北大核物理与粒子物理导论课件00导论

■主要参考书卢希庭、江栋兴、叶沿林：《原子核物理》修订版原子能出版社，2000年K.Heyde,BasicIdeasandConceptsinNuclearPhysics,BristolandPhiladelphia,1994.K.S.Krane,IntroductoryNuclearPhysics,JohnWiley&Sons,NewYork,1987.W.S.C.Williams,NuclearandParticlePhysics,ClarendonPress,Oxford,1991.W.E.BurchamAndM.Jobes,NuclearandParticlePhysics,Longman1995—YeYanlin,SchoolofPhysics,PekingUniversity,Spring2006———————————NuclearandParticlePhysics–Introduction—————————12种微观世界中的结构与相互作用2Ai=11(,)2AiijijipVrrm=Η=+∑∑rrr量子场论[Heyde,“Introduction”]12种原子核：◆强作用量子多体复杂系统◆关系能源、国家安全等重大应用◆大科学—带动先进复杂技术◆人才培养—科学和技术综合型主要前沿：◆强子物理◆放射性核束物理◆高温高密核物质◆核天体物理◆原子核中的基本相互作用与对称性国际长远学术发展国家大科学工程安排实验工作和队伍基础关联重大应用选择因素原子核是物质结构的一个微观层次，是典型的量子多体复杂体系。原子核中包含了丰富的内秉自由度与最多种类的基本相互作用，储存着宇宙间绝大部分能量。100近百年来，核物理与粒子物理处于物质科学的最前沿，对人类的生存发展和国家的地位与安全发挥了重大影响，成为衡量综合国力的一项重要标志。在自身发展的同时，还为其它许多学科提供了重要的理论基础和研究手段。进入21世纪，核能和核安全在国家核心利益中的地位愈加显著。在基础研究方面，以兴建若干大科学工程为标志，国际上核物理和粒子物理学科正在继续蓬勃发展并面临着重大的突破，必将继续对各国的国防、能源、交叉学科等的发展起重要的推动作用。面对今天极具挑战的国际环境，中国理应在这种大科学领域中有所为，积极参与国际竞争，以提高国家和民族的地位，为核科技的未来发展提供的亟需的人才和高科技储备。核物理是典型的大科学，在全球范围开放合作竞争。在这种研究中，实验装置的建设通常都需要自主研发，因此对于工业技术的带动和实验人才综合能力的培养特别有利，但同时也有出人才和出成果的周期比较长，需要比较大的公共资源投入的特点。■课程目的：介绍基本知识，接触学科前沿，提供比较实际的科学思维训练。*接近实际，依赖实验，唯象成分较多。*希望研究性强一点—NuclearandParticlePhysics–Introduction—————————■学科（广义）：研究物质结构的最微观层次和最丰富的基本相互作用，也是核技术应用的基础。旧石器时代：约170-1万年前（石器、骨器、装饰）新石器时代：约1万-4千年前（彩陶、符号、农业）夏：前21-前16世纪（青铜、酒器、手工业）商：前16-前11世纪（甲骨文、歌舞）周：前11世纪-前771年（诗歌、典章制度）前言■探索物质历史回顾公元前11世纪，周代，中国祖先“五行”说（一切物质都由金、木、水、火、土五种基元组成）。—NuclearandParticlePhysics–Introduction—————————公元前430年左右，古希腊哲学家认为大地由土、气、水、火四种基元组成。德谟克利特（Democritus）提出“原子”的概念，认为物质是由微小个体组合而成的。以上只有哲学的意义。春秋：前770-前476年战国：前475-前221年秦：前221-前207年西汉：前206-8年东汉：25-220年三国：220-265年西、东晋、十六国265-420年南北朝：420-589年隋：581-618年唐：618-907年五代十国：907-960年北宋、辽，南宋、金：960-1279年元：1271-1368年—NuclearandParticlePhysics–Introduction—————————明：1368-1644年清：1644-1911年力学：开普勒三定律：1609-1619年伽利略落体定律：1638年牛顿（1642-1727），伯努利（1700-1782），拉格郎日（1736-1813）热力学统计物理，光学：17-19世纪电磁学（+光学）：库伦（1736-1806），奥斯特（1777-1851），安培（1775-1836），法拉第（），欧姆（1784-1854），麦克斯韦（1831-）1661年，玻意尔从化学意义上给出元素定义：元素是一种基质，它可以与其它元素结合形成“化合物”，但把它从化合物中分离出来后，它便不可能被分解成比它更简单的物质。1803年，英国化学家道尔顿提出化学原子论：每种元素都对应一种物质单元——原子；元素的差别是由于它们所对应的原子不同；化学反应中原子不变。（原子的真实性问题？）1869年，俄国化学家门捷列夫与德国化学家迈耶建立元素周期表。19世纪末，化学和经典物理学的完整体系建立。—NuclearandParticlePhysics–Introduction—————————■核科学的创立阶段1895年，伦琴（Rontgen）发现X射线。1896年，贝克勒尔（Becquerel*）发现铀的天然放射性。这是人类第一次发现核现象，但当时并不理解。（注：*表示诺贝尔奖获得者）—NuclearandParticlePhysics–Introduction—————————1897年，汤姆逊（J.J.Thomson）发现电子。1898年，居里*（Curie）夫妇分离出放射性的钋（Polonium）和镭（Radium）。1898年，卢瑟福（Ruthfold）发现α、β射线。1900年，维拉德发现γ射线。1905年，爱因斯坦*（Einstein）提出相对论。1909年，卢瑟福*验证α粒子就是氦原子核。1911年，卢瑟福用α粒子轰击金箔发现原子核。—NuclearandParticlePhysics–Introduction—————————1911年，卢瑟福*发现原子核。1912年，赫斯发现宇宙射线。1912年，威尔逊*（Wilson）建立云室。1913年，汤姆逊*(Thomson)发现稳定同位素。1913年，玻尔*（N.Bohr）建立原子核的行星模型。1913年，北大设物理门。—NuclearandParticlePhysics–Introduction—————————叶企孙先生1921年在美国用X-射线法测定的普朗克常数是当时最精确的值，被物理学界沿用达16年之久。吴有训先生1925年以他精湛的实验技术、严密细致的工作和精辟的理论分析，为康普顿效应的确证及其丰富、发展作出了杰出的贡献。赵忠尧先生1930年在美国进行的“硬γ射线散射”实验研究中，发现了“反常吸收”和“特殊辐射”新现象，特别是他测定的“特殊辐射”能量是0.5MeV（等于一个电子的质量）。两年之后，安德森在他的师兄赵忠尧实验的启发下，在宇宙线的云室照片中发现了正电子（科学家发现的第一个反粒子）。1914年，默塞莱（Moseley）用X射线测定原子核的电荷。1919年，卢瑟福*等实现首次人工核反应。1919年，阿斯顿*（Aston）建立质谱仪。1925年，Goudsmit和Uhlenbeck提出自旋的概念。1926年，薛定谔*（Schrodinger）建立量子力学。1928年，Gamow、Gurney和Condon提出α放射性理论。1930年，泡利*（Pauli）提出中微子假说。—NuclearandParticlePhysics–Introduction—————————1931年，范德格拉夫(VanDeGraaff)建立静电加速器。1931年，Sloan*和Lawrence*建立线性加速器。1932年，Lawrence*和Livingston建立回旋加速器。—NuclearandParticlePhysics–Introduction—————————1932年，Urey*、Brickwedde和Murphy发现氘核。1932年，安德逊*（Anderson）发现正电子。1932年，查德威克*(Chadwick)发现中子。1932年，海森堡*（Heisenberg）提出核的质子-中子结构模型。1932年，赵忠尧在清华开创我国的核物理实验研究。—NuclearandParticlePhysics–Introduction—————————原子核裂变（放出2～3个中子和200MeV能量）■经典核物理的成熟阶段1932年，Cockcroft*和Walton*利用加速器实现核反应。1934年，居里*和约里埃*（I.Curie,F.Joliot）发现人工放射性。1934年，费米*（E.Fermi）提出β衰变理论。1935年，Yukawa*提出介子假说1935年，Bothe*建立符合测量方法。1936年，玻尔*（N.Bohr）提出复合核理论。1937年，Neddermeyer和Anderson*发现宇宙射线中的μ轻子。1938年，Hahn*和Strassman发现重核裂变。1938年，Bethe*提出天体中的热核能源。1939年，N.Bohr*和Wheeler建立裂变的液滴模型。1940年，McMillan*和Seaborg*产生第一个超铀元素。—NuclearandParticlePhysics–Introduction—————————1941年，Kerst建立第一台电子加速器。1942年，费米*(Fermi)等实现受控链式核反应。1944年，McMillan*和Veksler建立同步加速器的相稳定方法。1945年，第一次原子弹爆炸。（赵忠尧现场观察）—NuclearandParticlePhysics–Introduction—————————1946年，Gamow提出大爆炸学说。1946年，Bloch*和Purcell*建立核磁共振方法。1947年，Libby*发展放射性测年方法。1947年，在Berkeley建立第一台质子同步加速器（350MeV）。1947年，Powell*发现π介子。1948年，Alvarez*建立第一台质子直线加速器。1949年，Mayer*、Jenson*、Haxel和Suess提出核的壳模型。1949年，Kallmann、Coltman和Marshall建立闪烁探测器。1952年，在Brookhaven建成2.3GeV质子同步加速器。1952年，第一次热核武器爆炸。1953年，Gell-Mann*和Nishijima*提出奇异性假说。1953年，A.Bohr*、Mottelson*和Rainwater*提出原子核的集体模型。—NuclearandParticlePhysics–Introduction—————————钱三强1946～1948年留法期间，发现了铀核受慢中子轰击后可分裂为三块或四块裂变碎片，即三分裂和四分裂现象，并提出了三分裂机制。约里奥-居里认为，这是第二次世界大战后他们的实验室里的一个最重要的成就。1947年张文裕在美国普林斯顿大学，从实验上发现了μ子是弱作用粒子和“μ子原子”，以及证明μ子被核俘获后在定态轨道间跃迁时会发射低能光子，国际上称之为“张原子”和“张辐射”，开拓了奇异原子研究的新领域。—NuclearandParticlePhysics–Introduction—————————虞福春先生在斯坦福大学从事博士后研究期间，在核磁共振研究领域取得了重大科研成就，载入二十世纪科技发展史册。1949年他在世界上最先确立核磁共振化学位移效应和自旋耦合劈裂效应，为核磁共振谱学奠定了基础；1950年首次测定17O自旋值5/2，证实了存在自旋－轨道耦合的核壳层结构理论；精确测定20多个稳定核素磁矩，对核基本