第十章 .原子核及粒子物理学的发展(原).ppt

2004-12-8 山东师范大学物理与电子科学学院 1 一人工核反应的实现及质子的发现二中子的发现三人工放射性的发现四慢中子效应和核裂变的发现五正电子的发现六中微子的发现七介子理论的建立八奇异粒子的研究九粒子的分类十强子结构和夸克理论第十章原子核及粒子物理学的兴起 2004-12-8 山东师范大学物理与电子科学学院 2 原子核物理学的兴起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。关于原子核物理学及粒子物理原子核物理学及粒子物理的工作实验研究方法: 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。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。理论基础是量子场论,是解释微观现象的基本理论。 2004-12-8 山东师范大学物理与电子科学学院 3 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。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。一人工核反应的实现及质子的发现在上述现象启发下,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。 2004-12-8 山东师范大学物理与电子科学学院 4 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)。 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。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。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。 14N 7+ 4 He 2→ 17O 8+ 1H 1 1919 年,卢瑟福明确表达了α粒子轰击氮核的反应过程: 2004-12-8 山东师范大学物理与电子科学学院 5 : 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。二中子 n的发现 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”。 2004-12-8 山东师范大学物理与电子科学学院 6 : 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。 1932 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。 2004-12-8 山东师范大学物理与电子科学学院 7 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。 : 2004-12