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1、2004-12-8,山东师范大学物理与电子科学学院,1,第十章 原子核及粒子物理学的兴起,一 人工核反应的实现及质子的发现 二 中子的发现 三 人工放射性的发现 四 慢中子效应和核裂变的发现 五 正电子的发现 六 中微子的发现 七 介子理论的建立 八 奇异粒子的研究 九 粒子的分类 十 强子结构和夸克理论,2004-12-8,山东师范大学物理与电子科学学院,2,原 子 核 物 理 学 的 兴 起,前言 原子核物理学是研究核的性质、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，属于当代物理学的前沿。 粒子物理 (高能物理)是研究场和粒子的性质、运动、相互作用和相互转化规律
2、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。 原子核物理学及粒子物理的工作 1.实验研究: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300多种。 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。 2.理论基础是量子场论，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 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粒子在空气中的射程时注意到，粒子在空气中的射程一般只有7厘米，但有的粒子的射程竟达40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粒子的撞击所致。因为粒
3、子的质量是氢离子质量的4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1917年开始，卢瑟福进行了粒子轰击氮原子核的实验。装置如右图。A为射线源，可前后移动，利用显微镜M观察透过窗口F在荧光屏S上的闪烁。,当从阀T充入氮气，放射源A距观察屏S的距离超过粒子的射程很多时，屏上仍有闪烁，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。,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生了核嬗变：从氮核中释放出了氢核（质子）。 1919年，卢瑟福明确表达了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场和电场
4、，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-质子。 后来英国卡文迪什实验室的布拉凯特在充满氮的云室里做了粒子轰击氮核的实验，并拍摄了两万多张云室的照片，终于从40多万条粒子径迹中发现有8条产生了分叉。从而证实,2004-12-8,山东师范大学物理与电子科学学院,4,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(J.Chadwick)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，可见质子是原子核的组成部分。,二 中子n的发现 1.卢瑟福的预言：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-电子核模型。但是这个模
5、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，看成是一个单独的中性粒子。 1920年6月，卢瑟福预言：原子核内可能存在着质量与质子质量相同的中性粒子。1921年美国化学家哈金斯将它命名为“中子”。 2.中子发现的前奏：1930年德国物理学家博特(W.G.F.Bothe)与贝克尔(H.Becher)用天然放射性元素Po放出的粒子轰击铍 Be，发现从铍放射出一种穿透能力极强的射线。且这种射线在磁场和电场中都不会发生偏转。人们认为是高能量的射线。,2004-12-8,山东师范大学物理与电
6、子科学学院,5,1932年1月，法国物理学家约里奥-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量质子来。约里奥-居里夫妇把这种现象当成是一种强射线造成的“康普顿效应”。错失发现中子的良机。 3.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性研究。对于约里奥-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，发现这种射线与通常的射线性质有所不同：通常射线照射到物质上时，物质密度越大，对射线的吸收越厉害，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一定质量的中性粒子流。通过对反冲核的动量测定，再利用
7、动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。于是查德威克意识到这就是卢瑟福曾经预言的“中子”。于是在1932年的Nature上发表了中子可能存在的论文。,2004-12-8,山东师范大学物理与电子科学学院,6,2004-12-8,山东师范大学物理与电子科学学院,7,4.意义 1）建立了原子核的正确模型。 2）引起了一些新的研究课题。 3）由于中子不带电，因此就使人们在核物理的研究中，拥有了一颗威力无比的炮弹，人们利用它打开了核能仓库，昂首迈入原子能时代! 查德威克的成功，是他能够将理论预言与实验现象密切结合，抓住机遇的结果。,原 子 核 物 理 学 的 兴 起,查德威克像
8、,2004-12-8,山东师范大学物理与电子科学学院,8,伊伦娜居里和约里奥居里,原 子 核 物 理 学 的 兴 起,三 人工放射性的发现 1934年1月，约里奥-居里夫妇用粒子轰击铝，发现撤走放射源后，还可检测到放射性。化学分析表明，他们得到了自然界中并不存在的放射性同位素磷-30，即 27Al13+4He230P15+1n0 磷-30经衰变放出正电子,变成稳定元素硅:30P1530Si14+0e1 他们又用粒子轰击硼和镁，得到放射性同位素氮和硅。这样约里奥-居里夫妇因人工放射性的发现而获得1935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。 后来人们发现，用粒子轰击轻元素能够得
9、到放射性同位素，但用粒子轰击重元素，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，与粒子的库仑斥力很难让粒子产生轰击效果。所以他选用中子作实验，尽管中子的产额很少（核反应放出的中子一般少于10-4），但由于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子大得多。,2004-12-8,山东师范大学物理与电子科学学院,9,四 慢中子效应和核裂变的发现 1.慢中子效应的发现：1934年10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
10、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100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“核时代的起点”。 费米简介：美籍意大利物理学家，1901年9月29日出生于意大利罗马。17岁时进入比萨大学，毕业时，他以X射线的专题论文获得博士学位。之后赴德国格丁根大学，拜玻恩为师，1924,2004
11、-12-8,山东师范大学物理与电子科学学院,10,1934年，用中子轰击了63种元素，得到了37种放射性同位素。在实验中，发现了慢中子及其效应。在用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素，获得了1938年诺贝尔物理学奖。由于受法西斯迫害，借领诺贝尔奖之机，携家移居美国，在哥伦比亚大学任教。 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，同时预见到制造原子武器的危险。,2004-12-8,山东师范大学物理与电子科学学院,11,年回意大利佛罗伦萨大学任教，并因在理论物理学方面的贡献引起世界范围的注意。19
12、26年，任罗马大学理论物理学教授，1927年提出费米-狄拉克统计理论，1933年提出衰变理论。,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、西拉德等科学家于1939年8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10月11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，1941年12月6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“曼哈顿计划”。 1942年12月
13、2日，以费米为首的一批美国科学家建造了第一座原子反应堆，人们利用原子能的时代从此开始。 1954年11月28日费米因胃癌逝世于美国的芝加哥，年仅53岁。为纪念他，第100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,12,2.核裂变的发现： 1934年，当费米小组用中子轰击铀23892U时，得到了半衰期为13分钟的一种放射性产物。经分析它不属于铅-铀之间的重元素。1934年5月费米在Nature上发表了一篇短文原子序数高于92的元素可能生成，报道了可能是一种“超铀”元素93。在随后的4-5年里，人们又陆续“发现”了超铀元素94、95、96和97号“超铀”新元素
14、。其实，这就是最早出现的重核裂变现象。 在“超铀”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：当中子轰击原子核时，原子序数将增1，产生一新元素。但德国女化学家诺达克夫人(T.Noddack)却提出不同看法，她认为：“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，而不是被辐照元素的近邻”。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“纯粹是谬论”。,2004-12-8,山东师范大学物理与电子科学学院,13,1938年，伊伦-居里和南斯拉夫的沙维奇(P.Savitch)进行了有关“超铀”元素的分离和分析实验。他们用中子
15、轰击铀，产生了半衰期为3.5小时的放射性元素，其性质接近镧（镧原子序数为57，后证实是镧-141），于同年5月将实验结果发表在科学院通讯上。由于产生的放射性元素同铀和“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。 当时德国化学家哈恩及犹太血统的奥地利女化学家迈特纳(L.Meitner)也正在从事放射性研究。看到伊伦-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确有中间元素（镧和钡）产生。1939年1月，德国自然科学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
16、研究所工作的迈特纳。迈特纳和她的侄子弗里胥(O.Frisch，1934年流亡国外，在玻尔理论物理研究所工作)对哈恩的结果进行了讨论。弗里胥在玻尔“液滴核模型”的启发下，想到：如果核被中子击中,2004-12-8,山东师范大学物理与电子科学学院,14,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玻尔。玻尔听了十分高兴，惊呼：“正应该如此”。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。“裂变(fission)”一词也由此产生。 3.链式反应：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“中子过剩”问题：轻核中子和质子数近于相等，中等核中子数略多，重核中子数比质子数大的多。因此重核分裂成两个较轻核时，必然出现中子
