浅论原子核物理的发展

1、浅谈原子核物理的发展院系：理学院年级：09 级专业：物理学姓名：学号：教师：浅谈原子核物理的发展(理学院 2009物理学 20090205011)摘要： 远在公元前4世纪，希腊哲学家留基伯和他的学生德漠克利特已经提出原子的概念。他们认为 万物都是由大量不可分割的微小质点所组成，他们把这样的微小质点叫做原子。原子除有大小、形状和 位置的差异外，没有区别。原子遵照一定的规律在虚空中不断运动。它们集合在一起时便形成物体，分 离时物体便消失。在当时这仅是一种猜想而已，无法用实验证实。但是这个说法跟一切物体都能粉碎的事 实是相吻合的。原子说在中世纪受到宗教和神学的压制，没有得到发展。到了 17世纪，随着

2、化学的发展， 这种观点又重新传播起来了。关键字：原子、原子模型、原子核放射性、中子、核素引言：原子核物理是物理学的一个分支，主要研究物质结构的一个层次；这个层次介于原子和粒子物理两 层次之间，称之为原子核。原子核物理是本世纪初开始形成的一门学科，它随着近代物理学的发展，随社 会对核技术应用的需要发展起来。一、原子模型的提出1.1 “原子”一词来自希腊文，含义是“不可分割的”。公元前四世纪，古希腊哲学家德谟 克利特(Democritus)提出了这一概念，并把它当作物质的最小单元。17世纪，通过卡文迪 许和拉瓦锡等许多化学家的工作，发现了水可分解为氧和氢两种元素；空气是由氧、氢和氮 等元素混合而成

3、的，燃烧只不过是元素和氧起激烈反应等等。随着几十种元素的发现，英国 化学家道尔顿提出了新的原子学说。他认为物质是由许多种类不同的元素所组成，元素又由 非常微小的，不可再分的、不能毁灭又不能创生的原子所组成。物质不灭定律等。道尔顿的原子说是根据事实概括的结果，能够用来研究和发现新的现象， 因此比古代原子说更进一步。19世纪后半期，分子运动论有了进一步发展，人们逐步建立 起近代的原子分子学说。但是原子分子是否存在，一直没有用实验证实。1905年，爱因斯坦用分子运动论的观点从理论上解释布朗运动获得成功，他还提出了测定 分子大小的新方法。1908年，法国物理学家佩林按爱因斯坦的方法，用实验测定了分子的

4、 大小，结果跟爱因斯坦预言的一致，终于在科学界确认了现代分子原子学说。1897年汤姆逊发现了电子，并证明了电子是各种元素的基本组成部分。1903年卢瑟福和化 学家索迪合作，通过实验发现了一种物质可以变成另一种物质，提出了原子自然衰变的理论。 这些事实打破了道尔顿以来人们认为原子不可再分割的观念。1898年，Thomson提出了 “布丁模型”(也被称为“西瓜模型”)Thompson plum pudding model of the atomNegative electron plums1.2长冈半太郎的土Positive puddingCat5/flght2DOD Benjamin/Cummi

5、rg-e. an Imprint tA Addison 州白龄丫 LBfigman. l-ne星模型1903年，德国物理学家林纳德(P. Lenard)在实验中发现“原子内部是十分空虚的”。在P. Lenard的基础上，长冈半太郎(Hantaro Nagaoka)提出了原子的土星模型，认为原子内 的正电荷集中于中心，电子绕中心运动，但他没有深入下去。长冈的土星模型P. Lenard (18621947), 1905年诺贝尔物理奖得主。1.3卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型原子核(也被称为“卢瑟福行星模型”)1909年，英国物理学家卢瑟福(E. Rutherford)在他的学生盖革(H. Geige

6、r)和马斯登(E.Marsden)的协助下，发现a粒子轰击原子时，大约每八千个a粒子中有一个被反射回来。汤 姆逊模型无法对该实验结果做出解释。卢瑟福根据实验结果于1911年提出了原子的“核式结 构模型” 卢瑟 结构 解释 实验 比汤 符合卢瑟福的“行星模型”的虽然可以解释 粒子散射实验结果，但该模型却无法解释原子的稳 定性，无法解释氢原子光谱的规律。为了解释上述问题，卢瑟福的一个学生丹麦物理学家尼尔斯-玻尔(NilesBohr)在卢 瑟福的“行星模型”的基础之上于1913年提出了原子的量子理论，即“玻尔模型”。1.4玻尔的原子模型(Bohr s Atom)尼尔斯玻尔(Niles Bohr),丹

7、麦人，二十世纪世界最伟大的物理学家之一，量子理论的 主要奠基人。1922年诺贝尔物理奖得主。vmltB- BhsorlK Ih 一 eniergy ch-Hingl ngihci orbi相“玻尔理论后经索末菲等人的改进。索末菲从实验事实出发，将电子绕核轨道从单一的圆轨道， 推广到椭圆轨道。并且他还发现轨道在空间的取向也是量子化的，从而引入了主量子数、角 量子数和磁量子数的概念。1920年索末菲又引入了第四个量子数。这第四个量子数直到1925 年才被科学家弄清楚，原来是绕核旋转的电子的自旋量子数。1925年泡利在研究四个量子数跟原子核外电子排布的关系时，发现了泡利不相容原理：在同 一原子内，在

8、一个原子中不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数(n, l, ml, ms)。利用玻尔、索末菲理论加上泡利不相容原理可以成功地解释核外电子的排布。至 此原子物理学完全建立了起来。原子核的放射性原子核物理学的发展是和19世纪末以来原子物理学的发展交织在一起的。自1896年贝克勒耳 发现铀盐的放射性之后，一些科学家着手寻找其他新的放射性元素。其中最有成就的数居里 夫妇了，通过他俩的艰苦努力，发现了镭和针。另一些科学家着重研究放射性物质放出的射 线性质以及射线和物质本身的关系。研究工作也取得了累累硕果。卢瑟福弄清了放射性物质 放出射线含有三种成分，即a射线、6射线和y射线。并弄清了a射

9、线带正电；6射线带负 电，Y射线不带电。2.1放射性的发现1895年11月8日，德国物理学家伦琴(W. K. R ntgen)发现X射线。1896年1月20日，法国的 著名数学物理学家彭加勒(J. H. Poincare)在法国科学院的会议上介绍了乂射线的发现情况。 物理学家贝克勒尔与彭加勒对乂射线的产生机理进行了讨论。彭加勒猜测X射线可能是伴随着 荧光发出的。第二天，H. Becquere就开始对X射线与荧光的关系进行研究。1896年2月24日 他在一篇报告中描述到：他用两张黑纸包住一张感光底片，在黑纸上放一块铀盐板，然后一 起放到太阳光下曝晒几小时。显影之后，他发现在底片上留下了阴影。这似

10、乎“证明”了彭加勒的猜测3月2日科学院又要开会，贝克勒尔想在会上报告自己的研究工作，所以准备再做一次实验， 但2月26日和27日巴黎是阴天，直到3月1日天仍然阴沉沉，太阳始终没露面。贝克勒尔因无 法进行实验而感到沮丧，但没想到却因祸得福，证明了乂射线和荧光没关系。后来，贝克勒 尔研究了不同状态下的铀盐，他发现它们都具有相同的性质，它们发出的是一种不同于荧光 和X射线的新射线。5月18日，他报告了他的研究结果。人们把他发现的射线称为“铀射线。 贝克勒尔的发现由于居里夫妇的工作而得到了迅速的发展。1897年，居里夫人选择放射性作 为自己的博士论文题目。1898年，她断定钍也是放射性元素。居里夫人相

11、信，既然不止一种 元素能自发地放出辐射，肯定它具有普遍性。就此，她提出了具有普遍意义的“放射性 (Radioactivity) ”这个崭新的概念和术语。居里夫人发现铀矿渣中含有一种放射性比铀还 要强的未知元素，1898年7月居里夫人从沥青铀矿中提取出了一种新的放射性元素，并命名p+7Li ra +a3为针(Polonium)。发现针之后，居里夫妇开始了科学史上最艰难、最悲壮同时也是最辉煌的 镭的提炼。苦战四年之后，他们于1902年从数吨矿渣中提炼出了0.1克纯镭盐(氯化镭)，并 测出了镭的原子量。2.2 a、B和Y射线的研究1898年，卢瑟福在实验中发现“铀射线的成份是复杂的，其中至少包含两种

12、不同的辐射， 一种非常容易被吸收，他称之为a射线；另一种具有较强的贯穿本领，称之为6射线。他的 这一成果发表于1899年。1900年，贝克勒尔通过实验确定6射线就是高速电子。Y射线是 由法国物理学家维拉德(Paul Villard)于1900年发现的，后来被证实为一种高频电磁辐射。 1903年，卢瑟福利用自制仪器发现a射线在磁场作用下发生偏转，并从方向上断定a射线粒 子带正电。1909年，卢瑟福以巧妙的方法从光谱上判断出a粒子就是氮原子核。1913年索迪 正确地归纳出放射性物质衰变时的位移法则：放出a射线时，生成的元素在周期表里原子序 数减少2。放出6射线时，原子序数增加1。同年，英国物理学家

13、莫塞莱通过对各种元素X射 线特征谱的研究，指出原子序数就是原子核所带正电荷数，这一发现对元素周期表构造理论 的发展起了相当大的推动作用。三、几个著名的核反应1902年，卢瑟福和化学家索迪(F. Soddy)合作，大胆地提出原子嬗变(atom transmutation) 假说。该假说认为放射性物质是由一些不稳定的原子组成的，每单位时间都有确定的一部分 原子通过发射(a、6和y)射线而蜕变成其它元素；也就是说，元素也有一个“进化”过程。 原子嬗变理论打破了 “原子是不可分割的”哲学和化学思想，确立了元素之间可以转换的观 念。在此之前，原子转变的现象仅限于天然范围。人们自然会问，是否有可能用人工的

14、方法 进行原子转变，以实现自古以来人类幻想的“点石成金”呢？3.1历史上第一个人工核反应(导致质子的发现)1919年，卢瑟福继承了他的老师汤姆逊的剑桥大学卡文迪许实验室主任的职务。同年他采用 如下装置利用212P。放出的a粒子去轰击N原子，实现了历史上第一个人工核反应。卢瑟福在实验中实现了下述核反应：这是人类历史上第一次人工实现的“点金术”，使一种元素转变成了另一种元素。卢瑟福发 现许多元素在a粒子轰击下都可放射出“带正电的氢原子”。因此认为所有元素的原子核中 都存在这种带正电的粒子，并于1920年将其命名为“质子(proton)，符号为p”。3.2导致发现中子的核反应1920年，卢瑟福提出了

15、中子假说，认为原子核中除了质子外，可能还存在一种由电子和氢核 组成的不带电的中性粒子，他称为“双子(doublet)”。1930年，德国物理学家玻特(W. Bothe) 和他的学生贝克尔(H. Becker)发现，用a粒子轰击铍9(9Be)时，会产生一种穿透能力极强a+ 27Al T 30 P + n1315的中性射线，他们认为这种中性射线是Y射线(实际上是中子！)随后不久，约里奥-居里夫 妇也进行了这一实验，并让反应物打在含氢的石蜡上，发现有质子被从石蜡中击出。他们认 为这是由Y光子引起的“康普顿效应”。就这样，玻特和约里奥-居里夫妇都错过了发现中子 的机会！3.3第一个在加速器上实现的核反

16、应a +14 N T 17 O + 1H7811932年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的科克罗夫特(J. D. Cockcroft)和瓦尔顿(E. T. S. Walton)利用他们自己发明的“科克罗夫特瓦尔顿加速器”加速质子，然后轰击锂，实现 了下述核反应(二人因此荣获1951年Nobel物理奖):在这一反应中输入的能量是0.5MeV，输出能量为17.8MeV。这表明从原子核中可以释放出能 量。人工放射性的发现，为人类开辟了一个新领域。从此，科学家们不必再只依靠自然界的 天然放射性物质来研究问题，大大地推动了核物理学的发展。约里奥-居里夫妇因此于1935 年被授予Nobel化学奖。3.4产生第

17、一个人工放射性核素的反应1934年，约里奥-居里夫妇发表文章宣布观察到了人工放射现象，他们完成了如下核反应：四、重核的裂变和轻核的聚变4.1.1 “超铀元素”之谜1934年，约里奥-居里夫妇发现人工放射性的消息传到罗马，使费米想到用中子作为入射粒 子要比a粒子有效得多。(这是因为中子不带电，不会受到强的电的斥力阻止它进入原子核 内。)他按元素周期表的顺序依次轰击各种元素，看一看哪些元素可产生人工放射性。1934 年5月，费米研究组用中子轰击当时周期表上的最后一个元素铀得到了一种半衰期为13分钟 的放射性产物。经分析这种产物不属于从铅到铀之间的那些元素。费为认为有可能是产生了 “超铀元素”(原子

18、序数大于92的元素叫超铀元素)，但他没有完全确定。(实际上是铀235 分裂成了两个中等原子序数的元素的同位素)。“超铀元素”的问题历经四、五年也未被研究 清楚，但在此其间却有好几个研究机构“证实”了费米的推测。“超铀元素”的说法竟然在 一段时间内得到了公认。只有一位名叫伊达 诺达克(Eda Noddack)的年轻的德国女化学 家对“超铀元素”表示怀疑，她在934年9月发表文章说：“可以想象，当重核被子中子轰击 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，而不是被轰击的元素的 近邻。”但她只是做了猜测，既没做实验，也没分析他人的结果。慢中子的作用1934年10月，费米的同事阿玛尔

19、迪(E. Amaldi)等人把中子源放入银质圆筒，再把圆筒置于 铅盒里。他们发现银产生的放射性并不总是一样的，当把圆筒放在铅盒中央或一角时，它就 有所不同。费米建议在铅盒外边辐照圆筒，看会出现什么情况。他们发现圆筒周围的东西似 乎会影响它的放射性。例如，若把它放在木桌上用中子辐照，它产生的放射性就要比它放在 一块金属上时更大。他们把中子源放在圆筒外面，并在二者之间插入铅板，发现放射性略微 增加，费米提出用石蜡把中子源和银筒隔开，看看结果如何。1934年10月22日，他们在一大 块石蜡中挖出一个空穴，然后把中子源放入空穴里辐照银筒，结果发现放射性提高了100倍。 费米利用午休时间对实验现象进行了

20、分析，认为是石蜡中存在氢原子，而氢核正是一个质子， 其质量与中子几乎相等，中子与氢核发生弹性碰撞，速度大大降低，被银原子核俘获的机会 增多，因此放射性产物也将大大地增加。为了验证费米的想法，他们又把实验装置放入了物 理系主任私人花园的水池中进行了实验，结果放射性也加强了，证明了费米的慢中子推断。 可怜的鱼儿，不知不觉中竟无端遭受了 “核武器的攻击！当晚他们在阿玛尔迪家中聚会， 女佣偷偷问主人“客人们是否都喝醉了”。4.2重核裂变的发现1937年，伊伦娜居里和萨维奇(P. Savitch)在用中子辐照铀盐时，发现产物中有一种物质很 象镧。1938年5月他们发表文章说：“用中子辐照的铀中，产生了一

21、种放射性元素，其化学性 质很象镧.它或许也是一种超铀物质，但我们暂还未确定其原子序数。”德国化学家哈恩(Otto Hahn)看到了伊伦娜居里的文章，认为她搞错了，就和助手斯特拉斯曼(F. Strassmann)立即 重复这一实验。1938年12月中旬，他们经分析确认产物中存在钡。哈恩随后写信向已逃往瑞 典的以前的合作者梅特纳报告实验结果。梅特纳看到信后很惊讶，她和外甥弗里希(Otto Frisch)给出了这一过程的理论解释：“铀核好比是一个时刻颤动的液滴，当一个慢中子击中 它时，核就振动起来并有可能被拉长，拉长了的核液滴更易于受到内部的电的斥力作用，两 个小核液滴互相排斥，越离越远，最终中间断

22、裂，成为两个小核。”他们预言是钡和氪。此 外，梅特纳还根据反应前后物质质量不同，计算出了反应中放出的巨大能量。4.3链式反应1939年3月中旬，在美国工作的著名物理学家西拉德(Leo Szilard)和费米(他利用领取诺贝 尔奖的机会于1939年初举家逃到美国)先后证实铀核裂变时可以释放出两个以上的中子。这 表明核裂变时有可能发生链式反应。链式反应(Chain Reaction)是指：当一个中子击中铀核时，铀核裂变，释放出大量能量，同 时还会放射出两到三个中子，这些中子又会诱发新的裂变，这样不断进行下去，直到全部铀 原子裂变完为止。1941年底，在物理学家康普顿(Arthur Compton)

23、的组织协调下，费米主持了原子反应堆的建 造和实验。要实现可控链式反应，必须解决两个关键问题：一，要有合适的减速剂，把快中子转变为慢中子。重水(D2O)效果虽好，但太难以制备。费米 和西拉德建议用石墨(即碳，C)。二，必须严格控制反应速度，使裂变既能不断进行，又不致引起爆炸。费米他们利用镉棒(Ge) 吸收中子来控制反应速度。著名物理学家、“原子弹之父”罗勃特奥本海默费米和西拉德设计了立方点阵式的原子核反应堆，它是由镶嵌着铀原料的石墨板和完整的石 墨板交替堆放而成的。费米选择芝加哥大学内一个体育场看台下的网球场作为试验场。反应 堆1942年11月16日动工，12月1日建成。1942年12月2日，在

24、费米的指挥下核反应堆平稳地运 行了28分钟，人类完成了第一个链式反应。第一个链式反应的完成，标志着人类终于实现了 原子能的可控释放，开始了原子能利用的新纪元！五、原子弹简史5.1原子弹大事记裂变发现之后，西拉德因担心纳粹德国研制核武器而忧心重重，他和维格纳认 为有必要提醒美国和比利时政府关注铀研究。1939年8月2日，西拉德、维格纳 和特勒(Edward Teller, 1908-2003)得到了爱因斯担签名的致美国总统罗斯福 的一封信。10月11日一位和西拉德有过交往的经济学家萨克斯(AlexanderSachs)把这封信交给了罗斯福。随后，美国成立了一个铀顾问委员会。194。年 3月7日，

25、爱因斯坦再次致信罗斯福总统，提醒美国政府应加速进行铀的研究。 4月5日，罗斯福决定扩大、改组铀顾问委员会。194。年2月，弗里希和佩尔斯(Rudolf Peierls)向英国政府提交了一份关于核研究和原子弹的报告，此即著名的2弗里希-佩尔斯报告。4月，英国政府成立了一个负责核 研究的委员会。为了保密该委员会于6月底改名为“ Maud委员会(Maud Committee)”。Maud Committee 的来历：玻尔于德军占领丹麦的第二天(4月10日)给弗里希发了份电报，告之他在哥本哈根一切平安， 并劝弗里希留在英国。电报结尾令弗里希琢磨不透：Tell Cockcroft and Maud Ray Kent. ” 由此，Maud Ray小姐的名字被载入史册！1941年12月6日，美国政府决定全力实施原子弹研制计划。1942年8月该计划改称“曼哈顿工 程(Manhattan Project)”。从此，原子弹研制项目走上了快速发展的轨道。1942年9月，格 罗夫斯(Leslie Groves)准将被任命为曼哈顿