相对论(2)

yx0BAuxX’Y’0‘vABux’yx0ABvm0mY’0‘X’vABvmm0全同粒子A和B发生完全非弹性正碰xummmv)(0即0mmmvuxS:S’:'0)(xummmv即xxummmvu0'由动量守恒和质量守恒二、质量S:S’:全同粒子A和B发生完全非弹性正碰xummmv)(0即0mmmvux'0)(xummmv即xxummmvu0'2'1cvuvuuxxx由和xxuu'112xxuvcvu代入110022mmmmmmcv化简后得2201cvmm把m0看成静止质量，mmmmcv0022111200021(1)mmmvmcmm如图所示，质量m随速度增大而增大。质量：2201cvmm0m动量：pmvvcvm2201vm001.02.03.07.06.05.04.08.00.19.012345cv0mm考夫曼1901o91901519图质量随速度变化oooo*力和加速度的关系力和加速度方向不一致()dFmvdtdvdmmvdtdtntFFFntdvdvdmmmvdtdtdtntmamadmvdt0221nnnmFmaaucttdmFmavdtdvdmmvdtdt0221mvddtvc02232(1)mdvvcdt()dmvdt02232(1)tmavc与tana前面的系数不同所以力和加速度方向不一致也沿切向v前面定义了导出了vmp2201cvmm的定义沿用fdtpdf其中;vcvmvvmp2201dtpdf是牛顿第二定律在相对论中的推广.三、力、功和能功能关系仍具有牛顿力学中的形式KdEsdf需要找出动能的表示式KEdmvfdsdsdt?dmdmvvvdvmdmvvdmvfdsdsdmvvdt?dm2201cvmddmvdvvcmdm22dmvcvdvm22dmcdsf2若物体由静止到速度为vmmEKdmcsdfdEK020202cmmcEKv相对论的动能公式dmvvvdvm讨论;1),当221vc202212201cmccvmEK202220211cmccvm高次项2021vmEK牛顿力学的动能公式------对应原理202cmmcEK2),E0=m0c2静(质)能,一种新形式能量.讨论：1.把粒子的能量和质量联系起来,数值相差一常数因子c2。2.在相对论中,能量守恒和质量守恒统一起来。2iiiiEmciim常量常量——能量守恒——质量守恒3.粒子相互作用中相对论质量iimv守恒，但其静止质量0iim并不守恒，所谓的的质量守恒只是相对论性质量守恒在粒子能量变化很小时的近似。2Emc2021mcK0EEE28216001(310)910EmcJ4。静止能量实际上是物体的总内能---分子的内能、势能、原子的电磁能、质子中子的结合能等。静止能量是相当可观的。例：一公斤的物体的静止能量相当于20吨汽油燃烧的能量。5。质能相互依存，且同增减2Emc从质能公式可知总能量正比于质量即那儿有能量，那儿就有质量，而且那儿有质量的变化，那儿就有能量的变化。即：2mcE深层次理论突破实践上的巨大变化202cmmcEKm和E的关系E0+EK=E(总能量)E=mc2重核分裂0000iiMmmMm2mcEk0000MmmmMii轻核聚变质量亏损例.氢弹的核聚变23411120eHHHn氘氚氦中子2.0136u4.00260u1.00867u3.01600u271.66010ukg02.01363.016005.02960muuu0'4.00261.008675.01127muuu05.029605.011270.01823muuu解：反应前总静止质量反应后总静止质量293.04310kg229821273.04310(3.0010)2.74101.7110EmcJeV2克氘核反应结果可产生相当于60吨煤燃烧的能量(仅一个氘核）221COCOeV3,能量和动量的关系;E2=p2c2+m02c4证明如下;42022224cmmvcmc22220022221mcmmvcvc42022cmcpE例;光子;m0=0,以光速c运动的粒子.h=6.626x10-34焦耳秒.hchcEp2hmcEpcm0c2Eh00mEhhp光子2222220cmvmmc例在什么速度下粒子的动量等于其非相对论动量的两倍？在什么速度下粒子的动能等于其非相对论动能的两倍？解（1）002221mmcvvv32cv（2）222000221mcmcmcvv2222111ccvv512cv例要使电子的速度从v1=1.2×108m/s增加到v2=2.4×108m/s,必须对它做多少功？解2221Amcmc220022222111mcmcccvv0.295MeVAvmp202kcmmcE例如：两个静止质量为0m的全同粒子，它们各自以速率v相向而行，所以它们相对性质量均为,vm设两粒子作完全非弹性碰撞后，变成一个静止的复合粒子，其静止质量为M0。由于粒子在碰前后能量守恒，因此有：2022mccM20cM22Emc02mM——能量守恒——质量守恒两粒子在碰撞过程中，静止质量并不守恒。静止质量的增量0002mMM022mm称为质量亏损。实际上碰前两粒子动能转化为碰后静止复合粒子的内能，即：1112220cmKE内E20cM核裂变:一个重原子核分裂成为两个（或更多个）中等质量碎片的现象。核燃料主要有235U(铀)、239Pu(钚)和233Th(钍)。核的聚变•聚变反应：轻核在一定高温条件下融合成较重的核，所以又称热核反应（1）核裂变过程（以235U为例）：当235U核吸收一个中子后，就会形成复合236U核，而236U核是不稳定的，它很快发生形变由椭球形进而变成不对称的哑铃形，然后发生断裂，成为两个略有大小差异的产物核，同时放出若干个中子，下图为复合核裂变示意。2351139951920543802200UnXeSrnMeV(2)链式反应与临界质量•链式反应：重核的裂变是通过中子的轰击实现的•核裂变过程中有“次级中子”再去轰击重核引起另一次裂变，然后再产生中子•形成一种核裂变的“链条”，使得裂变反应一直延续下去，这种连续不断的裂变反应就叫做“链式反应”。临界质量：因对于一种核燃料以及一种核燃料区的形状，例如球形、柱形或其它，都有一相应的最小体积（或质量）使中子逃逸几率足够小以致能维持核燃料区内的链式反应，这个体积（或质量）就称为临界体积（或临界质量）。核燃料的质量达到临界质量是维持链式反应的必要条件。临界质量的大小除了与核燃料区的形状直接相关外，还与核燃料的性质（浓缩度、材料密度）密切相关。（3）原子弹原子弹利用的是不加控制的链式裂变反应，从而在瞬时间可以形成雪崩式的裂变反应，使大量核燃料在极短时间内“燃烧”释放出大量能量，造成极端严重的杀伤和破坏。美国科学家在开始制造原子弹时采用了两种方法使一个核燃料的次临界系统转换成超临界系统，从而使中子大量增殖而形成雪崩式的连式反应。其一是“枪法”，这是把两块次临界的裂变材料放在“枪筒式”的机械装置内，用化学爆炸将两块核材料迅速合并成一块，使之成为超临界系统。1945年，美国投在广岛的外号“瘦子”的第一颗原子弹就是用这种方法制成的。下图表示“枪式”原子弹的示意图。其二是“内爆法”，这是将一块处于次临界状态的核燃料（一般为球形），通过化学聚心爆炸将核材料压缩成高密度状态，使之转变成超临界系统。1945年，美国投在长琦的外号“胖子”的第二颗原子弹就属这一类。下图为“内爆式”原子弹的原理图。一般认为内爆法可以获得更高的超临界度，具有更大的优越性。2、氢弹核聚变首先是在氢弹中实现的。在氢弹中主要采用的核聚变反应是D–T反应，因为D–T反应释放的能量较多而要求的温度条件又较低。氢弹中的主要燃料是氘化锂。氢弹中热核反应所需要的高温高密度条件一开始是由一颗原子弹提供的，这个原子弹被称为氢弹的“扳机”，然后，由热核反应产生的能量的在一定时间内继续维持热核反应所必须的条件。于是氢弹就能在短时间内释放大量能量，形成比原子弹威力大几百倍的大规模毁灭性武器。我国科学家在研制原子弹时一开始就采用了技术复杂但较先进的内爆法。•1964年10月爆炸了我国的第一颗原子弹（当量为2万吨TNT）。•1967年6月抢在法国之前爆炸了我国的第一颗氢弹（当量为300万吨TNT）。成为继美、苏、英以后第四个拥有氢弹的核大国，从而打破了美苏两霸的核垄断，为实际制止核战争的爆发作出了重大贡献。中国第一颗氢弹爆炸中国第一颗原子弹爆炸原子弹（氢弹）的破坏力表现在三方面：1、光辐射：当核弹爆炸后，最先看到的是极强的光。这种强光可以引发近处的一切物体的燃烧，即使对距离很远处的人或动物也可以导致眼睛失明。2、中子和γ辐射：这种强粒子辐射可以立即使人和动物死亡，也可能使人患放射病。3、冲击波：它可推倒建筑物、杀伤人员。（4）核电站•链式反应的控制原子弹是一种不加控制的裂变反应器，它在极短时间内释放出大量核能，极具破坏性，很难被作为能源来利用。因此裂变能的和平利用，首先要解决链式反应的控制，一是要控制其超临界度，不能让它发生雪崩式的反应；二是要使它在超临界和次临界状态间随意转换。链式反应的控制方法•通过快速的机械手段由吸收或不吸收缓发中子来调节系统达到超临界的条件。•让快中子在某些特定的介质中通过碰撞损失其能量而变成热中子（慢中子），这个过程称为慢化，而那些特定介质就称为慢化剂。重水是最好的慢化剂，石墨也是一种良好的慢化剂，1944年，费米就是用它作成世界上第一个反应堆的。•控制热中子：采用镉（48Cd）作为热中子反应堆的控制棒。•核裂变发电站概貌核电站组成：核反应堆、热交换器和发电装置。•核反应堆通常采用热中子堆，常用的有压水堆、重水堆、石墨堆等。•反应堆的堆心是原子能发电站的心脏，其中有燃料棒、慢化剂、冷却剂和控制棒（镉棒）。当镉棒插入时，堆心处于次临界状态，镉棒拔出时堆心就处于超临界状态，于是控制镉棒就可以控制反应堆的运行。冷却剂用来冷却燃料棒，并通过热交换器将热量送到无放射性的发电部分，供发电使用。研究性重水反应堆中国1980年建成的高通量工程试验堆堆芯秦山核电站的原理示意图•核电站的发展现状•1954年，前苏联建成了世界上第一座热中子核电站，而后被世界各国广泛推广。•目前现状：世界上已经投入运行的热中子核电站已有428座，在建的有61座，遍布各大洲34个国家和地区，总装机容量已达4亿多千瓦，约占世界发电总量的1/5。美国占首位，约占世界的1/3，其次为法国、日本、德国和俄罗斯。法国已有57座核电站在运行，发电量占其全国总发电量的77%，为世界之最。我国目前仅有秦山核电站和大亚湾核电站两座，装机容量仅占总装机容量的1%左右。核电虽然造价较高，但运行成本低于火电，环境污染也比火电小得多，作为一种极好的能源，将来会在全世界广泛推广使用。早在1951年美国就建成了快中子堆的核电站，但由于技术复杂，不易控制，后来未能推广。但是快堆核电站能够再生核燃料，即用快中子轰击238U产生230Pu，从而大大降低了运行成本，具有商业价值，所以快中子堆开始从完全军用（生产核弹用钚）进入民用，但真正实用还得假以时日。秦山