欣赏自己主题班会

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1、原子的威力侯春风 教授(博导)哈尔滨工业大学物理系主要内容1、原子模型的提出和发展2、重核的裂变和轻核的聚变3、原子能的利用4、结束语1、原子概念及原子模型的提出和发展“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。1807年，英国科学家约 翰 道尔顿(John Dalton)提出原子论。他认为原子类似 于刚性的小球，它们是物质 世界的基本结构单元，是不 可分割的。十九世纪末二十世纪初，一些实验现象相继发现 ，如电子、 X 射线和放射性元素的发现表明原子是可 以分割的，它具有比较复杂的结构。那么

2、，原子是怎 样组成的？原子的运动规律如何？1898年， Thomson提出了“布丁模型”(也被称为“西瓜模型”)。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。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”。1909年，英国物理学家卢瑟福(E. Rutherford) 在他的学生盖革(H. Geiger)和马斯登(E. Marsden) 的协助下，发现 粒子轰击原子时，大约每八千 个 粒子中有一个被反射回来。汤姆逊模型无法 对该实验结

3、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”(也被称为“ 卢瑟福行星模型”)E. Rutherford， 1908年诺贝尔化学奖 得主，外号：鳄鱼。原子核电子卢瑟福原子 模型玻尔的原子模型(Bohrs Atom)尼尔斯 玻尔(Niles Bohr)，丹麦人，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。1926年，Schrdinger创立量子力学（波动力学），量子力 学的计算结果表明原子核外的电子应该具有“电子云”结构。2、重核的裂变和轻核的聚变2.1 费米的中子实验 一代物理大师费米(Enrico Fermi, 1901-

4、1954)出生于意大利，25岁时 就当上了罗马大学物理系教授，1938年荣获诺贝尔物理奖。在他的努力下，罗马在二十世纪三十年代成了世界上又一个物理学研究中心。2.1.1 “超铀元素”之谜 1934年，费米想到用中子作为入射粒子轰 击原子核要比粒子有效得多。(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。)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”(原子序数大于92

5、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1934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。 2.1.2 慢中子的作用 1934年10月，费

6、米等人发现慢中子比快中子更能有效地诱发核反应。这一发现具有重要意义，因为慢中子是核裂变尤 其是链式反应的基础。2.2 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。”伊伦娜 居里错过了裂变的发现！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

7、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。Nuclear Fission哈恩(Otto Hahn, 1879-1968) 是 德国化学家，因发现核裂变而荣获 1944年诺贝尔化学奖。 斯特

8、拉斯曼(Fritz Strassmann)，德 国化学家，曾协助哈恩发现核裂变。弗里希(Otto Frisch)，梅 特纳的外甥 ，著名的核 物理学家。著名核物理学家丽斯 梅特纳(Lise Meitner, 18781968)，1878年出生于奥地利维也纳，犹太人，维 也纳大学历史上第一个女物理学博士。她长期在德国 工作，由于才华出众，被称为“德国的居里夫人”。她在一战期间上过战场；二战之前被迫逃往瑞典 ；最后定居英国。由于当时对妇女的偏见，她直到一战之后才得以 在柏林大学担任教职，1922年才获得讲课的权利梅特纳长期与哈恩合作，为核裂变的研究做出了卓越的 贡献，但由于各种偏见，她一 直被拒之

9、于诺贝尔奖的殿堂之 外。为了纪念她，人们把109 号元素命名为Meitnerium(符 号Mt)。1946年底，中国物理学家钱三强与何泽慧在法国居里实 验室发现了核裂变的三分裂现象，即裂变碎块有三块(其中之 一往往是粒子)。不过，这种过程的几率很小，约为二分裂的千分之三。婚后不久，二人一起发现了核裂变的三分裂现象，何泽 慧还首先观察到了四分裂现象；约里奥-居里认为这是第二次 世界大战之后他的实验室里的一个重要成就。他们因此被誉 为“中国的居里夫妇”。“中国的居里夫妇 ”钱三强 何泽慧2.3 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

10、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。Controllable Chain Reaction要实现可控链式反应，必须解决两个关键问题：第一，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)。第二，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。

11、费米他们利用镉棒(Ge)吸收中子来控制反应速度。著名物理学家西拉德(Leo Szilard 1898 1964)，出生于匈牙利。他爱好广泛，在原子核的链式反应及原子弹的研制过程中起到了重要的 作用。是“实际的原子弹之父”。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

12、利用的新纪元！左上：原子核反 应堆结构和原理 示意图右上：第一个原 子核反应堆铀层 与石墨层的构造下：第一个原子 反应堆外观草图第一座原子核反应堆的建造情况 (下图)和第一个链式反应实验的场景 (右图) 。共有42人参加了人类第一个链式 反应实验：费米担任总指挥；韦尔 (G. L. Weil)操控镉棒；三个热血青年组成“自杀小组”， 严阵以待，以防不测 “The Italian navigator has landed in the New World,“ said Compton. “How were the natives?“ asked Conant. “Very friendly.“反

13、应堆运行得出乎意料地安静、平稳，在场的唯一一位女士莱昂哪 伍 兹(Leona Woods)忍不住走到费米面前，以一种毫无畏惧的声调悄悄地问： “我们什么时候才能被吓一大跳呢？！” 实验结束，维格纳(Eugene Wigner, 19021995, 1963年获诺贝尔物理奖) 取出一瓶意大利基安蒂(Chianti)酒和纸杯，在场的人都喝了庆功酒，并在酒 瓶的包装盒上签了名。一个名叫瓦坦伯格(A. Wattenberg)的青年物理学家收起了那个著名的基 安蒂酒瓶 ，十年后 实验成功，康普顿用暗语向上级康南特先生(J. B. Conant)进行了汇报：Back row, left to right,

14、 Norman Hilberry, Samuel Allison, Thomas Brill, Robert G. Nobles, Warren Nyer, and Marvin Wilkening. Middle row, Harold Agnew, William Sturm, Harold Lichtenberger, Leona Woods Marshall, and Leo Szilard. Front row, Enrico Fermi, Walter H. Zinn, Albert Wattenberg, and Herbert L. Anderson.竖立在芝加哥大学体育场上的

15、纪念碑铜牌“1942年12月2日人类在此完成了第一次自持的链式反应，开始了受控的核能释放。”2.4 轻核的聚变总的效果是：轻核的聚变反应有下列四个常见过程： 3 原子能的利用核裂变能和核聚变能分别是化学能的250万倍和 1000万倍，1千克铀235相当于2500吨煤，1千克氘和 氚相当于1万吨煤。原子核发生变化时释放出的能量被称为原子能， 也被称为“核能”。重核裂变和轻核聚变时都能释放 出巨大能量。 3.1 核电站核电站是利用原子核裂变反应所放出的核能，由冷却 剂带出，把水加热为蒸气，驱动汽轮发电机组进行发 电的发电厂。 (1) 核电成本比煤要低 (2) 环境污染要比燃煤电站小得多 (3) 运

16、行安全可靠 优势:大陆地区正在运行的是2座核电站：秦山核电站(30万 千瓦)以及广东大亚湾核电站(2 90万千瓦)，总装机 容量约占全国(大陆地区)总电力的1.3。目前我国又有4座核电站（8套机组）正在建造中：岭澳核电站、秦山二期、秦山三期和连云港核电站。总 计将新增装机容量660万千瓦，全部完成后，将使核 电占全国大陆总电力的 3。我国台湾目前有6座核电站在运行，发电量约占全省 总电量的 40。3.2 原子弹简史3.2.1 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。 10月11日一位和西拉德有过交往的经济学家萨克斯(Alexander Sachs)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。 1939年8月2日，西拉德、维格纳和特勒(Edward Teller, 190