原子核及粒子物理学的发展.ppt

原子核物理学的兴起前言原子核物理学是研究核的性质、结构和变化规律、以及核能、核技术应用等有关物理问题的学科,简称核物理,属于当代物理学的前沿。粒子物理(高能物理)是研究场和粒子的性质、运动、相互作用和相互转化规律的学科,也是研究粒子内部结构规律的学科,是当代物理学发展的前沿。:主要是通过高能粒子的相互碰撞,用实验手段发现新粒子。到目前已经发现了300多种。采用的试验设备有加速器、对撞机、探测器、计算机和数据处理系统。,是解释微观现象的基本理论。1一人工核反应的实现及质子的发现1914年卢瑟福的学生马斯登在观察α粒子在空气中的射程时注意到,α粒子在空气中的射程一般只有7厘米,但有的粒子的射程竟达40厘米。经反复验证和思考,卢瑟福认为,这是空气中的氢离子受到α粒子的撞击所致。因为α粒子的质量是氢离子质量的4倍,因此氢离子被撞击后速度要大许多。在上述现象启发下,从1917年开始,卢瑟福进行了α粒子轰击氮原子核的实验。装置如右图。A为α射线源,可前后移动,利用显微镜M观察透过窗口F在荧光屏S上的闪烁。当从阀T充入氮气,放射源A距观察屏S的距离超过α粒子的射程很多时,屏上仍有闪烁,射程长度和氢离子的差不多;当充入氧气时却没有这种现象。2卢瑟福经过反复实验,终于判定是氮原子在α粒子的轰击下发生了核嬗变:从氮核中释放出了氢核(质子)。1919年,卢瑟福明确表达了α粒子轰击氮核的反应过程:14N7+4He2→17O8+1H1为了进一步了解被轰击出的粒子的性质,在实验装置里加进磁场和电场,根据粒子在其中的偏转,测出它的质量和电荷,从而确定了该离子就是氢原子核-----质子。后来英国卡文迪什实验室的布拉凯特在充满氮的云室里做了α粒子轰击氮核的实验,并拍摄了两万多张云室的照片,终于从40多万条α粒子径迹中发现有8条产生了分叉。从而证实了人工核反应的实现和质子的产生。1921年卢瑟福和查德威克()发现硼、***、钠、铝和磷都可以产生类似的转变。由于各种原子核里都能打出质子来,可见质子是原子核的组成部分。:质子发现以后,人们认为原子核是由电子和质子组成,即质子-电子核模型。但是这个模型存在着电子在核内的存在状态问题,并且与量子力学中多体统计及自旋理论相矛盾。为了解释电子为什么能够稳定的存在于核内,卢瑟福提出,可以把质子和电子作为一个复合体,看成是一个单独的中性粒子。1920年6月,卢瑟福预言:原子核内可能存在着质量与质子质量相同的中性粒子。1921年美国化学家哈金斯将它命名为“中子”。:1930年德国物理学家博特()与贝克尔()用天然放射性元素Po放出的α粒子轰击铍Be,发现从铍放射出一种穿透能力极强的射线。且这种射线在磁场和电场中都不会发生偏转。人们认为是高能量的γ射线。41932年1月,法国物理学家约里奥-居里夫妇重复了博特和贝克尔的实验,并用这种新射线轰击石蜡,结果从石蜡中打出大量质子来。约里奥-居里夫妇把这种现象当成是一种强γ射线造成的“康普顿效应”。错失发现中子的良机。:查德威克当时正在卡文迪什实验室作放射性研究。对于约里奥-居里夫妇的实验,他不赞同他们的解释。他用这种射线先后照射轻重不同的几种元素,发现这种射线与通常的γ射线性质有所不同:通常γ射线照射到物质上时,物质密度越大,对γ射线的吸收越厉害,而这种射线刚好相反。且用它轰击氢原子核时,竟然能被弹回来。说明这种射线是具有一定质量的中性粒子流。通过对反冲核的动量测定,再利用动量守恒定律进行估算,确定出这种射线中性粒子的质量几乎和质子相同。于是查德威克意识到这就是卢瑟福曾经预言的“中子”。于是在1932年的《Nature》上发表了《中子可能存在》的论文。)建立了原子核的正确模型。2)引起了一些新的研究课题。3)由于中子不带电,因此就使人们在核物理的研究中,拥有了一颗威力无比的炮弹,人们利用它打开了核能仓库,昂首迈入原子能时代!查德威克的成功,是他能够将理论预言与实验现象密切结合,抓住机遇的结果。原子核物理学的兴起查德威克像6伊伦娜·居里和约里奥·居里原子核物理学的兴起7三人工放射性的发现1934年1月,约里奥-居里夫妇用α粒子轰击铝,发现撤走放射源后,还可检测到放射性。化学分析表明,他们得到了自然界中并不存在的放射性同位素磷-30,即27Al13+4He2→30P15+1n0磷-30经β衰变放出正电子,变成稳定元素硅:30P15→30Si14+0e1他们又用α粒子轰击硼和镁,得到放射性同位素氮和硅。这样约里奥-居里夫妇因人工放射性的发现而获得1935年诺贝尔化学奖。也为核物理的研究及原子能利用开辟了