子。从曲率判断，又不可能是质子。于是他果断得出结论：这是带正电的于是他果断得出结论：这是带正电的 电子。安德逊因此获得电子。安德逊因此获得1936年的饿诺贝尔物理学奖。当时他并不了解狄拉克的电子理年的饿诺贝尔物理学奖。当时他并不了解狄拉克的电子理论，也不知道狄拉克预言过正电子的存在。论，也不知

41、道狄拉克预言过正电子的存在。 1928年，狄拉克从相对论和量子力学的一般原理出发，建年，狄拉克从相对论和量子力学的一般原理出发，建立了相对论电子波动方程立了相对论电子波动方程-狄拉克方程。但狄拉克方程有四个狄拉克方程。但狄拉克方程有四个解，其中两个正解分别对应正能态的电子的两个自旋态。狄拉解，其中两个正解分别对应正能态的电子的两个自旋态。狄拉克预言，另两个解应对应于电子负能态的克预言，另两个解应对应于电子负能态的“空穴空穴”-即反电即反电子。子。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院23六六 中微子的发现中微子的发现1.1.中微子概念的提出：中微子概念的提出：中微子概念的提出，与原子

42、核的中微子概念的提出，与原子核的衰变衰变有直接联系。有直接联系。19141914年查德威克证明年查德威克证明射线和射线和射线德能谱是分射线德能谱是分立的，在衰变中发射德粒子所带走德能量正好与原子核初态末立的，在衰变中发射德粒子所带走德能量正好与原子核初态末态的能量差相等。然而，态的能量差相等。然而，射线的能谱是连续的。也就是说，射线的能谱是连续的。也就是说，衰变发射出来的电子能量从零到最大值都有分布。有些电子衰变发射出来的电子能量从零到最大值都有分布。有些电子的能量竟会小于初态与终态的能量差。那部分能量哪去了？的能量竟会小于初态与终态的能量差。那部分能量哪去了？ 19301930年泡利提出：年

43、泡利提出：“只有假定在只有假定在衰变过程中，伴随每一衰变过程中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子（称之为中子）一起被发射出来，个电子有一个轻的中性粒子（称之为中子）一起被发射出来，使中子和电子的能量之和为常数，才能解释连续使中子和电子的能量之和为常数，才能解释连续谱。谱。”这里这里泡利指的中子即是中微子。泡利指的中子即是中微子。 费米接受了泡利的假说，并于费米接受了泡利的假说，并于19341934年提出弱相互作用的年提出弱相互作用的衰变理论。费米认为，正象光子在原子或原子核从一个激发态衰变理论。费米认为，正象光子在原子或原子核从一个激发态跃迁到另一个激发态时产生的那样，电子和中微子是在跃迁到另

44、一个激发态时产生的那样，电子和中微子是在衰变衰变中产生的。中产生的。- -衰变的本质是核内一个中子变为一个质子；衰变的本质是核内一个中子变为一个质子；2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院24+ +衰变是一个质子变为一个中子。质子和中子可以看作是一衰变是一个质子变为一个中子。质子和中子可以看作是一个核子的两个不同状态，因此质子和中子之间的转变，就相当个核子的两个不同状态，因此质子和中子之间的转变，就相当于一个量子态跃迁到另一个量子态，在跃迁过程中同时放出电于一个量子态跃迁到另一个量子态，在跃迁过程中同时放出电子和中微子。他们事先并不存在于核内，导致产生光子的是电子和中微子。他们事先并

45、不存在于核内，导致产生光子的是电磁相互作用，导致产生电子和中微子的是一种新的相互作用磁相互作用，导致产生电子和中微子的是一种新的相互作用弱相互作用。弱相互作用。 + +衰变就是衰变就是约里奥约里奥-居里夫妇发现的发射正电子的人工放居里夫妇发现的发射正电子的人工放射性。射性。 同年，维克同年，维克(G.C.Wick)(G.C.Wick)指出，在费米理论的相互作用里，指出，在费米理论的相互作用里，允许原子核里发生如下过程：允许原子核里发生如下过程：PPn n+ +e e+ + +e e ；他还预言可能会；他还预言可能会有轨道电子的俘获过程，这个过程于有轨道电子的俘获过程，这个过程于19381938

46、年被阿尔瓦雷兹年被阿尔瓦雷兹(L.W.Alvarez)(L.W.Alvarez)观察到。观察到。2.2.中微子的间接验证：中微子的间接验证：中微子不带电，只参与弱相互作用，且中微子不带电，只参与弱相互作用，且穿透能力极强，几乎可以不受任何阻碍的穿过地球，所以中微穿透能力极强，几乎可以不受任何阻碍的穿过地球，所以中微子的探测十分困难。子的探测十分困难。19411941年，我国物理学家王金昌首先提出了年，我国物理学家王金昌首先提出了一个间接探测中微子的方法。一个间接探测中微子的方法。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院25他指出：他指出：“当一个当一个+ +放射性原子不是放射一个正电子

47、，而是放射性原子不是放射一个正电子，而是俘获一个层电子时，反应后的原子的反冲能量和动量仅仅取俘获一个层电子时，反应后的原子的反冲能量和动量仅仅取决于所放出的中微子。原子核外电子的效应可以忽略不计。因决于所放出的中微子。原子核外电子的效应可以忽略不计。因此，只要测量反应后原子的反冲能量和动量，就很容易求得放此，只要测量反应后原子的反冲能量和动量，就很容易求得放射出的中微子的质量和能量。而且由于没有连续的射出的中微子的质量和能量。而且由于没有连续的射线被放射线被放射出来，这种反冲效应对所有的原子都是相同的。射出来，这种反冲效应对所有的原子都是相同的。”19421942年，美国物理学家艾伦年，美国物

48、理学家艾伦(J.S.Allen)(J.S.Allen)按上述方案进行按上述方案进行了测量，取得了肯定的结果，但未完全成功。了测量，取得了肯定的结果，但未完全成功。19521952年又重新进年又重新进行了实验，测出了原子的反冲能。带维斯行了实验，测出了原子的反冲能。带维斯(R.Davis)(R.Davis)也成功地也成功地重复了艾伦重复了艾伦19421942年的实验。年的实验。 这样，通过间接的实验证实了中微子的存在。这样，通过间接的实验证实了中微子的存在。3.3.中微子的直接检测：中微子的直接检测：在核反应中，中微子的发射数量级极大，在核反应中，中微子的发射数量级极大，通过对核裂变产物的探测，

49、有可能确证中微子的存在。通过对核裂变产物的探测，有可能确证中微子的存在。19561956年，年，洛斯洛斯阿拉莫斯实验室的美国物理学家柯恩阿拉莫斯实验室的美国物理学家柯恩(C.Cowan)(C.Cowan)核莱因斯核莱因斯(F.Reines)(F.Reines)首先在核反应堆中检测到。首先在核反应堆中检测到。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院26他们设计了一个规模巨大的实验方案，他们研究他们设计了一个规模巨大的实验方案，他们研究下面反应过程下面反应过程通过探测出反应产物：正电子通过探测出反应产物：正电子e e+ +和中子和中子n n ，并测出确切的反中，并测出确切的反中微子与质子微

50、子与质子p p的反应截面，就可以证明反中微子的存在。通过艰的反应截面，就可以证明反中微子的存在。通过艰苦的工作，他们终于在苦的工作，他们终于在19561956年宣布实验结果与理论预期相符。年宣布实验结果与理论预期相符。4.4.中微子的研究进展：中微子的研究进展：19621962年，美国的施瓦茨年，美国的施瓦茨(M.Schwartz)(M.Schwartz)等等人通过加速器进行实验，又证实了两种不同的中微子人通过加速器进行实验，又证实了两种不同的中微子e e；7070年代中期，美国的佩尔年代中期，美国的佩尔(M.L.Perl)(M.L.Perl)小组在小组在APEARAPEAR的正负电子对的正负

51、电子对撞机中又发现了另外两种中微子撞机中又发现了另外两种中微子和反和反。至此，中微子。至此，中微子就有了六个且只有六个：就有了六个且只有六个： 。nep、ee5.5.中微子的质量：中微子的质量：对中微子的质量是否为零，一直存在质疑，对中微子的质量是否为零，一直存在质疑，原因有两个方面：若中微子的质量不为零，存在中微子振荡，原因有两个方面：若中微子的质量不为零，存在中微子振荡，则太阳中微子失踪之谜就揭开了；有关暗物质问题。天体当则太阳中微子失踪之谜就揭开了；有关暗物质问题。天体当中有些物质看不见，但存在，称为暗物质。暗物质是什么中有些物质看不见，但存在，称为暗物质。暗物质是什么? ?2004-1

52、2-8山东师范大学物理与电子科学学院27可能是黑洞、死星、宇宙尘埃或某种气体等，已经知道暗物质可能是黑洞、死星、宇宙尘埃或某种气体等，已经知道暗物质不是由重子组成，若中微子质量不为零，则可能中微子是其组不是由重子组成，若中微子质量不为零，则可能中微子是其组成之一。到目前为止，中微子质量的测量仍在继续中，但实验成之一。到目前为止，中微子质量的测量仍在继续中，但实验检测只能减小中微子质量的上限，如目前已经测量到：检测只能减小中微子质量的上限，如目前已经测量到：MeVmMeVmeVmv84,25. 0,102004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院28七七 介子理论的建立介子理论的建立 在原子

53、核性质的研究过程中，人们逐渐明确了核力与核子在原子核性质的研究过程中，人们逐渐明确了核力与核子是否带电无关，核子之间的相互作用是一种短程力，其作用范是否带电无关，核子之间的相互作用是一种短程力，其作用范围约为围约为10-13厘米。这种力远比电荷间的电磁相互作用强大，因厘米。这种力远比电荷间的电磁相互作用强大，因此不能简单的归结为电磁相互作用，而是一种强相互作用。此不能简单的归结为电磁相互作用，而是一种强相互作用。1.汤川的预言：汤川的预言：1935年，日本物理学家汤川秀树年，日本物理学家汤川秀树(H.Yukawa)提出介子理论，用于解释强相互作用。他认为，核子之间是通提出介子理论，用于解释强相

54、互作用。他认为，核子之间是通过交换一种可称为介子过交换一种可称为介子(meson)的粒子发生相互作用。并根据的粒子发生相互作用。并根据核力的作用范围，估算出介子的静止质量约为电子的二百多倍。核力的作用范围，估算出介子的静止质量约为电子的二百多倍。1949年获得诺贝尔物理学奖。年获得诺贝尔物理学奖。2.介介子的发现：子的发现：19371937年安德森核尼德迈耶年安德森核尼德迈耶(S.H.Neddemeyer)(S.H.Neddemeyer)在宇宙射线的研究中发现了质量约为电子的在宇宙射线的研究中发现了质量约为电子的207207倍的新粒子，倍的新粒子，称为称为介子。但由于介子。但由于介子与原子核的

55、相互作用很弱，不可能介子与原子核的相互作用很弱，不可能是汤川所预言的介子。是汤川所预言的介子。19471947年，英国物理学家鲍威尔年，英国物理学家鲍威尔(C.F.Powell)(C.F.Powell)用核乳胶技术探测宇宙射线，发现了另一种粒子，用核乳胶技术探测宇宙射线，发现了另一种粒子，质量为电子的质量为电子的273273倍，称为倍，称为介子。介子。 介子才是汤川预言的介介子才是汤川预言的介子。子。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院29八八 奇异粒子的研究奇异粒子的研究1.发现：发现：1947年，在宇宙射线的研究年，在宇宙射线的研究中，罗切斯特中，罗切斯特(G.D.Roeche

56、ster)和巴和巴特勒特勒(C.C.Butler)首先在曼彻斯特大首先在曼彻斯特大学用云室观察到了奇异的学用云室观察到了奇异的“V”型事型事件：如右图示，虚线表示电中性粒件：如右图示，虚线表示电中性粒子子V0，实线为带电粒子。根据他们，实线为带电粒子。根据他们在磁场中的偏转曲率和电离密度，在磁场中的偏转曲率和电离密度，可知可知V0的产物是的产物是p和和- -。 1954年，在美国布鲁克海汶实验室，年，在美国布鲁克海汶实验室，3GeV同步质子加速同步质子加速器投入使用，开始实现了人工产生器投入使用，开始实现了人工产生“V”型粒子，这些粒子的型粒子，这些粒子的性质才得以研究。由于这些粒子有自己奇特

57、的性质，所以称性质才得以研究。由于这些粒子有自己奇特的性质，所以称为奇异粒子。比核子重的奇异粒子又称超子，如为奇异粒子。比核子重的奇异粒子又称超子，如、+ +、0 0、- -、0 0、- -等，表示为等，表示为V V0 01 1；比核子轻又比；比核子轻又比介子重的介子介子重的介子则用则用V V0 02 2表示，如表示，如K+、K0、K-、等。等。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院302.奇异粒子的两个特性：奇异粒子的两个特性：协同产生、非协同衰变：即协同产生、非协同衰变：即在在碰撞碰撞过程中，它们总是同时产生，可是衰变时却独立的进行，最终过程中，它们总是同时产生，可是衰变时却独立

58、的进行，最终成为普通粒子；成为普通粒子；快产生，慢衰变（强产生，弱衰变）。奇异快产生，慢衰变（强产生，弱衰变）。奇异粒子的产生过程是强相互作用过程，截面很大，碰撞的时间量粒子的产生过程是强相互作用过程，截面很大，碰撞的时间量级为级为10-24S，而衰变是弱相互作用过程，或电磁相互作用过程，而衰变是弱相互作用过程，或电磁相互作用过程，所以奇异粒子的平均寿命都较长，是稳定粒子。所以奇异粒子的平均寿命都较长，是稳定粒子。 1953年，盖尔曼年，盖尔曼(M.Gell-Mann)和西岛和西岛(NiShijima)用一新用一新的量子数的量子数奇异数奇异数来表示这一特性，并假定在强相互作用中奇来表示这一特性

59、，并假定在强相互作用中奇异数守恒，而在弱相互作用中奇异数可以不守恒，从而解释了异数守恒，而在弱相互作用中奇异数可以不守恒，从而解释了奇异粒子的协同产生非协同衰变的实验事实。奇异粒子的协同产生非协同衰变的实验事实。3.3.- -疑难：疑难：当时对最轻的奇异粒子（现在称为当时对最轻的奇异粒子（现在称为K K介子）的介子）的衰变过程发现了一个疑难：质量、寿命、电荷都相同的两种粒衰变过程发现了一个疑难：质量、寿命、电荷都相同的两种粒子子-介子和介子和介子，介子，衰变时，衰变时，衰变为两个衰变为两个介子，介子，它们的它们的宇称为正宇称为正；衰变为衰变为3 3个个介子介子，它们的宇称则为负它们的宇称则为负

60、。也就是也就是说说粒子与粒子与粒子衰变时，表现出具有完全相反的宇称。粒子衰变时，表现出具有完全相反的宇称。鉴于鉴于质量、寿命和电荷都相同，这两种粒子应为同一种，但从其衰质量、寿命和电荷都相同，这两种粒子应为同一种，但从其衰变行为看，如果宇称守恒，则变行为看，如果宇称守恒，则和和就不可能是同一种粒子。就不可能是同一种粒子。2004-12-8山东师范大学物理与电子科学学院31 1956年的夏天，年的夏天，杨振宁与李政道杨振宁与李政道一起，查阅了当时已有的一起，查阅了当时已有的关于关于“宇称守恒宇称守恒”这个概念的实验基础以后，这个概念的实验基础以后，指出指出：这一疑难这一疑难的关键在于人们认为微观