物理讲座11核物理学 (2).ppt

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1、物理讲座11核物理学 放射性不是少数几种元素才有的，研究发现，放射性不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于原子序数大于8282的所有元素，都能自发的放出射线，的所有元素，都能自发的放出射线，原子序数小于原子序数小于8383的元素，有的也具有放射性的元素，有的也具有放射性天然放射现象天然放射现象铀矿石铀矿石钡钡铀铀云云母母斜水钼铀矿斜水钼铀矿天然放射现象天然放射现象放射性元素自发地放出射线的放射性元素自发地放出射线的现象现象射线射线射线射线射线射线电离能力电离能力贯穿能力贯穿能力速度速度成分成分氦原子核氦原子核高速高速电子流电子流高能量高能量电磁波电磁波1/101/10光速光速接近光速接

2、近光速光速光速弱弱较强较强很强很强很容易很容易较弱较弱更小更小质质子子的的发发现现原子量始终是氢原子量的整数倍。原子量始终是氢原子量的整数倍。1919年，卢瑟福用年，卢瑟福用 粒子作为高速粒子作为高速“炮弹炮弹”来轰击来轰击氮原子核，首先实现了原子核的人工破裂。氮原子核，首先实现了原子核的人工破裂。DS 用用 粒子轰击氮原子核，能释放氢核，用硼、氟、钠、铝、粒子轰击氮原子核，能释放氢核，用硼、氟、钠、铝、磷等做实验，也能打出氢核。磷等做实验，也能打出氢核。氢核是原子核的组成部分。氢核是原子核的组成部分。氢核定义为氢核定义为“质子质子质子质子”。卢瑟福得出结论：卢瑟福得出结论：卢瑟福得出结论：卢

3、瑟福得出结论：原子核是否只是由质子组成呢？原子核是否只是由质子组成呢？核的质量核的质量质子质量质子质量核的电量核的电量质子电量质子电量 1920 1920年卢瑟福进而猜想原子核内存在不带电年卢瑟福进而猜想原子核内存在不带电的中子，这一猜想被他的学生查德威克用实验证的中子，这一猜想被他的学生查德威克用实验证实，并得到公认。实，并得到公认。中子猜想中子猜想中中子子的的发发现现 1930年，德国物理学家玻特和贝克发现利用年，德国物理学家玻特和贝克发现利用 粒子轰击铍元素时，产生了一种穿透力极强而且不粒子轰击铍元素时，产生了一种穿透力极强而且不受电场或磁场影响的射线。受电场或磁场影响的射线。1932年

4、，伊莲娜和弗年，伊莲娜和弗里德里克里德里克 约里奥发现，这些新射线能将运动速度约里奥发现，这些新射线能将运动速度极快的氢核从煤油中释放出来，断言这种射线是极快的氢核从煤油中释放出来，断言这种射线是 射线。射线。1932年，查德威克从实验上发现了质量与年，查德威克从实验上发现了质量与质子相近的中性粒子，并命名为质子相近的中性粒子，并命名为“中子中子”。伊伦伊伦伊伦伊伦.约里约里约里约里奥居奥居奥居奥居里里里里约里奥居里约里奥居里约里奥居里约里奥居里查德威克查德威克查德威克查德威克(1891(18911974)1974)英国物理学家英国物理学家英国物理学家英国物理学家 19321932年发现中子，

5、年发现中子，年发现中子，年发现中子，于于于于19351935年获诺贝年获诺贝年获诺贝年获诺贝尔奖。尔奖。尔奖。尔奖。原子核结构原子核结构 1932年，前苏联年，前苏联伊凡年科伊凡年科与与海森伯海森伯提出原子核由质子和中子组成的理论。提出原子核由质子和中子组成的理论。质子质子(p)和中子和中子(n)统称为核子统称为核子(N)。质子质量质子质量中子质量中子质量质子质量微小于中子质量质子质量微小于中子质量X表示表示元素符号元素符号Z表示质子数表示质子数A表示表示质量数质量数元素符号表示元素符号表示例例同位素同位素:质子数质子数相同，中子数不相同，中子数不同的元素。如氢同的元素。如氢的同位素：的同位素

6、：氘和氚是氢的同位素，关于氢、氘、氚的原子，氘和氚是氢的同位素，关于氢、氘、氚的原子，下列说法哪个正确（下列说法哪个正确（）A、具有相同的质子数、相同的中子数、相同的、具有相同的质子数、相同的中子数、相同的电子数；电子数；B、具有不同的质子数、相同的中子数、相同的、具有不同的质子数、相同的中子数、相同的电子数；电子数；C、具有相同的质子数、不同的中子数、相同的、具有相同的质子数、不同的中子数、相同的电子数；电子数；D、具有相同的质子数、相同的中子数、不同的、具有相同的质子数、相同的中子数、不同的电子数电子数例例C衰变遵循的规律衰变遵循的规律：质量数守恒质量数守恒，电荷数守恒电荷数守恒。原子核的

7、衰变（原子核的衰变（decay）重的原子核由于重的原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化。放出某种粒子而转变为新核的变化。原子核的衰变原子核的衰变 衰变衰变:原子核放出原子核放出 粒子的衰变叫做粒子的衰变叫做 衰变衰变 衰变衰变:原子核放出原子核放出粒子的衰变叫做粒子的衰变叫做衰变衰变 两两种种衰衰变变射线伴随射线伴随 或或 衰变产生衰变产生.例例 衰变衰变衰变衰变衰变衰变 衰变衰变判断衰变类型判断衰变类型 经过一系列经过一系列 衰变和衰变和 衰变后，可以变成衰变后，可以变成稳定的元素铅稳定的元素铅206 206 ，问这一过程，问这一过程 衰变衰变和和 衰变次数？衰变次数？解：设经过解：设经

8、过x x次次 衰变，衰变，y y次次 衰变衰变2382064x92=82+2x-yx8y6例例BC图中图中P为放在匀强电场中的天然放射源，其放出为放在匀强电场中的天然放射源，其放出的射线的射线 在电在电 场的作用下分成场的作用下分成a、b、c三束，以三束，以下判断正确的是（下判断正确的是（）Aa为为射线、射线、b为为射线射线Ba为为射线、射线、b为为射线射线Cb为为射线、射线、C为为射线射线Db为为射线、射线、C为为射线射线例例半衰期半衰期放射性元素的剩余质量与原有质量的关系：放射性元素的剩余质量与原有质量的关系：半衰期半衰期放射性元素的原子核有半数发生放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时

9、间。衰变所需的时间。数量关系：数量关系：单个的微观事件不可预测，即我单个的微观事件不可预测，即我们只知道它发生的概率，不知们只知道它发生的概率，不知道它具体何时发生。道它具体何时发生。衰变知识应用衰变知识应用如：人们利用地壳岩石中存在的微量的放射性元素的衰变如：人们利用地壳岩石中存在的微量的放射性元素的衰变规律，测定地球的年龄为规律，测定地球的年龄为46亿年。地壳有一部漫长的演亿年。地壳有一部漫长的演变历史，一部不断变化、不断发展的历史。变历史，一部不断变化、不断发展的历史。半衰期的长短由核内部自身的因素决定，跟所处的半衰期的长短由核内部自身的因素决定，跟所处的化学状态和外部条件都没有关系。利

10、用这一知识化学状态和外部条件都没有关系。利用这一知识可以用来测量各种年龄。可以用来测量各种年龄。碳碳14测年技术测年技术大气中大气中14C是一些原子在太阳射来的高能粒子流作用下产是一些原子在太阳射来的高能粒子流作用下产生的，能够自发的进行生的，能够自发的进行 衰变（半衰期衰变（半衰期5730年），变成年），变成氮。它在大气中产生和衰变存在动态平衡，含量相当稳氮。它在大气中产生和衰变存在动态平衡，含量相当稳定。活的植物因新陈代谢含量与空气中一样，死后没有定。活的植物因新陈代谢含量与空气中一样，死后没有与空气交换只有衰变因此可以根据相对含量，算出死亡与空气交换只有衰变因此可以根据相对含量，算出死亡

11、时间。时间。1、原理：射线中的粒子与其他物质作用时、原理：射线中的粒子与其他物质作用时产生的现象，显示射线的存在。产生的现象，显示射线的存在。2、现象举例：、现象举例：粒子使气体或液体电离，以这些离子为核粒子使气体或液体电离，以这些离子为核心，过饱和的蒸汽会产生雾滴，过热液体会产心，过饱和的蒸汽会产生雾滴，过热液体会产生气泡；生气泡；使照相乳胶感光；使照相乳胶感光；使荧光物质产生荧光。使荧光物质产生荧光。探测射线方法的原理探测射线方法的原理射线使气体分子电离，过射线使气体分子电离，过饱和蒸汽以离子为中心饱和蒸汽以离子为中心凝结成雾滴，显示运动凝结成雾滴，显示运动轨迹。轨迹。威尔逊云室威尔逊云室

12、粒子的电离本领粒子的电离本领很小，一般看不到很小，一般看不到它的径迹它的径迹 射线：直而粗。射线：直而粗。原因：原因：粒子质量大，不粒子质量大，不易改变方向易改变方向电离本领大，电离本领大，沿途产生的离子多沿途产生的离子多 射射线线：比：比较细较细，而且常常弯曲。，而且常常弯曲。原因：原因：粒子粒子质质量小，跟气体量小，跟气体 碰撞碰撞易改易改变变方向。方向。电电离本离本领领小，沿途小，沿途产产生的离子少。生的离子少。工作原理：射线使液体分工作原理：射线使液体分子电离，过热液体以离子为子电离，过热液体以离子为核心形成胚胎气泡，显示运核心形成胚胎气泡，显示运动轨迹。动轨迹。气泡室气泡室优点：直观

13、优点：直观作用顶点可作用顶点可见见有很好的多重效率有很好的多重效率有效空间大和测量精度高有效空间大和测量精度高等等。等等。缺点：收集和分析数据较缺点：收集和分析数据较慢，扫描慢，扫描测量照片太费测量照片太费时间时间体积不容易做得很体积不容易做得很大。大。窗口窗口阴极：导电圆筒阴极：导电圆筒阳极：金属丝阳极：金属丝接放大接放大器器粒子粒子盖革盖革-米勒计数器米勒计数器射线使气体分子电离，产生脉冲放电，放电次数就是进射线使气体分子电离，产生脉冲放电，放电次数就是进入计数管内粒子的个数。入计数管内粒子的个数。优点：非常灵敏。缺点：不能区分射线的种类，优点：非常灵敏。缺点：不能区分射线的种类，不适合不

14、适合于极快速的计数，不适合于检测于极快速的计数，不适合于检测粒子。粒子。核反应核反应原子核在其他粒子的轰击下产生新的原子核在其他粒子的轰击下产生新的原子核的过程。原子核的过程。有些同位素具有放射性，叫做有些同位素具有放射性，叫做有些同位素具有放射性，叫做有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。放射性同位素。放射性同位素。放射性同位素。放射性同位素跟同种元素的非放射性同位素具有相同的化放射性同位素跟同种元素的非放射性同位素具有相同的化放射性同位素跟同种元素的非放射性同位素具有相同的化放射性同位素跟同种元素的非放射性同位素具有相同的化学性质。放射性同位素衰变可生成另一种新元素。放射性学性质。放射性

15、同位素衰变可生成另一种新元素。放射性学性质。放射性同位素衰变可生成另一种新元素。放射性学性质。放射性同位素衰变可生成另一种新元素。放射性同位素与放射性元素一样，都有一定的半衰期，衰变规律同位素与放射性元素一样，都有一定的半衰期，衰变规律同位素与放射性元素一样，都有一定的半衰期，衰变规律同位素与放射性元素一样，都有一定的半衰期，衰变规律一样。一样。一样。一样。天然放射性同位素不过四十多种，现在可以用人工的方法天然放射性同位素不过四十多种，现在可以用人工的方法得到得到放射性同位素放射性同位素放射性同位素放射性同位素1000100010001000多种。多种。多种。多种。核反应和放射性同位素核反应和

16、放射性同位素放射性同位素在农业、医疗卫生、和科学研究等许放射性同位素在农业、医疗卫生、和科学研究等许放射性同位素在农业、医疗卫生、和科学研究等许放射性同位素在农业、医疗卫生、和科学研究等许多方面得到了广泛的应用其应用是沿着利用它的射线多方面得到了广泛的应用其应用是沿着利用它的射线多方面得到了广泛的应用其应用是沿着利用它的射线多方面得到了广泛的应用其应用是沿着利用它的射线和作为示踪原子两个方向展开的和作为示踪原子两个方向展开的和作为示踪原子两个方向展开的和作为示踪原子两个方向展开的放放射射性性的的应应用用射线应用射线应用示踪原子示踪原子探伤仪探伤仪培育新种培育新种保存食物保存食物消除有害静电消除

17、有害静电消灭害虫消灭害虫治疗恶性肿瘤治疗恶性肿瘤农作物检测农作物检测诊断器质性和功能性疾病诊断器质性和功能性疾病生物大分子结构及功能研究生物大分子结构及功能研究放射性放射性同位素同位素的应用的应用核力核力核子之间的相互作用力核子之间的相互作用力核力的奇怪特点：核力的奇怪特点：核力（强力）核力（强力）1.核力是四种相互作用中的核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。强相互作用（强力）的一种表现。2.核核力力是是短短程程力力。约约在在 10-15m量量级级时时起起作作用用，距距离离大大于于0.810-15m时时为为引引力力,距距离离为为1010-15m时时核核力力几几乎乎消消失失，距离

18、小于距离小于0.810-15m时为斥力。时为斥力。3.核核力力具具有有饱饱和和性性。核核子子只只对对相相邻邻的的少少数数核核子子产产生生较较强强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。的引力，而不是与核内所有核子发生作用。4.核力具有电荷无关性。核力具有电荷无关性。中子质子原子核示意图原子核示意图除核力外原子核内除核力外原子核内还存在还存在 弱相互作用弱相互作用（弱力）（弱力）弱相互作用也是短弱相互作用也是短程力，力程比强力程力，力程比强力更短，为更短，为1018m，作用强度则比电磁作用强度则比电磁力小。弱力是引起力小。弱力是引起中子质子转变的中子质子转变的原因。原因。弱力弱力自然界中较轻的原子

19、核，质自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，中子数对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，大于质子数，越重的元素，两者相差越多。两者相差越多。原子核中质子与中子的比例原子核中质子与中子的比例当核越来越大，有些核子间的距离越当核越来越大，有些核子间的距离越来越远。核力减小很快。所以，原子来越远。核力减小很快。所以，原子核大到一定程度时，相距较远的质子核大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了。这时，力，这个原子核就不稳定了。这时，如果增加中子，中子与其他核子没

20、有如果增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，有库仑斥力，但有相互吸引的核力，有助于维系原子核的稳定。所以重原子助于维系原子核的稳定。所以重原子核里，中子数要比质子数多。核里，中子数要比质子数多。入射的光子的能量至少是入射的光子的能量至少是2.22MeV 2.22MeV 以以光子的形式向外辐射光子的形式向外辐射2.22MeV2.22MeV出去出去 氘核氘核2.2MeV中子中子质子质子氘核氘核2.2MeV中子中子质子质子 当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量。这个能量叫做原子核的结合能，也叫核能。结合能2 2、中等大小的核的比结、中等大小的核

21、的比结合能最大，表明中等质合能最大，表明中等质量的核最稳定。量的核最稳定。1 1、比结合能越大，取出、比结合能越大，取出一一个核子就越困难，核就越个核子就越困难，核就越稳定。比结合能是原子核稳定。比结合能是原子核稳定程度的量度稳定程度的量度3 3、质量较大的重核和质、质量较大的重核和质量较小的轻核的比结合能量较小的轻核的比结合能都较小。都较小。比结合能比结合能:结合能结合能EE与核子数与核子数A A之比之比也叫也叫平均结合能平均结合能特点：特点：比结合能比结合能质量亏损质量亏损把组成原子核的核子的质量与原子把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差。核的质量之差。核子在结合成原子核时出现质量亏

22、损，所核子在结合成原子核时出现质量亏损，所以要放出能量，大小为：以要放出能量，大小为：质量与能量质量与能量爱因斯坦的爱因斯坦的质能方程质能方程=Zmp+(A-Z)mn-m其中其中Z为质子数，为质子数，A为质量数即核子数。为质量数即核子数。核子平均质量核子平均质量平均结合能平均结合能核子的平均结合能随质量数的变化核子的平均结合能随质量数的变化核子的平均结合能随质量数的变化核子的平均结合能随质量数的变化z核聚变核聚变核裂变核裂变核聚变核聚变核裂变核裂变核聚变和核裂变核子平均质量核子平均质量核子平均质量核子平均质量=原子核质量原子核质量原子核质量原子核质量核子数核子数核子数核子数核聚变核聚变两个轻核

23、结两个轻核结合成较重的合成较重的单个原子核单个原子核核裂变核裂变1 1个重核分个重核分裂为两个裂为两个（或多个）（或多个）中等质量的中等质量的核核证明：证明：1u质量对应的能量为质量对应的能量为931.5MeV 碳原子质量的碳原子质量的1/12称为称为 原子质量单位原子质量单位，用，用u表示表示例例解：根据质能关系解：根据质能关系E=mcE=mc2 2=1.660510=1.660510-27-27（3.0103.0108 8）=1.4944510 =1.4944510-10-10（J J）=1.4644510 =1.4644510-10-10/1.60210/1.60210-19-19=0.

24、931510=0.9315109 9 =931.5MeV =931.5MeVv1uc2=931MeV中子的质量中子的质量=1.674910=1.6749102727Kg Kg 质子的质量质子的质量=1.67261027Kg 中子和质子的质量和中子和质子的质量和=3.34751027Kg 氘核的质量氘核的质量=3.34361027Kg 质量差质量差=0.00391027Kg 放出的核能放出的核能E=mC2=m/931MeV =(0.0039/1.6605)931=2.1866MeV 例例求放出的能量。求放出的能量。解：解：中子与质子结合生成氘放出中子与质子结合生成氘放出2.19MeV2.19Me

25、V的能量，这能的能量，这能量的绝对数量并不算大，但这只是组成量的绝对数量并不算大，但这只是组成1 1个氘核所个氘核所放出的能量如果组成的是放出的能量如果组成的是6.026.0210102323个（个（1摩尔）摩尔）氘核时，放出的能量就十分可观了。与之相对照的氘核时，放出的能量就十分可观了。与之相对照的是，使是，使1 1摩的碳完全燃烧放出的能量为摩的碳完全燃烧放出的能量为393.5393.510103 3J J。折合为每个碳原子在完全燃烧时放出的能量只不过折合为每个碳原子在完全燃烧时放出的能量只不过4eV4eV。两者相差数十万倍。可见核能比化学能强得。两者相差数十万倍。可见核能比化学能强得多。如

26、：多。如：1克铀相当于克铀相当于2500吨优质煤。吨优质煤。核反应与化学反应能量比较核反应与化学反应能量比较92U2350n192U23692U2360n156Ba14436Kr89铀核裂变铀核裂变1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，核发生了裂变。哈恩哈恩 铀核裂变的产物是多种多样的，有时裂变为氙铀核裂变的产物是多种多样的，有时裂变为氙（Xe)和锶和锶(Sr),有时裂变为钡（有时裂变为钡（Ba）和氪（）和氪（Kr）或者）或者锑（锑（Sb）和）和 铌（铌（Nb），同时放出），同时放出23个中子。铀核个中子。铀核还可能分裂成三部分或四部分，不过这种情形比较

27、还可能分裂成三部分或四部分，不过这种情形比较少见。讨论其中一个裂变：少见。讨论其中一个裂变：92235u+01n3890sr+54136xe+1001n计算可知：反应过程中质量减少了计算可知：反应过程中质量减少了m=0.1510u.放出核能放出核能 E=mc2=141MeV铀核裂变时，同时释放出铀核裂变时，同时释放出23个中子，如个中子，如果这些中子再引起其他果这些中子再引起其他U235核裂变，就核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，这种反可使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫做链式反应。应叫做链式反应。链式反应链式反应 vv使裂变物资使裂变物资使裂变物资使裂变物资能够发生链能够发生链能够发生

28、链能够发生链式反应的最式反应的最式反应的最式反应的最小体积叫做小体积叫做小体积叫做小体积叫做它的它的它的它的临界体临界体临界体临界体积积积积，相应的，相应的，相应的，相应的质量叫做临质量叫做临质量叫做临质量叫做临界质量。界质量。界质量。界质量。原子弹原理原子弹原理 核燃料存在一核燃料存在一核燃料存在一核燃料存在一个临界体积。当个临界体积。当个临界体积。当个临界体积。当体积大于此临界体积大于此临界体积大于此临界体积大于此临界体积时，核反应体积时，核反应体积时，核反应体积时，核反应将得到放大，否将得到放大，否将得到放大，否将得到放大，否则链式反应将终则链式反应将终则链式反应将终则链式反应将终止。临

29、界体积对止。临界体积对止。临界体积对止。临界体积对应的质量称为临应的质量称为临应的质量称为临应的质量称为临界质量。例如铀界质量。例如铀界质量。例如铀界质量。例如铀的临界质量为的临界质量为的临界质量为的临界质量为30303030磅，钚的临界质磅，钚的临界质磅，钚的临界质磅，钚的临界质量为量为量为量为5 5 5 5磅磅磅磅 。原子。原子。原子。原子弹用控制临界体弹用控制临界体弹用控制临界体弹用控制临界体积的方法引发核积的方法引发核积的方法引发核积的方法引发核链式反应。链式反应。链式反应。链式反应。枪式内爆式vv19421942年，在年，在年，在年，在奥本海默奥本海默奥本海默奥本海默领领领领导下出色

30、完成美国导下出色完成美国导下出色完成美国导下出色完成美国“曼曼曼曼哈顿哈顿哈顿哈顿”计划，造出世界计划，造出世界计划，造出世界计划，造出世界上上上上第一颗原子弹第一颗原子弹第一颗原子弹第一颗原子弹。核电站核电站 核电站和原子弹是核裂变能的两大应用，核电站和原子弹是核裂变能的两大应用，核电站和原子弹是核裂变能的两大应用，核电站和原子弹是核裂变能的两大应用，两者机制上的差异主要在于链式反应速度是否受两者机制上的差异主要在于链式反应速度是否受两者机制上的差异主要在于链式反应速度是否受两者机制上的差异主要在于链式反应速度是否受到控制。到控制。到控制。到控制。核反应堆按中子能量可分为：核反应堆按中子能量

31、可分为：核反应堆按中子能量可分为：核反应堆按中子能量可分为：热中子热中子热中子热中子堆和堆和堆和堆和快快快快中子中子中子中子堆。堆。堆。堆。热中子堆：中子能量在热中子堆：中子能量在热中子堆：中子能量在热中子堆：中子能量在0.1eV0.1eV左右。中子能左右。中子能左右。中子能左右。中子能量在量在量在量在2 2V V左右。快中子，可以使左右。快中子，可以使左右。快中子，可以使左右。快中子，可以使1212至至至至1616个铀个铀个铀个铀238238变成钚变成钚变成钚变成钚239239。生产核燃料生产的比消耗的还要多，。生产核燃料生产的比消耗的还要多，。生产核燃料生产的比消耗的还要多，。生产核燃料生

32、产的比消耗的还要多，几乎可以百分之百地利用铀资源，所以各国都在几乎可以百分之百地利用铀资源，所以各国都在几乎可以百分之百地利用铀资源，所以各国都在几乎可以百分之百地利用铀资源，所以各国都在积极开发，现在全世界已有几十座中小型快堆在积极开发，现在全世界已有几十座中小型快堆在积极开发，现在全世界已有几十座中小型快堆在积极开发，现在全世界已有几十座中小型快堆在运行。运行。运行。运行。水泥防护层控制棒镉棒燃料棒铀棒减速剂（石墨、重水、轻水）慢中子反应堆慢中子反应堆核聚变核聚变聚变是核裂变平均每个核子放出能量的四倍。聚变是核裂变平均每个核子放出能量的四倍。聚变是核裂变平均每个核子放出能量的四倍。聚变是核

33、裂变平均每个核子放出能量的四倍。海水中氢与氘的原子数之比约为海水中氢与氘的原子数之比约为海水中氢与氘的原子数之比约为海水中氢与氘的原子数之比约为1:0.000151:0.000151:0.000151:0.000151 1 1 1升海水中的氘核聚变放出的能量相当于燃烧升海水中的氘核聚变放出的能量相当于燃烧升海水中的氘核聚变放出的能量相当于燃烧升海水中的氘核聚变放出的能量相当于燃烧300300300300升汽油所放出的能量。地球上所有海水中的氘可升汽油所放出的能量。地球上所有海水中的氘可升汽油所放出的能量。地球上所有海水中的氘可升汽油所放出的能量。地球上所有海水中的氘可供人类使用数百亿年。供人类

34、使用数百亿年。供人类使用数百亿年。供人类使用数百亿年。核聚变常用核聚变常用氘氚（氘氚（d+T）或氘氘（）或氘氘（d+d反应反应）d+T：d+d：发生聚变的条件:要使原子核间的距离达到10-15m实现方法:产生高温108109 K。氢弹普通炸药235氘、氚爆炸裂变聚变弹体引爆装置小型原子弹氘、氚、重氢化钾等铀235外壳普通炸药氢弹是利用原子弹实现高温的。恐怖地氢弹爆炸恐怖地氢弹爆炸19671967年年年年6 6月月月月1717日，中国第日，中国第日，中国第日，中国第一颗氢弹爆炸成功一颗氢弹爆炸成功一颗氢弹爆炸成功一颗氢弹爆炸成功v太阳是一个巨太阳是一个巨大的热核反应大的热核反应堆。还能维持堆。还

35、能维持90亿亿100亿年亿年人类的希望人类的希望受控热核反应受控热核反应 受控核聚变必须具备以下受控核聚变必须具备以下受控核聚变必须具备以下受控核聚变必须具备以下3 3个条件：个条件：个条件：个条件：(1)(1)足够高的点火温度，需要几千万摄氏度甚至几亿摄足够高的点火温度，需要几千万摄氏度甚至几亿摄足够高的点火温度，需要几千万摄氏度甚至几亿摄足够高的点火温度，需要几千万摄氏度甚至几亿摄氏度的高温；氏度的高温；氏度的高温；氏度的高温；(2)(2)反应装置中的气体密度要很低，相当于常温常压下反应装置中的气体密度要很低，相当于常温常压下反应装置中的气体密度要很低，相当于常温常压下反应装置中的气体密度

36、要很低，相当于常温常压下气体密度的几万分之一；气体密度的几万分之一；气体密度的几万分之一；气体密度的几万分之一；(3)(3)充分约束，能量的约束时间要超过充分约束，能量的约束时间要超过充分约束，能量的约束时间要超过充分约束，能量的约束时间要超过1 1秒钟。秒钟。秒钟。秒钟。等等等等离离离离子子子子体体体体的的的的温温温温度度度度、密密密密度度度度和和和和热热热热能能能能约约约约束束束束时时时时间间间间三三三三者者者者乘乘乘乘积积积积称称称称为为为为“聚聚聚聚变变变变三三三三重重重重积积积积”，当当当当它它它它达达达达到到到到10102222时时时时，聚聚聚聚变变变变反反反反应应应应输输输输出出

37、出出的的的的功功功功率率率率等等等等于于于于为为为为驱驱驱驱动动动动聚聚聚聚变变变变反反反反应应应应而而而而输输输输入入入入的的的的功功功功率率率率，必必必必须须须须超超超超过过过过这这这这一基本值，聚变反应才能自持进行。一基本值，聚变反应才能自持进行。一基本值，聚变反应才能自持进行。一基本值，聚变反应才能自持进行。磁场约束磁场约束聚变所需燃料的约束聚变所需燃料的约束惯性约束惯性约束vv19871987年春，年春，年春，年春，IAEAIAEA（国际原子（国际原子（国际原子（国际原子能机构）能机构）能机构）能机构）总干事邀请欧共体、总干事邀请欧共体、总干事邀请欧共体、总干事邀请欧共体、日本、美国

38、和加拿大、前苏日本、美国和加拿大、前苏日本、美国和加拿大、前苏日本、美国和加拿大、前苏联的代表在维也纳开会，决联的代表在维也纳开会，决联的代表在维也纳开会，决联的代表在维也纳开会，决定四方合作设计建造定四方合作设计建造定四方合作设计建造定四方合作设计建造国际热国际热国际热国际热核实验堆（核实验堆（核实验堆（核实验堆（I TERI TER）。这是一。这是一。这是一。这是一个基于托卡马克方案的项目。个基于托卡马克方案的项目。个基于托卡马克方案的项目。个基于托卡马克方案的项目。中子中子n、质子、质子p、氘核、氘核D的质量分别为的质量分别为 现用光子能量为现用光子能量为E的的射线照射静止氘核使之分解，

39、反射线照射静止氘核使之分解，反应的方程为应的方程为 若分解后中子、质子的若分解后中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是动能可视为相等，则中子的动能是（）A.B.C.D.C例例能量最小能量最小 基本粒子基本粒子基本粒子基本粒子指人指人们认知的构们认知的构成物质的最成物质的最小最基本的小最基本的单位。单位。质子质子和中子有没和中子有没有结构？微有结构？微观世界除了观世界除了质子中子还质子中子还有哪些东西有哪些东西？有没有没？有没有没有结构的基有结构的基本粒子？本粒子？新粒子的发现新粒子的发现1932 1950 发现一大批新粒子如发现一大批新粒子如:子、子、介子、奇异粒子、超子等，数目的介子、奇

40、异粒子、超子等，数目的增加在某种程度上类似于增加在某种程度上类似于19世纪化学元世纪化学元素的增加。新的感性认知的基础上，需素的增加。新的感性认知的基础上，需要新的归纳总结。要新的归纳总结。1964年由美国盖尔曼提出年由美国盖尔曼提出强子由更小的强子由更小的组元组元 夸克组成夸克组成1995年年 预言的六种夸克都被证实预言的六种夸克都被证实粒子的物理性质粒子的物理性质（3 3）寿命。）寿命。）寿命。）寿命。粒子的寿命不同，有长寿粒子，如：电子、质子、中子，质子寿命最长，粒子的寿命不同，有长寿粒子，如：电子、质子、中子，质子寿命最长，粒子的寿命不同，有长寿粒子，如：电子、质子、中子，质子寿命最长

41、，粒子的寿命不同，有长寿粒子，如：电子、质子、中子，质子寿命最长，大于大于大于大于10103333年。但绝大多数寿命远远小于十万分之一秒。年。但绝大多数寿命远远小于十万分之一秒。年。但绝大多数寿命远远小于十万分之一秒。年。但绝大多数寿命远远小于十万分之一秒。（1 1）质量。）质量。）质量。）质量。例如：电子的静止质量为例如：电子的静止质量为例如：电子的静止质量为例如：电子的静止质量为 m=9.1110 m=9.1110-31-31KgKg 质子的静止质量为质子的静止质量为质子的静止质量为质子的静止质量为 m=1.6710 m=1.6710-27-27KgKg（4 4）自旋。）自旋。）自旋。）自

42、旋。一种内在性质，带有量子化的角动量。一种内在性质，带有量子化的角动量。一种内在性质，带有量子化的角动量。一种内在性质，带有量子化的角动量。（5 5）粒子具有对称性。）粒子具有对称性。）粒子具有对称性。）粒子具有对称性。有一个粒子，必有一个反粒子。有一个粒子，必有一个反粒子。有一个粒子，必有一个反粒子。有一个粒子，必有一个反粒子。费米子费米子费米子费米子-自旋为自旋为自旋为自旋为h/2h/2的半整数倍。的半整数倍。的半整数倍。的半整数倍。玻色子玻色子玻色子玻色子-自旋为自旋为自旋为自旋为h/2h/2的整数倍。的整数倍。的整数倍。的整数倍。1928年，狄拉克从理论上预言反粒子的存在年，狄拉克从理

43、论上预言反粒子的存在1932年，发现正电子；年，发现正电子；1995年发现反原子。年发现反原子。（2 2）电荷。）电荷。）电荷。）电荷。有正负和不带电三种可能。基本电量有正负和不带电三种可能。基本电量有正负和不带电三种可能。基本电量有正负和不带电三种可能。基本电量e=1.610e=1.610-19-19C C，夸克可以带，夸克可以带，夸克可以带，夸克可以带e/3.e/3.此外还有重子数、此外还有重子数、此外还有重子数、此外还有重子数、轻子数、奇异轻子数、奇异轻子数、奇异轻子数、奇异数、同位旋等数、同位旋等数、同位旋等数、同位旋等性质性质性质性质（1 1）强子类）强子类）强子类）强子类-是指能直

44、接参与强相互作用的粒子是指能直接参与强相互作用的粒子是指能直接参与强相互作用的粒子是指能直接参与强相互作用的粒子。由夸克组成，如：核子（质子、中子）、超子、由夸克组成，如：核子（质子、中子）、超子、由夸克组成，如：核子（质子、中子）、超子、由夸克组成，如：核子（质子、中子）、超子、介子、介子、介子、介子、k k k k介子、介子、介子、介子、r r r r粒子等。粒子等。粒子等。粒子等。夸克共夸克共夸克共夸克共3 3代、代、代、代、6 6味、每味味、每味味、每味味、每味3 3色，色，色，色，共共共共 3 6 3 6 种。种。种。种。（2 2）轻子类）轻子类）轻子类）轻子类-是指不直接参与强相互

45、作用，是指不直接参与强相互作用，是指不直接参与强相互作用，是指不直接参与强相互作用，只参与弱相互作用、只参与弱相互作用、只参与弱相互作用、只参与弱相互作用、电磁作用和引力作用的粒子。电磁作用和引力作用的粒子。电磁作用和引力作用的粒子。电磁作用和引力作用的粒子。共有六种：电子、电中微子；共有六种：电子、电中微子；共有六种：电子、电中微子；共有六种：电子、电中微子；u u u u子、子、子、子、u u u u中微子；中微子；中微子；中微子；子、子、子、子、中微子。中微子。中微子。中微子。及这六种轻子的反粒子及这六种轻子的反粒子及这六种轻子的反粒子及这六种轻子的反粒子（3 3）传播子）传播子）传播子

46、）传播子-是传播粒子间相互作用的能够独立存在的粒子是传播粒子间相互作用的能够独立存在的粒子是传播粒子间相互作用的能够独立存在的粒子是传播粒子间相互作用的能够独立存在的粒子。有四种：有四种：有四种：有四种：胶子、中间玻色子、光子、引力子。胶子、中间玻色子、光子、引力子。胶子、中间玻色子、光子、引力子。胶子、中间玻色子、光子、引力子。强力强力弱力弱力电磁力电磁力引力引力基本粒子分类基本粒子分类标准模型标准模型规范粒子规范粒子 轻子轻子 夸克夸克 希格斯粒子希格斯粒子基本基本粒子粒子分为分为四类四类种类种类种类种类引力引力弱力弱力电磁力电磁力强力强力作用对象作用对象作用对象作用对象所有粒子所有粒子大

47、多数粒子大多数粒子带电粒子带电粒子强子强子作用距离作用距离作用距离作用距离(cm)相对强度相对强度相对强度相对强度cm处处传播子或传播子或传播子或传播子或规范粒子规范粒子规范粒子规范粒子引力子？引力子？中间玻色子中间玻色子光子光子胶子胶子1四种四种基本基本相互相互作用作用强相互作用强相互作用 万有引力作用万有引力作用 电磁相互作用电磁相互作用弱相互作用弱相互作用规范粒子规范粒子分类分类正反正反粒子粒子自旋自旋电荷量电荷量e重子数重子数B轻子数轻子数寿命寿命10-6s轻轻 子子电子电子子子子子1/2-1 +1-1 +1-1 +10000-1 +1稳定稳定2.22.3中中微微子子稳定稳定中微子系中

48、性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。轻子（共轻子（共12种）种）夸克夸克夸克夸克:组成参与强相互作用的强子。组成参与强相互作用的强子。3代、代、6味、每味味、每味3色，色，共共36种。种。10-1+11/21/200uu dududdu dpn +粒子粒子QJ组成组成u夸克：夸克：J=1/2，Q=2e/3；d 夸克：夸克：J=1/2，Q=e/3几种粒子的夸克组成几种粒子的夸克组成物理理论的统一物理理论的统一天体引力天体引力地球引力地球引力牛顿牛顿 爱因斯坦爱因斯坦经典力学经典力学 相对论力学相对论力学电电磁磁光光弱力弱力麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克

49、斯韦电动力学电动力学电动力学电动力学强力强力格拉肖格拉肖 萨拉姆萨拉姆 温泊格温泊格规范场弱电统一理论规范场弱电统一理论设想的大设想的大统一理论统一理论设想的设想的超对称超对称大统一大统一理论理论超超 弦弦大爆炸理论大爆炸理论宇宙从一个宇宙从一个“奇点奇点”爆炸产生爆炸产生v1950年前年前后，伽莫夫后，伽莫夫第一个建立第一个建立了热大爆炸了热大爆炸的观念。的观念。天文观察的天文观察的依据是根据依据是根据1929年埃年埃德温德温哈勃哈勃发现的红移发现的红移定律定律关于原子的结合能，下列说法中正确的是关于原子的结合能，下列说法中正确的是()A使原子核分解为核子时释放的能量使原子核分解为核子时释放的能量B核子结合成核时需要吸收的能量核子结合成核时需要吸收的能量C核子结合成核时释放的能量核子结合成核时释放的能量D核子结合成核时释放的能量等于将核分解为核子核子结合成核时释放的能量等于将核分解为核子时吸收的能量时吸收的能量练习练习1谢谢！