第7章 原子核與粒子物理

1、7原子核物理原子核物理 核外電子運(yùn)動核外電子運(yùn)動原子物理學(xué)原子物理學(xué)原子核內(nèi)部運(yùn)動原子核內(nèi)部運(yùn)動 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 原子和原子核是物質(zhì)結(jié)構(gòu)涇原子和原子核是物質(zhì)結(jié)構(gòu)涇渭分明的兩個層次。渭分明的兩個層次。 1932年人們發(fā)現(xiàn)中子，以此年人們發(fā)現(xiàn)中子，以此作為原子核物理的開端，那么作為原子核物理的開端，那么今天我們對核的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒今天我們對核的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到有達(dá)到70年前對原子的了解程年前對原子的了解程度。度。 7.1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)1. 核質(zhì)量核質(zhì)量原子核的質(zhì)量原子核的質(zhì)量 =原子的質(zhì)量原子的質(zhì)量 -核外電子的質(zhì)量核外電子的質(zhì)量AMAmeZmeAAZmMm通常采用質(zhì)

2、量單位通常采用質(zhì)量單位 ukgu271066054. 112/5016.9311cMeVu 忽略電子的結(jié)合能忽略電子的結(jié)合能2. 核電荷核電荷ZeqZ稱核電荷數(shù)。稱核電荷數(shù)。3. 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(AAAXMNN一個原子質(zhì)量克） 為阿伏伽德羅常數(shù)實(shí)驗(yàn)表明核體積與核子數(shù)成正比實(shí)驗(yàn)表明核體積與核子數(shù)成正比4310萬噸 厘米（某些星體物質(zhì)如中子星等）。 4.4.核的組成核的組成-質(zhì)子和中子質(zhì)子和中子PONHe1117814742質(zhì)子質(zhì)子ump007276470.

3、 11932年年，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子 nCBeHe101269442umn008664904. 1 1919年年, Rutherford用用 粒子轟擊粒子轟擊14N，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。 人類首次實(shí)現(xiàn)原子核的人工轉(zhuǎn)變（點(diǎn)金術(shù)）。人類首次實(shí)現(xiàn)原子核的人工轉(zhuǎn)變（點(diǎn)金術(shù)）。原子核的符號表示：原子核的符號表示：AZXN ， A=N+Z 為核子數(shù)為核子數(shù)（i） Z相同相同N不同的核素稱為不同的核素稱為同位素同位素（ii） N相同相同Z不同的核素稱為不同的核素稱為中子異核素中子異核素（iii） A相同相同Z不同的核素稱為不同的核素稱為同量異位素同量異位素中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子中子和

4、質(zhì)子統(tǒng)稱為核子,可理解為核子的兩個不同狀態(tài)。可理解為核子的兩個不同狀態(tài)。中子中子5.5.原子核的自旋和磁矩原子核的自旋和磁矩 核自旋核自旋 核自旋是所有核子的自旋角動量和軌道角動量的矢量和核自旋是所有核子的自旋角動量和軌道角動量的矢量和 , ,在空間某一方向的投影：在空間某一方向的投影： (1)IIPPI I量子數(shù)可以是整數(shù)或半整數(shù)量子數(shù)可以是整數(shù)或半整數(shù)IzIPM核自旋核自旋磁磁量子數(shù)量子數(shù)IIIMI1,1 1A A為奇數(shù)的核為奇數(shù)的核( (奇奇A A核核) ) 2 2Z Z、N N都為偶數(shù)的核都為偶數(shù)的核( (偶偶- -偶核偶核) )3 3Z Z、N N都為奇數(shù)的核都為奇數(shù)的核( (奇奇-

5、 -奇核奇核) )原子核原子核也有磁矩也有磁矩, , 核磁矩比電子的磁矩小得多，因此產(chǎn)核磁矩比電子的磁矩小得多，因此產(chǎn)生的超精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線也比精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線間距小得多。測生的超精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線也比精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線間距小得多。測量原子核磁矩的重要方法之一是量原子核磁矩的重要方法之一是核磁共振核磁共振6. 原子核的磁矩原子核的磁矩電子電子自旋自旋磁矩：磁矩：(1)3sssBeePssmm 7.2 原子核力和結(jié)合能原子核力和結(jié)合能 在認(rèn)識原子核之前人們只知道自然界有兩種相互作用在認(rèn)識原子核之前人們只知道自然界有兩種相互作用力：引力和電磁力。力：引力和電磁力。是什么力使核子竟然不顧庫侖斥力緊是什么力使核子竟然不顧

6、庫侖斥力緊密結(jié)合密結(jié)合？ 1. 核力的基本性質(zhì)核力的基本性質(zhì)(ii)短程性短程性0.820.810fmrfmrfmrfm吸引力斥力基本消失(i)強(qiáng)相互作用強(qiáng)相互作用核力的強(qiáng)度比庫侖力大一百倍核力的強(qiáng)度比庫侖力大一百倍0.820.82fmrfmrfmrfm有一點(diǎn)認(rèn)識認(rèn)識還很差核力較清楚(iii) 電荷無關(guān)性和電荷無關(guān)性和飽和性飽和性pnnnppFFF 實(shí)驗(yàn)表明每個核子只與它相鄰實(shí)驗(yàn)表明每個核子只與它相鄰 的幾個的幾個核子有相互作用。核子有相互作用。2. 原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能 核由中子和質(zhì)子組成，但核質(zhì)量不等于核內(nèi)核由中子和質(zhì)子組成，但核質(zhì)量不等于核內(nèi)中子中子和質(zhì)子質(zhì)量之和。和質(zhì)子質(zhì)量之和

7、。 例如例如，氘核，氘核 由一個中子和一個質(zhì)子組成由一個中子和一個質(zhì)子組成2H221.0086651.0072772.0135520.0023902.225/npdnpdmumuHmummmmuMeV c中子質(zhì)子 說明中子和質(zhì)子組成氘核時會釋放說明中子和質(zhì)子組成氘核時會釋放2.225MeV的能量。逆的能量。逆過程也成立，用同樣的能量輻照氘核，將一分為二飛出中子過程也成立，用同樣的能量輻照氘核，將一分為二飛出中子和質(zhì)子。事實(shí)上，自然界中物體總質(zhì)量比組成它的個別質(zhì)量和質(zhì)子。事實(shí)上，自然界中物體總質(zhì)量比組成它的個別質(zhì)量之和小是普遍現(xiàn)象。例如，一個電子和一個質(zhì)子組成氫原子之和小是普遍現(xiàn)象。例如，一個電

8、子和一個質(zhì)子組成氫原子時會釋放時會釋放13.6eV。原子結(jié)合能。原子結(jié)合能eV，原子核結(jié)合能，原子核結(jié)合能MeV 核的質(zhì)量虧損核的質(zhì)量虧損pnAmZmNmm原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能核的結(jié)合能核的結(jié)合能核子結(jié)合成原子核時釋放的能量核子結(jié)合成原子核時釋放的能量22)(cMNmZMmcEAnHB 平均結(jié)合能平均結(jié)合能/8BEAMeVAAeMmZm原子質(zhì)量(忽略電子結(jié)合能)e-e-e-e-AB 現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為：電磁相互作用是帶電粒子間交換現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為：電磁相互作用是帶電粒子間交換“虛光子虛光子”而產(chǎn)生的交換力。而產(chǎn)生的交換力。3. 核力的核力的介子理論介子理論(1)A30(1)A30的輕核，平均

9、結(jié)合能表現(xiàn)出周期性的變化，凡的輕核，平均結(jié)合能表現(xiàn)出周期性的變化，凡A A等于等于4 4的倍數(shù)的核，平均結(jié)合能有最大值。的倍數(shù)的核，平均結(jié)合能有最大值。(2)(2)中等核中等核(A=30-120)(A=30-120)的平均結(jié)合能較大，輕核和重核的平均的平均結(jié)合能較大，輕核和重核的平均結(jié)合能較小結(jié)合能較小獲得核能的途徑有兩個：重核裂變和輕核聚變獲得核能的途徑有兩個：重核裂變和輕核聚變 特點(diǎn)特點(diǎn)：19471947年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn) 介子介子1. 液滴模型液滴模型實(shí)驗(yàn)依據(jù)：實(shí)驗(yàn)依據(jù)：7.3原子核結(jié)構(gòu)模型原子核結(jié)構(gòu)模型（1 1）核力具有飽和性，核子只與它周圍幾個核子作用，如）核力具有飽和性，核子只與它周圍幾

10、個核子作用，如同液體中的分子。同液體中的分子。（2 2）核密度不隨核子數(shù)變化，核具有不可壓縮性，如同液）核密度不隨核子數(shù)變化，核具有不可壓縮性，如同液體密度是常數(shù)一樣。體密度是常數(shù)一樣。2. 殼層模型殼層模型 在自然界中，在自然界中， Z或或N (=2,8,20,28,50,82,126-幻數(shù)幻數(shù))的核特的核特別穩(wěn)定，含量明顯比其附近核素的含量多，別穩(wěn)定，含量明顯比其附近核素的含量多，Z或或N顯示周期顯示周期變化。變化。 1949年，年，Mayer和和Jensen在勢阱中加入了自旋在勢阱中加入了自旋-軌道耦合軌道耦合項(xiàng)，從而成功地解釋了幻數(shù)的存在，項(xiàng)，從而成功地解釋了幻數(shù)的存在，1965年獲諾

11、貝爾獎。年獲諾貝爾獎。 3. 集體模型集體模型 1952年年Bohr和和Mottelson提出描述核集體振動和轉(zhuǎn)動的提出描述核集體振動和轉(zhuǎn)動的“幾幾何模型何模型”，1975年獲諾貝爾獎。年獲諾貝爾獎。7.4 原子核放射衰變原子核放射衰變1. 放射性衰變規(guī)律放射性衰變規(guī)律 18961896年，法國物理學(xué)家年，法國物理學(xué)家貝克勒爾貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾礦物發(fā)現(xiàn)鈾礦物能能自發(fā)地自發(fā)地發(fā)射穿透力很強(qiáng)并能使照相底版感光的發(fā)射穿透力很強(qiáng)并能使照相底版感光的不可見射線。不可見射線。 18981898年，居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了釙和鐳年，居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了釙和鐳 放射性衰變：放射性衰變：核素自發(fā)地放射出某種射線而變成另一種核素

12、的過程核素自發(fā)地放射出某種射線而變成另一種核素的過程HeThU422349023892放射性物質(zhì)放出的射線主要有三種：放射性物質(zhì)放出的射線主要有三種： 1 1 射線：氦核射線：氦核2 2 射線：正負(fù)電子射線：正負(fù)電子3 3 射線：光子射線：光子 放射性衰變放射性衰變遵守：遵守：電荷守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、質(zhì)量和能量守恒、動量守恒等。電荷守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、質(zhì)量和能量守恒、動量守恒等。 (1). 指數(shù)衰變規(guī)律指數(shù)衰變規(guī)律NdtdN NdtdNteNN0NdtdN / 代表一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的幾代表一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率，稱為率，稱為衰變常數(shù)衰變常數(shù) 0lnlnNtN (2).

13、(2). 半衰期半衰期核衰變到原來數(shù)目一半時所需時間稱核衰變到原來數(shù)目一半時所需時間稱半衰期半衰期012TNeNln20.693T(3)平均壽命平均壽命 一個原子核在衰變前存在的時間叫壽命，所一個原子核在衰變前存在的時間叫壽命，所有原子核壽命的平均值稱為有原子核壽命的平均值稱為平均壽命平均壽命。2122387934920.3 104.5 10oPTUT例如：秒；年0000()1=()ttdtdNtdNtdNNtdtNNtdtNtdttdNNdN內(nèi)有-個核衰變，其壽命為-個核的總壽命為-個核的總壽命為平均壽命例例1：某核的衰變常數(shù)為，試求它的半衰期和平均某核的衰變常數(shù)為，試求它的半衰期和平均壽命

14、。壽命。1610097. 2sln2330472Ts1476872s放射性活度放射性活度/AdN dt 放射性活度的單位為放射性活度的單位為Bq(貝克貝克)，1Bq=1次衰變次衰變/秒秒1居里居里(Ci)= 次衰變次衰變/秒秒= Bq10107 . 310107 . 3例例2: 2: 估算地球年齡估算地球年齡235235238238238235235238002352350.836002382380099.2%0.72%59(ttUtUUUNNNNeNetNNeN天然鈾礦含量：假定地球形成時兩者含量大體相當(dāng):億年）2. 衰變衰變HeYX4242AZAZ衰變能衰變能22()()XYXyHeEmm

15、m cMMMc衰變條件衰變條件 0XyHeEMMM例：例：判斷判斷 是否發(fā)生是否發(fā)生 衰變。衰變。uC6429HeCoC426027u6429uM9298.63CuuM9338.59CouM0026. 4He63.929859.93384.0026(2)2XXeYYeHeemMZmmMZmmMm()XYmmmm3. 衰變衰變衰變衰變連續(xù)連續(xù)能譜能譜引發(fā)的困難引發(fā)的困難 1930年，泡利（年，泡利（Pauli）指出：）指出：“只有假定在只有假定在 衰變過程中，衰變過程中，伴隨每一個電子有一個輕的中性粒子（中微子）一起被發(fā)射伴隨每一個電子有一個輕的中性粒子（中微子）一起被發(fā)射出來，才能解釋連續(xù)出來

16、，才能解釋連續(xù) 譜。譜?！敝形⒆蛹僬f中微子假說 1956年，從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了中微子。年，從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了中微子。 當(dāng)當(dāng)衰變物只有兩個時，能量可衰變物只有兩個時，能量可由動量守恒完全確定，而由動量守恒完全確定，而衰變物有衰變物有三個時，能量可以任意分配。三個時，能量可以任意分配。 是守恒定律的問題還是存在第是守恒定律的問題還是存在第三者？三者？ 衰變的三種類型及衰變條件衰變的三種類型及衰變條件i 衰變：衰變： 1XYAAZZe 衰變衰變能能22()()XYeXYEmmm cMMc衰變條件衰變條件YXMMii衰變：衰變： 1XYAAZZeiii電子俘獲（電子俘獲（K俘獲，俘獲，L俘獲）俘獲）1XYAA

17、ZZe22()(2)XYeXYeEmmm cMMm c原子核俘獲一個核外軌道上的電子轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€核的過程原子核俘獲一個核外軌道上的電子轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€核的過程 衰變的本質(zhì)：衰變時一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子或反之，而衰變的本質(zhì)：衰變時一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子或反之，而軌道俘獲其本質(zhì)就是俘獲軌道電子而轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?。軌道俘獲其本質(zhì)就是俘獲軌道電子而轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶印?. 衰變衰變 原子核通過發(fā)射原子核通過發(fā)射 光子光子從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)的過程的過程 XX*hEEEji7. 原子核反應(yīng)原子核反應(yīng)原子核反應(yīng)：原子核反應(yīng)：用具有一定能量的粒子用具有一定能量的粒子轟擊轟擊一個原子核，使其一個原子核，使其放出

18、某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾略雍说倪^程。放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾略雍说倪^程。(1) 歷史上第一個人工核反應(yīng)歷史上第一個人工核反應(yīng) HOHeN1117842147( () ) 第一個在加速器上實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)第一個在加速器上實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)HeHepLi42421173bYXa 核反應(yīng)中的守恒定律核反應(yīng)中的守恒定律: :電荷數(shù)電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)、動量動量、能量守恒能量守恒. .此外此外, ,還有角動量、宇稱、統(tǒng)計(jì)性、同位旋等量守恒。還有角動量、宇稱、統(tǒng)計(jì)性、同位旋等量守恒。 23511399519205438013913913913954555657959595383940235114489192056360

19、22UnXeSrnXeCsBaLaSrYZyUnBaKrn 一個鈾核一個鈾核: :210EMeV235.38 10EMeV相當(dāng)相當(dāng)2.5噸噸煤完全燃燒放出的能量煤完全燃燒放出的能量 核裂變核裂變：19391939年，哈恩和史特拉斯曼發(fā)現(xiàn)：利用中子轟擊年，哈恩和史特拉斯曼發(fā)現(xiàn)：利用中子轟擊U U時，時，產(chǎn)物中存在產(chǎn)物中存在BaBa。隨后，梅特納和弗里什指出：。隨后，梅特納和弗里什指出：U U在中子的轟擊在中子的轟擊下，裂變?yōu)閮蓚€中等質(zhì)量核素。下，裂變?yōu)閮蓚€中等質(zhì)量核素。19471947年，錢三強(qiáng)和何澤惠發(fā)年，錢三強(qiáng)和何澤惠發(fā)現(xiàn)了核裂變的三分裂現(xiàn)象，其發(fā)生幾率約為二分裂的千分之現(xiàn)了核裂變的三分裂現(xiàn)

20、象，其發(fā)生幾率約為二分裂的千分之三。三。一克鈾一克鈾: U U分離技術(shù)是制造原子彈的關(guān)鍵技術(shù)，分離技術(shù)是制造原子彈的關(guān)鍵技術(shù)，一個一個U U原原子可以提供子可以提供2.52.5中子，可以維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)！中子，可以維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)！臨界質(zhì)量臨界質(zhì)量：體積太小中子容易逃逸，無法維持反應(yīng)。：體積太小中子容易逃逸，無法維持反應(yīng)。裂變反應(yīng)堆裂變反應(yīng)堆二、裂變機(jī)制二、裂變機(jī)制液滴模型液滴模型 核內(nèi)的質(zhì)子、中子在不停地運(yùn)動。核核內(nèi)的質(zhì)子、中子在不停地運(yùn)動。核子之間有核力，質(zhì)子之間有庫侖斥力。子之間有核力，質(zhì)子之間有庫侖斥力。當(dāng)當(dāng)啞鈴形的兩端之間的庫侖斥力大于中間收啞鈴形的兩端之間的庫侖斥力大于中間收縮部分核子間總

21、的核力時，形變不能恢復(fù)，縮部分核子間總的核力時，形變不能恢復(fù)，原子核分裂成兩塊，放出中子，同時釋放原子核分裂成兩塊，放出中子，同時釋放能量。能量。MeV3 .18HeHeMeV6 .17HeHMeV0 .4HMeV25.3He434333pdndpddnddMeV15.4322He264npd庫侖勢壘：庫侖勢壘：144KeV144KeV5.6 5.6 10108 8K K聚變溫度：約聚變溫度：約10108 8K K（1 1億度），等離子體狀態(tài)億度），等離子體狀態(tài)原子核聚變原子核聚變1.聚變能約為裂變能的聚變能約為裂變能的四四倍倍2.聚變的原料是氘聚變的原料是氘. 裂變的原料是鈾裂變的原料是鈾氫

22、彈方案：高效炸藥氫彈方案：高效炸藥+ +裂變原料裂變原料+ +氘化鋰氘化鋰氫彈是不可控的熱核反應(yīng)裂變彈的能量分配：氫彈是不可控的熱核反應(yīng)裂變彈的能量分配：爆震與沖擊波：爆震與沖擊波： 50% 50% 熱輻射：熱輻射： 35%35%剩余輻射：剩余輻射： 10% 10% 早期輻射：早期輻射： 5%5%純聚變不產(chǎn)生剩余輻射。純聚變不產(chǎn)生剩余輻射。引力約束聚變引力約束聚變MeV7 .26224vep關(guān)于太陽關(guān)于太陽： 引力約束等離子體。每天燃燒的氫，相當(dāng)于每秒爆炸引力約束等離子體。每天燃燒的氫，相當(dāng)于每秒爆炸900900億顆百萬噸級的氫彈。碳循環(huán)周期億顆百萬噸級的氫彈。碳循環(huán)周期 6x10 6x106

23、 6年，質(zhì)子循環(huán)周年，質(zhì)子循環(huán)周期期 3x10 3x109 9年。太陽外層溫度年。太陽外層溫度6000K, 6000K, 中心溫度中心溫度15,000,000K15,000,000K。太陽內(nèi)部主要有兩種熱核反應(yīng)：太陽內(nèi)部主要有兩種熱核反應(yīng)： 1氫鏈反應(yīng)：氫鏈反應(yīng)： 2碳?xì)溲h(huán)碳?xì)溲h(huán) 激光激光約束聚變約束聚變受控核聚變受控核聚變 在直徑為在直徑為0.4mm0.4mm的小球內(nèi)充以的小球內(nèi)充以30-10030-100大氣壓的氘氚混合氣體，用強(qiáng)大氣壓的氘氚混合氣體，用強(qiáng)激光（激光（10101212-10-101414W)W)均勻照射，使氘氚混合氣體的密度達(dá)到液體密度的一均勻照射，使氘氚混合氣體的密度

24、達(dá)到液體密度的一千到一萬倍，溫度達(dá)到千到一萬倍，溫度達(dá)到10108 8K K而引發(fā)聚變。而引發(fā)聚變。 磁約束聚變磁約束聚變 超過萬度以上的氣體是不能用任何材料所構(gòu)成的容器約束。具超過萬度以上的氣體是不能用任何材料所構(gòu)成的容器約束。具有閉合磁力線的磁場是一種可能的選擇。設(shè)計(jì)有閉合磁力線的磁場是一種可能的選擇。設(shè)計(jì) “ “磁籠磁籠” ” 成為難點(diǎn)成為難點(diǎn) 。7070年代，蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明的年代，蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明的“托克馬克托克馬克”方案逐漸顯示出優(yōu)點(diǎn)，成方案逐漸顯示出優(yōu)點(diǎn)，成為聚變能研究的主流途徑。為聚變能研究的主流途徑。 托克馬克裝置又稱環(huán)流器，托克馬克裝置又稱環(huán)流器， 磁籠磁籠 由環(huán)形封閉磁場組成

25、。由環(huán)形封閉磁場組成。 核武器核武器原子彈：原子彈： 用用235235U U或或239239PuPu等重原子核的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)等重原子核的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)原理制成的核武器。利用炸藥實(shí)現(xiàn)臨界狀態(tài)。原理制成的核武器。利用炸藥實(shí)現(xiàn)臨界狀態(tài)。. 氫彈：氫彈：用氘、氚等輕原子核的熱核用氘、氚等輕原子核的熱核聚變反應(yīng)原理制成核武器。氫彈聚變反應(yīng)原理制成核武器。氫彈沒有填料的限制沒有填料的限制 核試驗(yàn)：核試驗(yàn)：大氣核試驗(yàn)、地下核試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬核試驗(yàn)大氣核試驗(yàn)、地下核試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬核試驗(yàn)反應(yīng)堆反應(yīng)堆核能利用 蘇美蘇美5050年代，英法年代，英法6060年代。中國晚四十年代。中國晚四十年起步，年起步，199119

26、91年年1212月浙江秦山核電站發(fā)電。月浙江秦山核電站發(fā)電。 據(jù)據(jù)19951995年資料顯示，我國核能利用占總年資料顯示，我國核能利用占總能比（能比（1.3%1.3%）遠(yuǎn)低于法國（）遠(yuǎn)低于法國（75%75%），日本），日本（36%36%），韓國（），韓國（30%30%），臺灣（），臺灣（31%31%），甚至），甚至低于印度。低于印度。20052005年，我國核電不到（年，我國核電不到（2%2%）。）。據(jù)估計(jì)，據(jù)估計(jì)，20502050年我國能源需求將達(dá)到相當(dāng)年我國能源需求將達(dá)到相當(dāng)5050億噸煤標(biāo)準(zhǔn)，而目前我國年耗億噸煤標(biāo)準(zhǔn)，而目前我國年耗1515億噸煤，水億噸煤，水資源不到資源不到2 2億噸煤

27、，缺口極大。億噸煤，缺口極大。 在所有的核聚變反應(yīng)中，氘和氚的核聚變反在所有的核聚變反應(yīng)中，氘和氚的核聚變反應(yīng)相對比較易于實(shí)現(xiàn)。應(yīng)相對比較易于實(shí)現(xiàn)。 氘在海水中儲量極為豐富，一公升海水里提取氘在海水中儲量極為豐富，一公升海水里提取出的氘，在完全的聚變反應(yīng)中可釋放相當(dāng)于燃燒出的氘，在完全的聚變反應(yīng)中可釋放相當(dāng)于燃燒300300公升汽油的能量，有人估計(jì)若把海水中的氘都公升汽油的能量，有人估計(jì)若把海水中的氘都提出來，可用幾百億年。提出來，可用幾百億年。 聚變能具有資源無限，不污染環(huán)境，不產(chǎn)生聚變能具有資源無限，不污染環(huán)境，不產(chǎn)生高放射性核廢料等優(yōu)點(diǎn)，是人類未來能源。人類高放射性核廢料等優(yōu)點(diǎn)，是人類未

28、來能源。人類已經(jīng)能控制和利用核裂變能，但由于很難將兩個已經(jīng)能控制和利用核裂變能，但由于很難將兩個帶正電的核靠近產(chǎn)生聚變反應(yīng)，控制和利用核聚帶正電的核靠近產(chǎn)生聚變反應(yīng)，控制和利用核聚變能則需要?dú)v經(jīng)更長的、非常艱苦的研發(fā)歷程。變能則需要?dú)v經(jīng)更長的、非常艱苦的研發(fā)歷程。 國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITERInternational Thermonuclear Experimental Reactor ）計(jì)劃）計(jì)劃 ITER總投資總投資50億美元（億美元（1998年值），歐盟貢獻(xiàn)年值），歐盟貢獻(xiàn)46%，美、日、俄、中、韓、印各貢獻(xiàn)約美、日、俄、中、韓、印各貢獻(xiàn)約9%，計(jì)劃，計(jì)劃35年，是目

29、前世年，是目前世界上僅次于界上僅次于國際空間站國際空間站的又一個國際大科學(xué)工程計(jì)劃的又一個國際大科學(xué)工程計(jì)劃 。 1985年年，前蘇聯(lián)領(lǐng)導(dǎo)人戈?duì)柊蛦谭蚝兔绹偨y(tǒng)里根在日內(nèi)瓦，前蘇聯(lián)領(lǐng)導(dǎo)人戈?duì)柊蛦谭蚝兔绹偨y(tǒng)里根在日內(nèi)瓦 峰會上倡議由美、蘇、歐、日共同啟動峰會上倡議由美、蘇、歐、日共同啟動ITER計(jì)劃計(jì)劃 。 1998年年，美國出于政治原因宣布退出，美國出于政治原因宣布退出ITER計(jì)劃，歐、日、俄計(jì)劃，歐、日、俄 三方則繼續(xù)堅(jiān)持合作三方則繼續(xù)堅(jiān)持合作 2001年年完成完成ITER工程設(shè)計(jì)。工程設(shè)計(jì)。 2002年年，歐、日、俄表示歡迎中國與美國參加，歐、日、俄表示歡迎中國與美國參加ITER計(jì)劃。計(jì)

30、劃。 2003年年1月初月初中國宣布參加，中國宣布參加， 1月末月末美國宣布重新返計(jì)劃。美國宣布重新返計(jì)劃。 2005年年韓國加入，同年韓國加入，同年6月，六方一致同意把月，六方一致同意把ITER建在法國建在法國核技術(shù)研究中心核技術(shù)研究中心Cadarache。 2006年年印度加入。印度加入。 ITER計(jì)劃集成了當(dāng)今國際受控磁約束計(jì)劃集成了當(dāng)今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學(xué)和技術(shù)成果。國際核聚變研究的主要科學(xué)和技術(shù)成果。國際上對上對ITER計(jì)劃的主流看法是：建造和運(yùn)行計(jì)劃的主流看法是：建造和運(yùn)行ITER的科學(xué)和工程技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)具備，成的科學(xué)和工程技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)具備，成功的把握較大，預(yù)期本世紀(jì)

31、中葉可實(shí)現(xiàn)聚功的把握較大，預(yù)期本世紀(jì)中葉可實(shí)現(xiàn)聚變能商業(yè)化。變能商業(yè)化。 ITER計(jì)劃的實(shí)施結(jié)果將決定人類能否從計(jì)劃的實(shí)施結(jié)果將決定人類能否從根本上解決能源問題。根本上解決能源問題。 8粒子物理粒子物理 實(shí)驗(yàn)研究：（實(shí)驗(yàn)研究：（1）宇宙線）宇宙線 （2）加速器）加速器 目前世界上的高能對撞機(jī)目前世界上的高能對撞機(jī)（1 1）歐洲核子中心歐洲核子中心: : 質(zhì)子質(zhì)子- -質(zhì)子對撞，質(zhì)子對撞， 270+270GeV(1982270+270GeV(1982）; T+T ; T+T （20062006）; ; 正負(fù)電子對撞，正負(fù)電子對撞，80+80GeV80+80GeV（19891989）。）。 (2)

32、 (2) 中國高能所中國高能所（19881988）：正負(fù)電子對撞，）：正負(fù)電子對撞， 2.8+2.8GeV2.8+2.8GeV (3) (3) 美國美國（19861986）：質(zhì)子對撞）：質(zhì)子對撞1000+1000GeV1000+1000GeV。369121010 ;1010,KeVMeVGeVTeVKiloMegaGigaTera8.1 粒子分類和相互作用粒子分類和相互作用1.1.相互作用相互作用2Particle classification1.規(guī)范粒子規(guī)范粒子 （場量子）（場量子）Gouge bosons 光子光子 Photon 中間玻色子中間玻色子 Intermediate boson

33、膠子膠子Gluon (i)引力子引力子Graviton0,(1,2,8)?iZ Wg i2. 輕子輕子 Leptons-不參與將相互作用的費(fèi)米子不參與將相互作用的費(fèi)米子 電子及伴生中微子電子及伴生中微子 重電子及伴生中微子重電子及伴生中微子(i)超重電子及伴生中微子超重電子及伴生中微子eeee200,193630001975eemmmm年發(fā)現(xiàn)，年發(fā)現(xiàn)。；3. 強(qiáng)子強(qiáng)子 （Hadrons）-參與將相互作用的粒子參與將相互作用的粒子 介子介子Mesons(玻色子玻色子) ，由正反兩個夸克組成，由正反兩個夸克組成(i) 重子重子 Baryons (費(fèi)米子費(fèi)米子)由三個夸克組成由三個夸克組成夸克模型夸

34、克模型: :1964年，年，Gell-Mann and George Zweig提出提出夸克模型?？淇耸亲孕秊榭淇四Ｐ?。夸克是自旋為1/2的費(fèi)米子的費(fèi)米子UpDownStrangeCharmedBottomTopIn 1974, the discovery of J/ led to charmed quark . In 1977 and 1994, bottom(or beauty) quark and top (or truth) quark were found respectively. smRed, Blue, Green QCD ( Quantum chromodynamics )

35、量子色動力學(xué)量子色動力學(xué)夸克層次的粒子分類夸克層次的粒子分類.規(guī)范玻色子規(guī)范玻色子-13種種2.費(fèi)米子費(fèi)米子-48種種Higgs 粒子和引力子迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn)粒子和引力子迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn) 發(fā)現(xiàn)黑哥發(fā)現(xiàn)黑哥 2011年全球科學(xué)界發(fā)生兩件大事年全球科學(xué)界發(fā)生兩件大事 第一件第一件，中微子被發(fā)現(xiàn)有超光速的跡象。動搖愛，中微子被發(fā)現(xiàn)有超光速的跡象。動搖愛因斯坦相對論的基礎(chǔ)，百年來的物理學(xué)可能要重因斯坦相對論的基礎(chǔ)，百年來的物理學(xué)可能要重寫。寫。 第二件第二件，黑格斯（，黑格斯（higgs）粒子被發(fā)現(xiàn)有存在的）粒子被發(fā)現(xiàn)有存在的跡象。跡象。 黑格斯粒子也被叫黑格斯粒子也被叫“上帝粒子上帝粒子”，叫法

36、源于一，叫法源于一位諾獎（位諾獎（1988）得主得主萊德曼寫的高能物理科普讀寫的高能物理科普讀物上帝粒子。名字有終極的意思，即粒子物物上帝粒子。名字有終極的意思，即粒子物理能發(fā)現(xiàn)的最后一個粒子。理能發(fā)現(xiàn)的最后一個粒子。 所謂所謂 higgs 機(jī)制是指規(guī)范對稱性自發(fā)破缺時，機(jī)制是指規(guī)范對稱性自發(fā)破缺時，整體對稱性自發(fā)破缺產(chǎn)生的零質(zhì)量標(biāo)量粒子被矢整體對稱性自發(fā)破缺產(chǎn)生的零質(zhì)量標(biāo)量粒子被矢量場吃掉，使原本是零質(zhì)量的矢量場在破缺后得量場吃掉，使原本是零質(zhì)量的矢量場在破缺后得到質(zhì)量，這些是在相對論量子場論框架下做的。到質(zhì)量，這些是在相對論量子場論框架下做的。 希格斯粒子是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一希格斯

37、粒子是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子，是至今尚未在實(shí)驗(yàn)中觀察種自旋為零的玻色子，是至今尚未在實(shí)驗(yàn)中觀察到的最后一種未被發(fā)現(xiàn)的粒子。到的最后一種未被發(fā)現(xiàn)的粒子。 標(biāo)準(zhǔn)模型是當(dāng)今粒子物理學(xué)的主流理論，它標(biāo)準(zhǔn)模型是當(dāng)今粒子物理學(xué)的主流理論，它是描述強(qiáng)作用力、弱作用力及電磁力這三種基本是描述強(qiáng)作用力、弱作用力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論，它沒有描力及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論，它沒有描述重力。述重力。 當(dāng)當(dāng)19951995年美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布發(fā)現(xiàn)了頂夸克年美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布發(fā)現(xiàn)了頂夸克時，標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的時，標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的6161個基本粒子中的個基本粒子中的60

38、60個都個都已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持與驗(yàn)證，看上去對物已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持與驗(yàn)證，看上去對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的探索已經(jīng)到達(dá)了它的尾聲質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的探索已經(jīng)到達(dá)了它的尾聲 希格斯玻色子的一個希格斯玻色子的一個LHCLHC圖像：希格斯玻色子衰減為兩個強(qiáng)子和電子噴出物圖像：希格斯玻色子衰減為兩個強(qiáng)子和電子噴出物 大型強(qiáng)子對撞機(jī)大型強(qiáng)子對撞機(jī)(Large Hadron Collider(Large Hadron Collider，簡稱，簡稱LHC) LHC) 為尋找為尋找HiggsHiggs而設(shè)計(jì)的而設(shè)計(jì)的 ，位于法國與瑞士邊界處。環(huán)形加速器周長，位于法國與瑞士邊界處。環(huán)形加速器周長2727公里，投資數(shù)十

39、億歐元，擁有來自世公里，投資數(shù)十億歐元，擁有來自世界各地的界各地的60006000余位專家。余位專家。最接近諾貝爾獎的中國發(fā)現(xiàn)最接近諾貝爾獎的中國發(fā)現(xiàn) 2012 2012年年3 3月月8 8日，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)組宣布，發(fā)現(xiàn)了中微日，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)組宣布，發(fā)現(xiàn)了中微子的子的“第三種振蕩第三種振蕩”，有望破解，有望破解“反物質(zhì)消失之謎反物質(zhì)消失之謎”。中微。中微子振蕩實(shí)際上是不同中微子之間的轉(zhuǎn)換，稱為子振蕩實(shí)際上是不同中微子之間的轉(zhuǎn)換，稱為“味振蕩味振蕩”（flavor oscillationflavor oscillation）。科學(xué)家觀測太陽中微子和大氣中）。科學(xué)家觀測太陽中微子和大氣中微子

40、在傳輸過程中的值是理論值的三分之一到一半左右。微子在傳輸過程中的值是理論值的三分之一到一半左右。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了“太陽中微子振蕩太陽中微子振蕩”和和“大氣中微子振蕩大氣中微子振蕩”兩種模式。發(fā)現(xiàn)中微子第三種振蕩模式，結(jié)果是諾貝爾級的，兩種模式。發(fā)現(xiàn)中微子第三種振蕩模式，結(jié)果是諾貝爾級的，如果觀測實(shí)驗(yàn)早出現(xiàn)十來年，一定可以獲得諾獎。如果觀測實(shí)驗(yàn)早出現(xiàn)十來年，一定可以獲得諾獎。 1988 1988年，因發(fā)現(xiàn)年，因發(fā)現(xiàn)中微子獲諾獎。中微子獲諾獎。 1995 1995年，因?yàn)槟辏驗(yàn)?9561956年在實(shí)驗(yàn)中首次觀測到中微子，而與年在實(shí)驗(yàn)中首次觀測到中微子，而與子的發(fā)現(xiàn)者分享諾獎。子的發(fā)現(xiàn)者分享

41、諾獎。 2002 2002年，戴維斯和小柴昌俊獲諾獎。美國戴維斯從六十年，戴維斯和小柴昌俊獲諾獎。美國戴維斯從六十年代起對太陽中微子進(jìn)行了三十多年的觀測，提出了年代起對太陽中微子進(jìn)行了三十多年的觀測，提出了“太陽太陽中微子震蕩中微子震蕩”。八十年代是日本的鼎盛時期，日本人砸錢修。八十年代是日本的鼎盛時期，日本人砸錢修了一個了一個“超級神岡探測器超級神岡探測器”。19961996年開始觀測，年開始觀測，19981998年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)了了“大氣中微子震蕩大氣中微子震蕩”并證實(shí)了并證實(shí)了“太陽中微子震蕩太陽中微子震蕩”。 據(jù)說國際普遍不看好第三種震蕩，大亞灣的科學(xué)家打算花據(jù)說國際普遍不看好第三種震蕩，

42、大亞灣的科學(xué)家打算花三年時間觀測到結(jié)果，沒想到只花了三年時間觀測到結(jié)果，沒想到只花了5555天就得到了天就得到了5.25.2倍標(biāo)準(zhǔn)倍標(biāo)準(zhǔn)偏差結(jié)果。偏差結(jié)果。大亞灣實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目三號實(shí)驗(yàn)大廳，于2011年12月24日開始運(yùn)行 項(xiàng)目于項(xiàng)目于20072007年年1010月動土，月動土，250250名研究人員來自中國、名研究人員來自中國、美國、俄羅斯、捷克、香港和臺灣等六個國家和地區(qū)的美國、俄羅斯、捷克、香港和臺灣等六個國家和地區(qū)的3434家科研單位。建了總長家科研單位。建了總長3 3公里的隧道和公里的隧道和3 3個地下實(shí)驗(yàn)大廳。個地下實(shí)驗(yàn)大廳。其中，中國投資其中，中國投資1.51.5億元人民幣，負(fù)責(zé)基礎(chǔ)設(shè)

43、施建設(shè)和建億元人民幣，負(fù)責(zé)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和建造一半探測器，美國能源部負(fù)責(zé)建造另一半探測器。造一半探測器，美國能源部負(fù)責(zé)建造另一半探測器。 之前決定振蕩過程六個參數(shù)中的四個已經(jīng)得到，大亞之前決定振蕩過程六個參數(shù)中的四個已經(jīng)得到，大亞灣項(xiàng)目是針對第五個重要參數(shù)灣項(xiàng)目是針對第五個重要參數(shù)1313混合角。混合角。 如果一個針對性測值是零的話，意味著物質(zhì)與反物質(zhì)如果一個針對性測值是零的話，意味著物質(zhì)與反物質(zhì)衰變速度一樣，即現(xiàn)在物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該是一樣多，反物衰變速度一樣，即現(xiàn)在物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該是一樣多，反物質(zhì)必然隱藏在我們尚未找到的某個地方。如果不是零，那質(zhì)必然隱藏在我們尚未找到的某個地方。如果不是零，那么

44、就表明兩者的衰變速度不同，在宇宙誕生近么就表明兩者的衰變速度不同，在宇宙誕生近150150億年后億年后的現(xiàn)在，反物質(zhì)很可能已經(jīng)衰變掉，所以我們再也沒有可的現(xiàn)在，反物質(zhì)很可能已經(jīng)衰變掉，所以我們再也沒有可能找到能找到反物質(zhì)世界反物質(zhì)世界。 實(shí)驗(yàn)參與者實(shí)驗(yàn)參與者Robert McKeownRobert McKeown接受美國科學(xué)雜志采接受美國科學(xué)雜志采訪時說，這很可能是訪時說，這很可能是中國至今最重要的物理學(xué)成果中國至今最重要的物理學(xué)成果。大統(tǒng)一理論grand unified theory 以場論為基礎(chǔ)統(tǒng)一描述以場論為基礎(chǔ)統(tǒng)一描述弱相互作用弱相互作用、電磁相互作用電磁相互作用和和強(qiáng)相互作用強(qiáng)相互作

45、用的理論。的理論。20世世紀(jì)紀(jì)60年代，年代，格拉肖格拉肖、溫伯格溫伯格和和薩拉姆薩拉姆提出提出了弱相互作用和電磁相互作用的統(tǒng)一理論了弱相互作用和電磁相互作用的統(tǒng)一理論簡稱簡稱電弱統(tǒng)一理論電弱統(tǒng)一理論。70年代初，強(qiáng)相互作年代初，強(qiáng)相互作用的理論研究取得了重大進(jìn)展，出現(xiàn)了用的理論研究取得了重大進(jìn)展，出現(xiàn)了量量子色動力學(xué)子色動力學(xué)，為大統(tǒng)一理論的研究提供了，為大統(tǒng)一理論的研究提供了較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 電弱統(tǒng)一理論是電弱統(tǒng)一理論是 SU(2)U(1)的規(guī)范理的規(guī)范理論，該模型引入四個規(guī)范矢量粒子，通過論，該模型引入四個規(guī)范矢量粒子，通過黑格斯機(jī)制黑格斯機(jī)制造成對稱性自發(fā)破缺，使其中造成對

46、稱性自發(fā)破缺，使其中一個保持為無質(zhì)量的規(guī)范粒子，對應(yīng)傳遞一個保持為無質(zhì)量的規(guī)范粒子，對應(yīng)傳遞電磁作用的電磁作用的光子光子，其余三個，其余三個W和和Z0獲得獲得了質(zhì)量，成為傳遞弱作用的了質(zhì)量，成為傳遞弱作用的中間玻色子中間玻色子。1983年實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了年實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了W和和Z0，其質(zhì)量與，其質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一致，給了這一模型強(qiáng)有標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一致，給了這一模型強(qiáng)有力的支持。力的支持。 標(biāo)準(zhǔn)模型雖取得了很大的成功，但不少科學(xué)家認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型雖取得了很大的成功，但不少科學(xué)家認(rèn)為它很可能不是粒子物理學(xué)最基本的理論，多年來科學(xué)家們它很可能不是粒子物理學(xué)最基本的理論，多年來科學(xué)家們一直在努力建立一種超越標(biāo)

47、準(zhǔn)模型的新理論。一直在努力建立一種超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新理論。 1973 1973年，美國科學(xué)家帕提和薩拉姆提出了統(tǒng)一描述夸年，美國科學(xué)家帕提和薩拉姆提出了統(tǒng)一描述夸克和輕子的帕提克和輕子的帕提- -薩拉姆模型，預(yù)言了質(zhì)子的衰變。薩拉姆模型，預(yù)言了質(zhì)子的衰變。 1974 1974年，美國科學(xué)家喬治和格拉肖提出了把強(qiáng)、弱、年，美國科學(xué)家喬治和格拉肖提出了把強(qiáng)、弱、電三種相互作用統(tǒng)一的電三種相互作用統(tǒng)一的SUSU（5 5）大統(tǒng)一理論。該理論預(yù)言）大統(tǒng)一理論。該理論預(yù)言了質(zhì)子的衰變。了質(zhì)子的衰變。 測定質(zhì)子的壽命成為大統(tǒng)一理論能否成立的關(guān)鍵。由測定質(zhì)子的壽命成為大統(tǒng)一理論能否成立的關(guān)鍵。由于質(zhì)子壽命很長，估計(jì)為于質(zhì)子壽命很長，估計(jì)為10311031年左右，即一年期間在年左右，即一年期間在1031 1031 個質(zhì)子中會有一個質(zhì)子蛻變。為了消除宇宙射線的個質(zhì)子中會有一個質(zhì)子蛻變。為了消除宇宙射線的干擾，整個實(shí)驗(yàn)要在地底深處進(jìn)行。干擾，整個實(shí)驗(yàn)要在地底深處進(jìn)行。 1983 1983年前后，美國、印度、日本等國的科學(xué)家做了一年前后，美國、印度、日本等國的科學(xué)家做了一些探測質(zhì)子衰變的實(shí)驗(yàn)。些探測質(zhì)子衰變的實(shí)驗(yàn)。 pe 美國一個協(xié)作組在俄亥俄州克里弗蘭市以東美國一個協(xié)作組在俄亥俄州克里弗