原子物理学75.pptx

他在研究他在研究214Po(钋钋)发射的发射的粒子时发现，出射的粒子时发现，出射的粒子射程都在粒子射程都在7cm左右。但有的左右。但有的粒子射程竟达粒子射程竟达40cm，这远远超出了，这远远超出了粒子衰变能所能前进的距粒子衰变能所能前进的距离。经过认真分析，离。经过认真分析，Rutherford认为，长射程的不认为，长射程的不是是粒子而是质子，他认为粒子而是质子，他认为粒子同空气中的氮发粒子同空气中的氮发生了核转变过程：生了核转变过程：人类第一次发现核反应是在人类第一次发现核反应是在1919年由年由Rutherford观察到的。观察到的。这是人类发现的第一个核反应这是人类发现的第一个核反应核反应的发现核反应的发现同年在实验中发现了中子。从同年在实验中发现了中子。从1934年起，开始了年起，开始了用中子照射包括铀在内的许多元素，并发现了核用中子照射包括铀在内的许多元素，并发现了核裂变。此后，关于核反应的研究迅速发展起来。裂变。此后，关于核反应的研究迅速发展起来。1931年，世界上第一台荷电粒子加速器投入运行，年，世界上第一台荷电粒子加速器投入运行，1932年，实现了人工加速质子轰击年，实现了人工加速质子轰击73Li的反应：的反应：核反应的一般表示：核反应的一般表示：可简单表示为可简单表示为T(i，l)R，式中，式中T为靶核，为靶核，i为入射粒为入射粒子，子，R为剩余核，为剩余核，l为出射轻粒子。为出射轻粒子。i和和l可以是可以是粒子、粒子、质子、中子、氘核、质子、中子、氘核、光子等光子等i+Tl+R1）电荷数守恒：）电荷数守恒：Zi+ZT=Zl+ZR;3）总能量守恒：）总能量守恒：Ei+ET=El+ER，式中，式中E=EK+mc2;4）动量守恒：）动量守恒：；6）宇称守恒。）宇称守恒。2）质量数）质量数(核子数核子数)守恒；守恒；5）角动量守恒；）角动量守恒；核反应遵从的守恒定律：核反应遵从的守恒定律：核反应能核反应能Q：反应后粒子的动能超出反应前粒子的动能的差值，也反应后粒子的动能超出反应前粒子的动能的差值，也等于反应前粒子静质量超过反应后粒子静质量的差乘等于反应前粒子静质量超过反应后粒子静质量的差乘以以c2核反应的阈能核反应的阈能Q0的核反应称为的核反应称为放能核反应放能核反应激发核反应的撞击粒子必须具有的最低能量激发核反应的撞击粒子必须具有的最低能量对于放能核反应，原则上阈能等于对于放能核反应，原则上阈能等于0，吸能核反应，吸能核反应的阈能，在实验室坐标系中为：的阈能，在实验室坐标系中为：原子核的裂变原子核的裂变1932年，在核反应年，在核反应 中发现了中子，之后中发现了中子，之后费米等人开始用中子轰击包括费米等人开始用中子轰击包括U在内的各种元素。在内的各种元素。1938年，哈恩发现年，哈恩发现U被轰击后，有钡被轰击后，有钡 产生，于是产生，于是提出铀核发生了裂变，分裂为两粒。提出铀核发生了裂变，分裂为两粒。235U和和238U的裂变情况不同，前者只要热中子被可发生的裂变情况不同，前者只要热中子被可发生裂变，后者则需要快中子轰击。裂变，后者则需要快中子轰击。链式反应链式反应链式裂变反应是一系列的核裂变反应，其中每一次核链式裂变反应是一系列的核裂变反应，其中每一次核裂变反应都是由前一次核裂变反应所产生的中子引起裂变反应都是由前一次核裂变反应所产生的中子引起的。如的。如235U裂变时，同时放出裂变时，同时放出2-3个中子，这些中子再个中子，这些中子再引起其它铀核裂变，使裂变反应不断进行。引起其它铀核裂变，使裂变反应不断进行。链式反应为核能的工业利用提供了可能性，原子链式反应为核能的工业利用提供了可能性，原子反应堆就是在这基础上制成的。反应堆就是在这基础上制成的。体积是链式反应的重要条件。体积是链式反应的重要条件。如如U的链式反应，的链式反应，铀核组成铀块是有一定空间的，若铀块的体积很铀核组成铀块是有一定空间的，若铀块的体积很小，中子从铀块穿出还没碰到铀核。只有铀核的小，中子从铀块穿出还没碰到铀核。只有铀核的体积大于一定值，中子在铀块中运动才能打中铀体积大于一定值，中子在铀块中运动才能打中铀核。核。能发生链式反应的铀的最小体积，称作它的能发生链式反应的铀的最小体积，称作它的临界临界体积体积。235U的体积超过它的临界体积时，只要有中子进的体积超过它的临界体积时，只要有中子进入铀块，立即能引起链式反应，同时放出大量的入铀块，立即能引起链式反应，同时放出大量的核能。原子弹就是利用这个原理制成的。核能。原子弹就是利用这个原理制成的。美国陆军部于美国陆军部于1942年年6月开始实施的利用核裂变反应月开始实施的利用核裂变反应来研制原子弹的计划，亦称曼哈顿计划。为了先于纳来研制原子弹的计划，亦称曼哈顿计划。为了先于纳粹德国制造出原子弹，该工程集中了当时西方国家粹德国制造出原子弹，该工程集中了当时西方国家(除纳粹德国外除纳粹德国外)()(包括美籍华人核物理学家吴健雄女包括美籍华人核物理学家吴健雄女士等士等)最优秀的核科学家，动员了最优秀的核科学家，动员了10万多人参加这一万多人参加这一工程，历时工程，历时3年，耗资年，耗资20亿美元，于亿美元，于1945年年7月月16日成日成功地进行了世界上第一次核爆炸，并按计划制造出两功地进行了世界上第一次核爆炸，并按计划制造出两颗实用的原子弹。整个工程取得圆满成功。在工程执颗实用的原子弹。整个工程取得圆满成功。在工程执行过程中，负责人行过程中，负责人L.R.格罗夫斯和格罗夫斯和R.奥本海默应用了奥本海默应用了系统工程的思路和方法，大大缩短了工程所耗时间。系统工程的思路和方法，大大缩短了工程所耗时间。这一工程的成功促进了第二次世界大战后系统工程的这一工程的成功促进了第二次世界大战后系统工程的发展。发展。曼哈顿计划曼哈顿计划 曼哈顿计划不仅造出了原子弹，也留下了曼哈顿计划不仅造出了原子弹，也留下了14亿美元的亿美元的财产，包括一个具有财产，包括一个具有9000人的洛斯阿拉莫斯核武器实人的洛斯阿拉莫斯核武器实验室；一个具有验室；一个具有36000人、价值人、价值9亿美元的橡树岭铀材亿美元的橡树岭铀材料生产工厂和附带的一个实验室；一个具有料生产工厂和附带的一个实验室；一个具有17000人、人、价值价值3亿多美元的汉福特钚材料生产工厂，以及分布在亿多美元的汉福特钚材料生产工厂，以及分布在伯克利和芝加哥等地的实验室。伯克利和芝加哥等地的实验室。1946年美国通过了年美国通过了1946年原子能法令年原子能法令，标志着美，标志着美国战时核计划的结束和新的过渡时期的开始，也成为国战时核计划的结束和新的过渡时期的开始，也成为和平时斯整个美国原子能发展的指导纲领。和平时斯整个美国原子能发展的指导纲领。后来，美国政府决定建立国家实验室，其中最著名的后来，美国政府决定建立国家实验室，其中最著名的有芝加哥附近的阿贡国家实验室和纽约长岛的布鲁克有芝加哥附近的阿贡国家实验室和纽约长岛的布鲁克海文国家实验室海文国家实验室(BNL)，这两个实验室为高能物理的发，这两个实验室为高能物理的发展做出了重要贡献。展做出了重要贡献。Julius.Robert Oppenheimer(1904 1967),known as the father of the atomic bomb铀弹，长铀弹，长3米，直径米，直径71厘厘米，重米，重4000公斤。公斤。内爆式钚弹，长内爆式钚弹，长3.25米，直径米，直径1.52米，重米，重4545公斤，首要攻公斤，首要攻击目标为小仓。但当天小仓上击目标为小仓。但当天小仓上空被云层覆盖，于是改为攻击空被云层覆盖，于是改为攻击后备目标长崎。后备目标长崎。长崎长崎原爆点原爆点 或爆或爆心投影点心投影点氚是中子弹的关键燃料，由于其半衰期不长，且衰变氚是中子弹的关键燃料，由于其半衰期不长，且衰变产物是气体，常给实际工作带来麻烦。产物是气体，常给实际工作带来麻烦。中子弹是利用轻核聚变时产生的大量高能中子进行杀中子弹是利用轻核聚变时产生的大量高能中子进行杀伤破坏的一种小型核武器，又被称为小型氢弹。伤破坏的一种小型核武器，又被称为小型氢弹。战术核武器，一枚战术核武器，一枚1000吨吨TNT当量的中子弹在当量的中子弹在200米米高空爆炸，离爆心高空爆炸，离爆心900米范米范围内的坦克乘员，或者立围内的坦克乘员，或者立即暂时昏迷，或者失去战即暂时昏迷，或者失去战斗力，斗力，10天内全部死亡。天内全部死亡。