物理学专业前沿讲座

现代物理学工程技术Page12020/4/16学时：36现代物理学工程技术Page22020/4/16前言物理学与核技术物理学和粒子物理物理学与宇宙学物理学和激光技术与工程物理学与量子技术内容现代物理学工程技术Page32020/4/16前言技术源于生产活动、生活经验技术的物质形式：工具在人类历史上，技术的出现先于科学。科学从技术的探索与运用中诞生现代物理学工程技术Page42020/4/16前言科学知识的源泉：一是由于生产发展的需要二是人类对客观世界的好奇心和求知的兴趣感性认识理性认识思考自然界内在的规律观察分析归纳现代物理学工程技术Page52020/4/16前言科学（首先是物理科学）的革命，引发了生产技术的革命，使人们对基础科学、应用科学、工程技术和生产活动的关系，有了新的感受和认识。哥白尼19世纪17世纪16世纪爱因斯坦麦克斯韦牛顿20世纪科学独立存在有了完整的体系现代物理学工程技术Page62020/4/16前言物理学与科学技术：互相促进、携手并进、相互渗透；与哲学、社会科学密切相关，共同推动着经济与社会的发展；从生产方式、生活方式与思想观念上改变了人类文明的进程。现代物理学工程技术Page72020/4/16前言物理学：对许多工程技术领域的开创起着先导、引领的作用；工程技术：直接地创造生产力，反过来开拓、深化了物理学研究的疆域，并为之提供了丰富精致的环境条件和研究手段。在现代社会进步的历程中，物理学和工程技术之间存在紧密的相互联系和深刻的相互作用。一、物理学与核技术田湾核电站现代物理学工程技术Page92020/4/16原子核物理学的新发现是核工程技术的基础与先导19世纪末，相继发现了放射性、原子光谱、X射线、和电子1911年卢瑟福提出了原子的核式模型，但存在困难，需要改造1913年玻尔完善原子结构理论:1）定态假设；2）量子化假设；3）跃迁假设1905年爱因斯坦提出了相对性理论；提出了四维时空的新概念;提出了质能关系及其著名表达式E=mc2现代物理学工程技术Page102020/4/16原子原子核+核外电子核衰变α衰变β衰变衰变一、原子核衰变现代物理学工程技术Page112020/4/16例如，一个铀核衰变成钍核的方程是α衰变：α衰变是指某种原子核（称为母核）因自发放射粒子（）而转变成新核（称为子核）的过程。其衰变模式为He42HeYX422AZAZHeThU422349023892特点：1）质量数大于1402）α粒子能量不连续，核内能量量子化现代物理学工程技术Page122020/4/16例如，一个钾核衰变成钙核的方程是β衰变：原子核通过自发放射粒子而完成的衰变过程特点：1）出射电子的能量连续2）相当于核中的中子转变成质子vAZAZeYX1veCaK40204019现代物理学工程技术Page132020/4/16β衰变连续能谱现代物理学工程技术Page142020/4/16例如，铊核发生的衰变衰变：处于激发态的原子核因发生跃迁而释放出光子的过程特点：1）出射光子的能量分立2）核内部能量非连续γAZAZXX*γTlTl20881*20881现代物理学工程技术Page152020/4/16放射性:然放射性、人工放射性•天然放射性元素的原子序数都大于81，并依次形成三个质量数分别为4n、4n+2和4n+3的放射系，即钍(Th)系、铀(U)系和锕(Ac)系。唯有在人工放射条件下，才能见到质量数是4n+1的镎(Np)放射系，原因是该系各原子核衰变得较快，以致无法长期存在。现代物理学工程技术Page162020/4/16二、衰变速率•卢瑟福最早发现，钍元素放射强度大约1分钟减弱为原来的1/2，而在2分钟和3分钟之内依次降低到原来的1/4与1/8；直至按时间平方反比规律衰减现代物理学工程技术Page172020/4/16衰变关系半衰期tλNNdd＝tλeNtN0)(/λT2ln2/1衰变规律总寿命00|d|NtNtτ平均寿命1dd10000tteλtλNtNNττtλt现代物理学工程技术Page182020/4/16核物质的放射强度由该物质的放射性活度——单位时间内发生衰变的核的数量表示tλntλneIeNNtNI00d|d|放射性活度的单位为居里（Ci）110s107.3Ci1在我国放射性活度的法定单位是贝可勒尔(Bq)表示每秒衰变一次的计量Bq107.3Ci110现代物理学工程技术Page192020/4/16三、原子核的组成1)由氢的原子核——质子组成2）由质子和电子组成3）由质子与一种中性粒子——中子组成1919年，卢瑟福提出中子概念1932年，查德威克发现中子nCHeHe101269442现代物理学工程技术Page202020/4/16海森堡率先提出，质子和中子可以通过交换电子而结合成原子核，其理论后果是导致相互作用的粒子交换机制，成为现代场论的思想基础。电子与核子的性质ee内禀性质电子质子中子电荷(e)-e+e0质量(MeV/c2)0.5110938.27231939.56563自旋1/21/21/2平均寿命1031a20s现代物理学工程技术Page212020/4/16原子核通常用符号表示，其中，具有相同质子数与相同中子数的核称为同种核素，而具有相同质子数与不同中子数，以及具有不同质子数与相同质量数的核则分别被称为同位素（如氢元素有三种同位素：、和）和同量异位素（如和等）。XAZH11H21H31、H31He32现代物理学工程技术Page222020/4/16四、原子核的基本性质1）原子核的电荷+Ze天然存在的原子核Z95钚A=241，242，244Pu94A2）原子核的质量一个原子质量单位kg101.680566u1-27现代物理学工程技术Page232020/4/16例如，氧核的质量为钾核的质量为质子和中子的质量可分别表示为当采用原子质量单位计量时，各原子核的质量都非常接近于整数，因此原子的质量数通常取整数。O178u99913.16K3919u9637.381.007276upm1.008665unm现代物理学工程技术Page242020/4/163）原子核的半径实验表明，原子核的形状大都为球形且没有明显的边界，因而只能用统计意义上的区域半径来表示其尺度大小，即在这个半径以内核物质存在的几率很大，而一旦超过这个半径结果会迅速下降为零。目前，通过电子散射方法测定的核半径与其质量数的立方根成正比3/10ArRnm102.1150r，现代物理学工程技术Page252020/4/16或者说核体积同质量数成正比AπrπRVnn3033434例如，的半径仅有U23892m104.715核物质密度基本保持一致，即有31730mkg1034uArAn现代物理学工程技术Page262020/4/164）原子核的自旋原子核的自旋应当由其内部核子的自旋角动量以及轨道角动量共同组成，是原子核内禀特性的一种直接反映)1(IISI,3,2,1,0,2/nnI实验发现，所有偶偶核（拥有偶数个质子和中子）的核自旋均为零，而所有奇奇核（拥有奇数个质子和中子）以及所有奇偶核（拥有奇数个核子）的核自旋则分别为整数和半整数。现代物理学工程技术Page272020/4/165）原子核内的核力核力是指广泛存在于核子之间，并足以克服库仑斥力而最终促使核子结合成核的吸引作用。这种作用最早出自海森堡提出的粒子交换概念，但它的有效机制是由日本物理学家汤川秀树揭示出来的。1935年汤川秀树指出，核力在本质上是一种介子（因质量介于电子与质子之间而得名）交换作用，其交换力程为m)10(~14n现代物理学工程技术Page282020/4/16力程应当等于cmtcπnenπmcm250kg102.210310106.62881434介子有三种带电状态，即带有正电和负电的以及不带电的介子的π0π现代物理学工程技术Page292020/4/16核子交换介子的作用图像现代物理学工程技术Page302020/4/16核力的基本特征：（1）属于强作用，是电磁作用强度的100多倍；（2）为短程力，其有效力程大约仅有；（2）与电荷无关，即不同核子间的核力基本相同，从而表现出与电荷无关的性质；（3）具有饱和性，即每个核子只能与邻近的核子发生核力作用，因为如果假定不是这样，那么质量数越大的核，其核力作用也会越强，结果就必然导致核密度的增加。m107.115现代物理学工程技术Page312020/4/165）原子核的结合能实验表明，所有原子核（除氕核外）的质量总要略小于其内部核子的质量之和，即nPAmZAZmm)(从而造成所谓的质量亏损AnPAmmZAZmm)(现代物理学工程技术Page322020/4/16亏损质量对应着相对论能量22))((cmmZAZmcmEAnPAAu013552.2dm例如，氘核的质量其质量亏损是u002388.0dnPdmmmm对应的结合能MeV23.2c0.002388u22mc现代物理学工程技术Page332020/4/16平均结合能——比结合能——代表了拆散原子核时所必须对每个核子付出的能量AcmAEεAAA2拥有更大比结合能的原子核其状态会更加稳定；反之，则稳定性较差现代物理学工程技术Page342020/4/16比结合能随质量数的分布曲线现代物理学工程技术Page352020/4/16一些核素的结合能和比结合能（单位）MeV核素结合能比结合能核素结合能比结合能12H2.2241.112917F128.227.5423He7.7182.573919F147.807.7824He28.307.072040Ca342.058.5536Li31.995.332656Fe492.38.7937Li39.245.6147107Ag915.28.55612C92.167.6854129Xe1087.68.43714N104.667.4854131Xe1103.58.42715N115.497.7054132Xe1112.48.43815O111.957.4682208Pb1636.47.87816O127.617.9892235U1783.87.59817O131.767.7592238U1801.67.57现代物理学工程技术Page362020/4/161．核反应分类本质上,核反应是一种受激衰变过程，要促使一个原子核发生反应，就必须用其他核或粒子去尽可能地接近它，以便在核力作用范围内引起其内部结构的扰动。例如，历史上第一个人工核反应(1919年卢瑟福)五、原子核反应HOHeN1117842147第一个在加速器上实现的核反应HeHeLip424273现代物理学工程技术Page372020/4/16目前，人们掌握和认识的核反应已经达到上千种，并且这些反应可以一般地写作如下形式A+a=B+bA、a分别表示靶核和入射粒子，B、b分别代表剩余核和出射粒子。现代物理学工程技术Page382020/4/16•核反应总体上可按如下几个标准划分1）靶核质量标准依据靶核质量数A的大小对核反应进行分类，也即以、和三个区间段，将核反应区分为轻核反应、中等核反应与重核反应。2)入射粒子能量标准如果以入射粒子的能量水平为区分，核反应的表现大致不外乎低能、中能以及高能反应等三种类型。30A9030A90A现代物理学工程技术Page392020/4/16其中，入射粒子能量在140Mev之下的为低能核反应，它最多仅能产生3至4个出射粒子，而能量在140MeV到1Gev之间的中能核反应则可以使靶核散裂成许多碎片，唯有能量达到1GeV之上的高能核反应，才有机会产生出质量更大的介子。3)入射粒子类型标准从入射粒子的种类入手，人们通常会将核反应划分为中子核反应、带电粒子核反应