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Course on Nuclear Technology Course on Nuclear Technology and itand its Applications Application（核技术及应用课程）（核技术及应用课程）P.J.ChengP.J.Cheng（程品晶）（程品晶）School of Nuclear Science and Technology School of Nuclear Science and Technology Nanhua UniversityNanhua University（南华大学核科学技术学院）（南华大学核科学技术学院）1第二章第二章 核技术基础知识核技术基础知识 第一节第一节第一节第一节 现代原子结构现代原子结构现代原子结构现代原子结构 第二节第二节第二节第二节 原子核的基本性质原子核的基本性质原子核的基本性质原子核的基本性质 第三节第三节第三节第三节 放射性衰变放射性衰变放射性衰变放射性衰变 第四节第四节第四节第四节 放射性衰变规律放射性衰变规律放射性衰变规律放射性衰变规律 第五节第五节第五节第五节 核辐射与物质的相互作用核辐射与物质的相互作用核辐射与物质的相互作用核辐射与物质的相互作用 第六节第六节第六节第六节 核辐射量度及其单位核辐射量度及其单位核辐射量度及其单位核辐射量度及其单位 第七节第七节第七节第七节 核科学的基本工具与测量核科学的基本工具与测量核科学的基本工具与测量核科学的基本工具与测量2原子核中子质子电子(电子云)+第一节第一节 现代原子结构现代原子结构3现代原子结构现代原子结构4核素核素 ：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素核素是原子核的一种统称核素是原子核的一种统称核核 素素质子数质子数中子数中子数质量数质量数符符 号号氦氦-4-42 22 24 44 4HeHe碳碳-12-126 66 612121212C C碳碳-13-136 67 713131313C C碳碳-14-146 68 814141414C C核素及符号表示核素及符号表示5名称名称质子数质子数中子数中子数质量数质量数举例举例同位素同位素相同相同不同不同不同不同1 1H H 2 2H H 3 3H H同中子素同中子素不同不同相同相同不同不同2 2H H 3 3HeHe同量素同量素不同不同不同不同相同相同3 3H H 3 3HeHe其它：其它：稳定核素和不稳定核素稳定核素和不稳定核素 稳定同位素和不稳定同位素稳定同位素和不稳定同位素 放射性核素和非放射性核素放射性核素和非放射性核素定义：质子数相同而中子数不同的核素互为同位素。定义：质子数相同而中子数不同的核素互为同位素。同位素同位素6l实验发现实验发现:原子核内的原子核内的质子质子+中子中子紧密地挤靠在一起，核子之间没紧密地挤靠在一起，核子之间没有什麽空隙（与原子情况不同有什麽空隙（与原子情况不同).).l稳定原子核基本上类似与球体稳定原子核基本上类似与球体 原子核的半径原子核的半径 R=r0A1/3 原子核半径常数原子核半径常数 r r0 0=1.2 =1.2 1010-15-15 m m=1.2 fm=1.2 fm A A 原子核的质量数原子核的质量数 例如：例如：238238U U 7.4 fm 7.4 fm1)原子核的大小原子核的大小R第二节第二节 原子核的基本性质原子核的基本性质72)2)原子核的质量原子核的质量电子电子 m me e =9.110=9.110-31-31 kg kg =5.4810 =5.4810-4-4 u =0.511 MeV/cu =0.511 MeV/c2 2质子质子 m mp p =1.007276 u =938.256 MeV/c=1.007276 u =938.256 MeV/c2 2中子中子 m mn n =1.008665 u =939.550 MeV/c=1.008665 u =939.550 MeV/c2 2原子核质量原子核质量 =原子质量原子质量 全部电子的质量全部电子的质量 MN(Z,A)=Ma(Z,A)Z me 忽略了电子的结合能忽略了电子的结合能 （eV eV 量级）量级）原子的质量可以用质谱计精确测量原子的质量可以用质谱计精确测量(有表可查有表可查)原子核质量可以精确原子核质量可以精确确确定定83)3)核物质密度核物质密度原子核中核子紧密挤在一起原子核中核子紧密挤在一起根据根据 =M/V=M/V 计算计算 核物质密度核物质密度 :2.3 1014 g/cm3 1 cm3 核物质核物质 2 亿吨重亿吨重!黑黑 洞洞 1018核物质核物质 1014中子星中子星 109白矮星白矮星 105 水水 1密度比较密度比较 g/cm3 9 天平为何倾斜天平为何倾斜?重重轻轻4)原子核结合能和原子核稳定性原子核结合能和原子核稳定性10 质量亏损质量亏损 氦原子核（氦原子核（4 4HeHe）由）由2 2个质子个质子 +2+2个中子构成个中子构成 2 2个质子质量个质子质量 +2+2 个中子质量个中子质量 =原子核原子核 4 4He He 的质量的质量 2 x 1.007276+2 x 1.0086652 x 1.007276+2 x 1.008665-4.002603 4.002603 M(M(4 4He)=He)=4.031882 4.031882 -4.002603 4.002603=-0.029279 u-0.029279 u E(E(4 4He)=He)=M(M(4 4He)CHe)C2 2=27.27 MeV=27.27 MeV亏损的质量转化为能量亏损的质量转化为能量 氦原子核的结合能是氦原子核的结合能是 27.27 MeV 27.27 MeV 亏损的亏损的质量哪里去了质量哪里去了?质能关系质能关系 E=M C 211 原子核结合能原子核结合能 定义定义:质子和中子结合构成原子核时所释放的能量质子和中子结合构成原子核时所释放的能量原子核的结合能越大（质量亏损越大）原子核越稳定原子核的结合能越大（质量亏损越大）原子核越稳定 表表:比结合能比结合能 (原子核结合能原子核结合能/核子数核子数)核素核素比结合能比结合能 MeV核核 素素比结合能比结合能 MeV核素核素比结合能比结合能 MeV2H1.11212C7.68235U7.593He2.57316O7.98238U7.574He7.0756Fe8.79 最大最大 6Li5.33107Ag8.55 7Li5.61208Pb7.87 12 原子核平均结合能原子核平均结合能(比结合能比结合能)曲线曲线1 1 各原子核中，每个各原子核中，每个 核子的平均结合能核子的平均结合能 随质量数而变化随质量数而变化 6-9 MeV6-9 MeV2 2 中等重量的原子核中等重量的原子核 的比结合能较大的比结合能较大 l 释放能量途径释放能量途径:1 1）重核裂变）重核裂变 2 2）轻核聚合成原子核）轻核聚合成原子核 重核裂变重核裂变轻核聚合轻核聚合13252Cf 自发裂变自发裂变中子引起中子引起 235U 裂变裂变 H H 原子核聚合原子核聚合 H H 的燃烧的燃烧太太阳阳能能 释放能量举例释放能量举例14例：估算裂变释放的能量例：估算裂变释放的能量 n+235U (236U)X+Y+E假设裂变成质量相等的两块假设裂变成质量相等的两块 质量数各约为质量数各约为118118 235 235U U 核子平均结合能核子平均结合能 7.6 MeV7.6 MeV 质量数为质量数为118118的原子核平均结合能的原子核平均结合能 8.6 MeV8.6 MeV 两者平均结合能差两者平均结合能差 1 MeV 1 MeV 230 230多个核子多个核子 总的总的 E=200 MeV!E=200 MeV!比较比较:裂变能裂变能 n+235U X+Y+E 200 MeV 化学能化学能 C+O2 CO2+E 4 ev 汽油与氧的爆炸，一个分子释放汽油与氧的爆炸，一个分子释放 40-50 eV TNT 爆炸自身释放能量，每个分子爆炸自身释放能量，每个分子 30 eV15+从母核中射出的4He原子核 粒子得到大部分衰变能238U4He+234Th放射性母核!基本衰变基本衰变 衰变衰变第三节第三节 放射性衰变放射性衰变A20016 衰变衰变241241AmAm 237237NpNp17+发生原因：母核中子或质子过多发生原因：母核中子或质子过多质子转变成中子，并且带走一个单位的正电荷中子转变成质子，并且带走一个单位的负电荷+中微子反中微子 三种子体分享裂变能因此电子具有连续能量基本衰变基本衰变 衰变衰变18基本衰变基本衰变 衰变（动画）衰变（动画）19 衰变衰变3 3H H 3 3HeHe20正正 衰变衰变1111C C 1111B B21 质子变成中子X射线电子俘获电子俘获22电子俘获电子俘获7 7BeBe 7 7Li Li23+反中微子 光子基本衰变基本衰变 衰变衰变24基本衰变基本衰变 衰变衰变 衰变特点：衰变特点：1 1、从原子核中发射出光子、从原子核中发射出光子2 2、常常在、常常在 或或 衰变后核子从激发态退衰变后核子从激发态退 激时发生激时发生3 3、产生的射线能量不连续、产生的射线能量不连续4 4、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类、可以通过测量光子能量来鉴定核素种类 类别类别25 衰变衰变3 3HeHe*3 3HeHe26 衰衰变变-衰衰变变+衰衰变变 衰变衰变27半衰期半衰期 (T(T1/21/2)定义定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来一定量的某种放射性原子核衰变至原来 的一半所需要的时间。的一半所需要的时间。时间时间 t t (T(T1/21/2)0 01 12 23 34 45 5n n放射性原放射性原子核数目子核数目N N0 0N N0 0/2/2 N N0 0/4/4N N0 0/16/16N N0 0/32/32N N0 0/64/64N N0 0/2/2n n经过经过n n个半衰期后，未发生衰变的放个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的射性原子核数目是原有的 1/2n第四节第四节 放射性衰变规律放射性衰变规律28半衰期半衰期29放射性衰变基本规律放射性衰变基本规律 1 1 指数衰减规律指数衰减规律 N=NN=N0 0e e-t t N N0:0:（t=0t=0）时放射性原子）时放射性原子 核的数目核的数目N:N:经过经过t t时间后未发生衰变时间后未发生衰变的放射性原子核数目的放射性原子核数目:放射性原子核衰变常数放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质大小只与原子核本身性质 有关，与外界条件无关有关，与外界条件无关;数值越大衰变越快数值越大衰变越快N=NN=N0 0e e-t t30第五节第五节 核辐射与物质的相互作用核辐射与物质的相互作用1.0086651.008665 0 0 n n中中 子子1.0072761.007276+1+1 p p质质 子子 0 0 0 0 5.486105.48610-4-4 1 1 e e 4.002794.00279+2+2 4 4He He 质质 量量 (u)(u)电荷电荷（e)e)符号符号种类种类 核辐射的基本性质核辐射的基本性质31一一 核辐射与物质的基本作用核辐射与物质的基本作用 。原子原子。n n 物物 质：气体质：气体 液体液体 固体固体 包括人体包括人体 等等微观粒子间碰撞有动量和能量的传递微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 库仑作用库仑作用 1 1 电离作用电离作用 2 2 电离效应电离效应32二二 带电粒子与物质的作用带电粒子与物质的作用 33自由电子自由电子正离子正离子 +靶原子靶原子 正离子正离子 +电子电子 +4He +Ar Ar+e-+4He物质中原子被电离，在粒子物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子通过的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子对：正离子和自由电子+e-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-库仑作用库仑作用34 射线与射线与射线射线电离效应比较电离效应比较 射线射线 射线射线径迹径迹 粗粗 直直 细细 弯弯 电离作用强电离作用强 电离作用严重电离作用严重 产生离子对数目多产生离子对数目多 电离作用电离作用 Z Z1 1Z Z2 2/v/v2 2 Z Z1 1 入射粒子原子序数入射粒子原子序数 Z Z1 1 靶粒子原子序数靶粒子原子序数 v v 入射粒子速度入射粒子速度 实验结果实验结果35粒子粒子径迹是一条直线径迹是一条直线 5.3 MeV5.3 MeV粒子在空气中粒子在空气中 的射程的射程3.83 cm3.83 cm电子径迹是折线电子径迹是折线36轫致辐射轫致辐射（bremsstrahlung)原子核原子核 高速带电粒子通过原子核附近时，受到原子核库仑电场的作用而急剧减速，一部分能量以光子的形式辐射出来，这种辐射称为韧致辐射。37 电磁辐射谱电磁辐射谱 小小能量高能量高E=h ,=c/l 大大能量低能量低三三 射线与物质的作用射线与物质的作用3839射线是波长很短能量高的电磁辐射射线是波长很短能量高的电磁辐射 （10-11 米，米，keV，MeV），来自原子核），来自原子核衰变衰变,不带电，不带电，静止质量静止质量 0 。1 1 射线是什麽？射线是什麽？能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子 电离；电离；有动量和能量交换有动量和能量交换,能够产生载能次级能够产生载能次级 带电粒子，带电粒子，可以对物质发生电离作用。可以对物质发生电离作用。能量能量 E=h）动量动量 p=h/c402 2 射线对物质的电离射线对物质的电离作用作用 两步过程两步过程三种作用效应三种作用效应 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 电子对效应电子对效应 产生次级电子产生次级电子电离效应电离效应次级电子使次级电子使物质原子电离物质原子电离射线射线第第 1 1 步步初级作用初级作用第第 2 2 步步次级作用次级作用41光电效应光电效应 自由电子自由电子 作用机制作用机制光子同光子同(整个整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为成为自由电子，光子本身消失了。自由电子，光子本身消失了。+A A*+e-（光电子）（光电子）原子原子 A +X 射线射线原子原子受激原子受激原子42 电子对效应电子对效应能量能量1.02 MeV 1.02 MeV 的的射线射线与原子核作用可能产生一对与原子核作用可能产生一对正正-负电子。负电子。M M M +e M +e+e+e-1 1 +2 2 1.02 MeV m 1.02 MeV me e m me e 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV基本条件：基本条件：射线能量射线能量 E E 1.02 MeV 1.02 MeV 为什麽？为什麽？能量转化成能量转化成质量质量M=E/C243康普顿吴友训效应（康普顿吴友训效应（Compton-Wu effect)当 光子与物质原子中的一个电子发生弹性相撞时，将部分能量传给电子，电子获得能量后脱离原子而运动，该电子称康普顿吴有训电子，而使物质电离。光子本身能量减少又改变了运动方向。当光子的能量为0.5-1.0MeV时，该效应比较明。44正电子湮灭正电子湮灭正电子与负电子相遇发生湮正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个灭，产生两个 0.511 0.511 MeV的的 光子。光子。e+e-+me+me-=0.511 +0.511 MeV 质量转化为能量质量转化为能量 转化效率转化效率 (100%）45 射线通过介质时由于同物质的作用射线通过介质时由于同物质的作用,光子的光子的数数量量不断的减少不断的减少,物质层越厚减少得越多，这种现象称物质层越厚减少得越多，这种现象称做对做对射线的吸收射线的吸收。I(x)=I0 e-x 厚厚 度度 X X I I0 0 四四 射线的吸收射线的吸收I 实验发现：实验发现：射线强度随通过介质层厚度增加而射线强度随通过介质层厚度增加而 减小，服从指数衰减规律减小，服从指数衰减规律。46 指数衰减规律指数衰减规律 指数衰减因子指数衰减因子 线性吸收系线性吸收系1 1）射线能量高射线能量高 值小值小2 2）原子序数高原子序数高 值大值大I(x)=II(x)=I0 0 e e-x-x能量（能量（MeV)铅（铅（Pb)cm-1 铝（铝（Al）cm-1 0.6 0.6 1.6 1.6 0.2 0.2 1.0 1.0 0.8 0.8 0.18 0.18 2.0 2.0 0.5 0.5 0.1 0.1铅和铝吸收系数铅和铝吸收系数47射线强度减弱射线强度减弱1/21/2 所通过物质层的厚度所通过物质层的厚度 射线的防护大都选用射线的防护大都选用重金属铅、水泥等，重金属铅、水泥等，构成很厚的防护墙。构成很厚的防护墙。半吸收厚度半吸收厚度 单位：单位：cm物质层厚度物质层厚度 0 I/I 半吸收厚度半吸收厚度(d(d1/21/2)48 对物质电离作用的比较对物质电离作用的比较 2 MeV 射程射程(m)(m)离子对密度离子对密度/mm/mm 0.01 6000 0.01 6000 2-3 60 2-3 60 10 10 几个几个491 MeV 1 MeV 的粒子穿透物质能力的粒子穿透物质能力 1 1 页页 60 60页页/本本 铅铅地地 下下1-2 1-2 米深米深铅室铅室n n45804580本本中子源中子源50射线穿透物质能力射线穿透物质能力 射线穿透射线穿透 人体皮肤情况人体皮肤情况 51中子不带电不能直接使原子电离中子不带电不能直接使原子电离 但中子容易进入原子核内但中子容易进入原子核内同原子核发生作用引起核反应同原子核发生作用引起核反应1 1）与）与 H H 原子核的弹性碰撞原子核的弹性碰撞 传递能量传递能量 质子跑出来质子跑出来 中子被慢化中子被慢化 n+H n +p n+H n +p 第一步第一步 打出质子（载能）打出质子（载能）第二步第二步 质子引起物质电离质子引起物质电离 慢化剂慢化剂:轻水轻水(1 1H H2 2O)O)重水重水(2 2D D2 2O)O)五五 中子与物质的作用中子与物质的作用nHnnp电离电离52 2 2）中子核反应中子核反应 例如例如(n,p)(n,p)反应反应 n +n +1414N N 1414C +p C +p 第一步第一步 核反应产生质子核反应产生质子 第二步第二步 质子对物质产生质子对物质产生 电离作用电离作用 n p电离电离1414N N1414C C 人体有大量人体有大量 H H 和和 N N 原子原子 中子对人体电离效应严重，可导致严重伤害中子对人体电离效应严重，可导致严重伤害1253电离辐射电离辐射 直接或间接使介质发生电离直接或间接使介质发生电离效应的带电或不带电的射线效应的带电或不带电的射线或粒子或粒子 (能量能量 keV)keV)、x x、n n、p p、裂变碎片裂变碎片 介子等介子等 来来 源源 1)1)放射性物质放射性物质 (人造人造 天然）天然）2)2)加速器加速器3)3)反应堆反应堆 4)4)宇宙射线宇宙射线 5)5)地球环境地球环境 电离辐射和非电离辐射电离辐射和非电离辐射 非电离辐射非电离辐射 紫外线、红外线、微波等紫外线、红外线、微波等这些粒子虽能够同物质发这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生作用但都不能使物质发生电离效应生电离效应 eV eV 量级量级移动电话移动电话 800-1800 MHz800-1800 MHz 0.01 eV 0.01 eV (没有电离作用）没有电离作用）541 1 原子核裂变或聚变时可以放出巨大的能量，既可原子核裂变或聚变时可以放出巨大的能量，既可造福人类，也可能对环境和人类产生危害。造福人类，也可能对环境和人类产生危害。2 2 核辐射同物质相互作用的过程是能量和动量传递核辐射同物质相互作用的过程是能量和动量传递 的过程；没有能量和动量传递就没有作用。的过程；没有能量和动量传递就没有作用。3 3 通常遇到的核辐射主要是对物质的电离作用，会通常遇到的核辐射主要是对物质的电离作用，会 对物体产生一系列的影响，人体也不例外。对物体产生一系列的影响，人体也不例外。小结小结55第六节第六节 核辐射量度及其单位核辐射量度及其单位561.放射性活度（放射性活度（activity,A)定义：定义：放射性核素在单位时间(dt)内 发生核衰变的数目(dN)A=dN/dt单位：单位：SI:Becquerel(Bq)1Bq=1s-1 居里居里 1Ci=3.71010Bq 572.吸收剂量（吸收剂量（absorbed dose,D)定义：定义：授予单位物质授予单位物质(dm)（或被单位物质吸收）（或被单位物质吸收）的任何致电离辐射的平均能量（的任何致电离辐射的平均能量（dE)。单位：单位：J/kg 1 J/kg=1Gy（戈瑞）1 Gy=100 rad（拉德）58吸收剂量吸收剂量1 1 戈瑞（戈瑞（1 1焦耳焦耳/千克）时的能量效应千克）时的能量效应 1 1）水温升高）水温升高 （比热比热 4.2104.2103 3J/J/千克度）千克度）1 kg1 kg水物质吸收剂量水物质吸收剂量 1 Gy 1 Gy 水温度上升水温度上升 1/1/（4.2104.2103 3）=2.410=2.410-4-4 CC2 2）转化为物体的动能）转化为物体的动能 m D=(1/2)m vm D=(1/2)m v2 2 运动速度运动速度 v=1.4 m/sv=1.4 m/s3)3)转化为物体的势能转化为物体的势能 m D=m g h m D=m g h 上升高度上升高度 h=0.1 mh=0.1 m剂量剂量实际上是单位物质吸收电离辐射能实际上是单位物质吸收电离辐射能 大小的一种量度大小的一种量度59定义：定义：组织或器官的当量剂量是此组织或器官的组织或器官的当量剂量是此组织或器官的平均吸收剂量与辐射权重因子的乘积。平均吸收剂量与辐射权重因子的乘积。3.当量剂量当量剂量（equivalent dose,HT)单位：焦耳单位：焦耳/千克千克 专用名称：专用名称：Sievert,Sv（希沃特）（希沃特）1 Sv =1 J/kg60辐射权重因子辐射权重因子(Radiation weighting factor,WR)辐射类型能量范围WR光子电子和介子中子质子（反冲质子除外）粒子，裂变碎片，重核所有能量所有能量能量10keV 10-100keV100keV-2MeV2-20MeV20MeV能量2MeV115102010552061组织权重因子（tissue weighting factor，WT）组织或器官组织或器官组织权重因子组织权重因子WT睾丸红骨髓结肠肺胃膀胱乳腺旰食道甲状腺皮肤骨表面其余组织或器官0.200.120.120.120.120.050.050.050.050.050.010.010.05624.有效剂量（有效剂量（effective dose,E)定义：定义：各组织或器官的当量剂量（各组织或器官的当量剂量（HT）与相应的组织）与相应的组织权重因子（权重因子（WT）的乘积的总和。）的乘积的总和。意义：定量评价随机效应的危险度意义：定量评价随机效应的危险度单位：单位：Sv（希沃特）（希沃特）63例例：某人骨表面接受0.3Sv的剂量当量，而另一个人骨表面受0.2Sv的照射，同时肝脏又受到0.1Sv的照射，哪个人危险更大些？64放射性活度放射性活度(A)(A)吸收剂量吸收剂量(D)(D)剂量当量剂量当量(H)(H)有效剂量（有效剂量（E E）吸收剂量吸收剂量(D)(D)1 1戈瑞戈瑞 =1=1焦耳焦耳/千克千克1 Gy =1 J/kg1 Gy =1 J/kg放射源放射源 活度活度(A)(A)1 1贝克贝克=1=1次核衰变次核衰变/秒秒 剂量当量剂量当量(H)(H)有效剂量（有效剂量（E）1 1希沃特希沃特 =1=1 焦耳焦耳/千克千克三三者者意意义义和和区区别别任何物质任何物质有机体有机体65小结小结剂量是指辐射与物质作用后，释放或剂量是指辐射与物质作用后，释放或吸收能量的量度。吸收能量的量度。不同种类、能量的核辐射，对生物体不同种类、能量的核辐射，对生物体造成的辐射损伤不同。造成的辐射损伤不同。辐射所致生物效应中的随机性效应可辐射所致生物效应中的随机性效应可以通过有效剂量进行估算。以通过有效剂量进行估算。66第六节第六节 核科学的基本工具与测量核科学的基本工具与测量671 1 观测和研究事物的工具观测和研究事物的工具 工欲善其事工欲善其事,必先利其具。必先利其具。68望远镜望远镜 16081608年荷兰年荷兰出现出现伽利略伽利略 发发现全新宇宙现全新宇宙景象：木星景象：木星有卫星、月有卫星、月球上有山脉、球上有山脉、太阳上黑子、太阳上黑子、金星有转动金星有转动周期周期 。支持哥白尼支持哥白尼日心理论日心理论显微镜显微镜 1650 1650 年代年代荷兰荷兰 列文虎克列文虎克制造出放大制造出放大 200 200 倍显微镜，看见了：倍显微镜，看见了：细菌、红血球、肌细菌、红血球、肌肉的条纹结构、血肉的条纹结构、血液在毛细血管中流液在毛细血管中流动等。动等。一滴久置的雨水中一滴久置的雨水中发现有发现有250250万个微万个微生物在浮游。生物在浮游。1673 1673 向英国皇家协会向英国皇家协会报告会员们不相信，认报告会员们不相信，认为是骗子，派人亲自登为是骗子，派人亲自登门观察，在事实面前承门观察，在事实面前承认是了不起的发现认是了不起的发现英国国王和俄国彼得大帝英国国王和俄国彼得大帝拜访列文虎克并观看了神拜访列文虎克并观看了神奇的显微镜。将人们注意奇的显微镜。将人们注意力引向微小世界。力引向微小世界。69 放射源放射源 2 2 卢瑟福卢瑟福“看看”原子原子探测器探测器光源：载能粒子束光源：载能粒子束观测物体：出射粒子观测物体：出射粒子眼睛：探测器眼睛：探测器背散射粒子背散射粒子70“看看”未知图形未知图形1 12 271卢瑟福用卢瑟福用 粒子轰粒子轰击金原击金原 子，发现了子，发现了原子核，看到了原原子核，看到了原子核的大小，建立子核的大小，建立了原子太阳系。了原子太阳系。利用粒子束利用粒子束 轰击耙轰击耙粒子，观测经过相粒子，观测经过相互作用后出射粒子互作用后出射粒子所载有的信息，可所载有的信息，可以推知耙粒子有关以推知耙粒子有关情况。情况。72 探针粒子的波长应小于观测物体的尺度探针粒子的波长应小于观测物体的尺度 即：物体越小，所需粒子的能量越高。即：物体越小，所需粒子的能量越高。被看物体被看物体 大大 小小 探针粒子的探针粒子的 能能 量量原原 子子 1010-10-10 米米 10 eV 10 eV（电子）（电子）高倍电子显微镜高倍电子显微镜原子核原子核 1010-14-14 米米 10107 7eV eV （）卢瑟福实验卢瑟福实验核核 子子 1010-15-15 米米 10108 8eV eV（电子）（电子）加速器加速器 对撞机对撞机夸夸 克克？1010-18-18 米米 10109 9eV eV（电子）（电子）对撞机对撞机 看微观小物体对显微镜的要求看微观小物体对显微镜的要求73 4 4 加速器显微镜加速器显微镜 741.1.加速器加速器 人工产生高能量人工产生高能量 带电粒子束的机带电粒子束的机 器器2.2.反应堆：反应堆：可控裂变反应炉可控裂变反应炉 （第第 2 2 章章 ）4.4.辐射探测器辐射探测器（荧光屏（荧光屏+眼睛）眼睛）感知放射性存在感知放射性存在 传感放射性信号传感放射性信号5.5.电子学和计算机电子学和计算机 放大放大 变换变换 传输传输 控制控制 记录记录 分析核过程信息分析核过程信息 核科学中的基本仪器和设备核科学中的基本仪器和设备3.3.放射源放射源6.其他其他75 加速器在核科学中的地位加速器在核科学中的地位1.1.加速器是核科学最重要的工具之一，加速器是核科学最重要的工具之一，19321932年前人们只年前人们只是用天然的是用天然的 粒子进行核反应，例如卢瑟福粒子进行核反应，例如卢瑟福19191919年发年发现第一个核反应。现在利用天然现第一个核反应。现在利用天然 粒子进行核反应早粒子进行核反应早已成为历史。已成为历史。2 2.现在加速器不仅可以提供更高能量的粒子，而且周期现在加速器不仅可以提供更高能量的粒子，而且周期表中从表中从 H-U H-U 绝大多数元素粒子都可加速绝大多数元素粒子都可加速;1980;1980年代后年代后加速放射性粒子，加速放射性粒子，6 6He He 1717N N 等等3.3.对探索原子核起了关键作用，可以说，没有加速器不对探索原子核起了关键作用，可以说，没有加速器不可能有今天的核物理，不可能有今天的核科学可能有今天的核物理，不可能有今天的核科学,不可能有不可能有核技术的广泛应用。核技术的广泛应用。76入射粒子与靶物质作用后入射粒子与靶物质作用后产生的粒子或射线产生的粒子或射线探测和分析这些出射粒子探测和分析这些出射粒子可获得核过程信息。可获得核过程信息。1 离子源离子源2 加速加速 聚焦聚焦3 偏转偏转4 靶物质靶物质加速器加速器人工方法产人工方法产生高能量带生高能量带电粒子束的电粒子束的机器机器5 5 加速器基本结构和工作原理加速器基本结构和工作原理 基本要求和功能基本要求和功能1 1 提高带电粒子的能量提高带电粒子的能量2 2 增加带电粒子束的强度增加带电粒子束的强度 3 3 使粒子束同靶物质作用使粒子束同靶物质作用4 4 带电粒子在真空管道中行进带电粒子在真空管道中行进产产物物77两种类型加速器两种类型加速器直线型直线型圆环型圆环型78高压直线加速器高压直线加速器离子源离子源电电 场场靶物质靶物质抽真空抽真空探测器探测器做实验做实验能量能量 E=q VE=q V+世界上第一台高压倍压世界上第一台高压倍压加速器加速器 1932年年79静电加速器静电加速器球形球形电极电极 能能 量量 E=q V+E0直流电源直流电源靶物质靶物质离子源离子源出射出射粒子粒子 北大北大4.5 MV4.5 MV 单级静电加速器单级静电加速器 V80北大北大4.5 MV 4.5 MV 单级静电加速器单级静电加速器 81串列静电加速器串列静电加速器+V+V -q -q1 1 加速负离子加速负离子 +q2 加速正离子加速正离子 出射粒子能量出射粒子能量 E=V qi+E0 若若q1=1 e,e,q2=n e =n e 则则 E=V(n+1)e+E=V(n+1)e+E0例如：例如：V=1.5 MV,n=2,V=1.5 MV,n=2,E0=28 keV 则则 E=(2+1)x 1.5+0.28=3.28 MeVE=(2+1)x 1.5+0.28=3.28 MeV -q1 负离子负离子 开关开关磁铁磁铁靶室靶室偏转偏转磁铁磁铁负离子源负离子源E0高电位高电位E E1 1=q=q1 1 V E E1 1=q2 V 低低低低电子剥离器电子剥离器82北大北大21.7 MV 21.7 MV 串列静电加速器串列静电加速器 北大北大26 M V26 M V串列静电加速器串列静电加速器 836 6 为什麽需要对撞？为什麽需要对撞？EF （E入射入射）1/2 EF =2 E入射入射 固定靶固定靶 对撞束对撞束有效能量有效能量(E EF F):):假若入射粒子能量假若入射粒子能量 E E入射入射 增大增大100 100 倍倍 固定靶固定靶 10 10 倍（消耗于靶粒子反冲）倍（消耗于靶粒子反冲）对撞束对撞束 200 200 倍倍 ！对撞可以更对撞可以更多地提高粒多地提高粒子有效能量子有效能量E入射入射E入射入射E入射入射84E=M C2更高能量的粒子用于探索粒子内部和产生新粒子更高能量的粒子用于探索粒子内部和产生新粒子 质量和能量是等价的，粒子载有的能量质量和能量是等价的，粒子载有的能量可以转化成质量，产生许多粒子。可以转化成质量，产生许多粒子。高能电子高能电子 e+e-+-（20.51 MeV)（2105 MeV）85北京北京e+e-e+e-对撞机对撞机 2 GeV+2 GeV2 GeV+2 GeV86 世界上最大的对撞机（世界上最大的对撞机（LHC LHC 大强子对撞机大强子对撞机)LHC:LHC:周长周长 27 km,27 km,地下地下 100 m 100 m 深隧道深隧道投资：投资：30-35 30-35 亿亿 U U参加人数参加人数 10000 时间时间 1995-（2005）2007 12年年87 7 放射性测量放射性测量 放大与放大与变换变换记录与记录与存储存储放射性放射性是人眼睛看不见、身体也感觉不到的，但是人眼睛看不见、身体也感觉不到的，但用仪器用仪器可以直接测量可以直接测量 。测量系统基本组成如下：测量系统基本组成如下：射线同物质作用使原子电离，产生正离子和负电子。在电场作用下，射线同物质作用使原子电离，产生正离子和负电子。在电场作用下，电子和正离子分别向正极和负极方向运动，引起电流，产生信号。电子和正离子分别向正极和负极方向运动，引起电流，产生信号。l 辐射探测器：把电离产生的信息转化成可观测的、可输出辐射探测器：把电离产生的信息转化成可观测的、可输出 的信号：的信号：电、光、热、径迹电、光、热、径迹 等。等。探测器探测器-+放放射射源源88放射源的生产和制造放射源的生产和制造例如例如:放射源放射源1）60Co T 1/2=5.27年年2）137Cs T 1/2=30.17年年89阳极阳极 +阴极阴极 -射线探测器射线探测器 :G-M G-M 计数管计数管90 闪烁探测器闪烁探测器91放射性测量仪器放射性测量仪器921.原子核可以提供：原子核可以提供：1）巨大的能量）巨大的能量 2）强有力的射线）强有力的射线2.人们可以掌握它，但是对于物质中蕴藏着的人们可以掌握它，但是对于物质中蕴藏着的无限能量，有人做玫瑰色的梦，梦想利用它无限能量，有人做玫瑰色的梦，梦想利用它融化极地的冰川，消除沙漠，建成地球上的融化极地的冰川，消除沙漠，建成地球上的天堂；有人做黑色的梦，梦想用大量的放射天堂；有人做黑色的梦，梦想用大量的放射性炸弹毁灭城市和文明。有时梦梦相随，幸性炸弹毁灭城市和文明。有时梦梦相随，幸福大同世界与世界的废墟交映出现。福大同世界与世界的废墟交映出现。小小 结结93 1903年年 索迪第一次提出：索迪第一次提出：人们一旦驾驭原子核内存在的神秘力量就会带来人们一旦驾驭原子核内存在的神秘力量就会带来 或造福世界或毁灭世界的后果。或造福世界或毁灭世界的后果。3.不不 能能 忘忘 记记 的的 告告 戒戒！1913年年 一本轰动一时的科幻小说一本轰动一时的科幻小说解放了的世界解放了的世界,书中书中令人惊奇地指出：令人惊奇地指出：1933年发现了人工放射性，描写了原子能工业军事上的年发现了人工放射性，描写了原子能工业军事上的应用。地球上一些大城市在应用。地球上一些大城市在1956年发生的世界大战中，年发生的世界大战中，毁灭于大火与核辐射。小说结局令人高兴：在意大利马毁灭于大火与核辐射。小说结局令人高兴：在意大利马若湖畔举行了和平会议，劫后余生的人们建成了一个新若湖畔举行了和平会议，劫后余生的人们建成了一个新世界，被解放的人们充分利用原子能带来的好处。世界，被解放的人们充分利用原子能带来的好处。944.利利 弊弊1903年年 皮埃尔皮埃尔 居里在领取诺贝尔奖时说：居里在领取诺贝尔奖时说：“人们可以设想，镭在罪恶的手里会变得十分危险。人们可以设想，镭在罪恶的手里会变得十分危险。这里，我们要问：人类认识自然界的秘密究竟有什麽这里，我们要问：人类认识自然界的秘密究竟有什麽好处？即使这种认识对人类无害，那麽人类是否已经好处？即使这种认识对人类无害，那麽人类是否已经成熟到能够利用它的地步？成熟到能够利用它的地步？