第十章原子核及粒子物理学的发展.ppt

一
三
四
六
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第十章原子核及粒子物理学的兴起
§1. 原子核结构的探索
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
§------慢中子效应和核裂变的发现,链式反应
§------氢弹
§
§
二
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正电子的发现
中微子的发现
介子理论的建立
奇异粒子的研究
粒子的分类
强子结构和夸克理论
2004-12-8
山东师范大学物理与电子科学学院
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原
子
核
物
理
学
的
兴
起
关于原子核物理学及粒子物理
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。
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。
理论基础是量子场论,是解释微观现象的基本理论。
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§1. 原子核结构的探索
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。
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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)。α粒子轰击氮核的反应过程:
14N
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+4He2→17O8+1H1
确定粒子的性质: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。
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二中子n的发现
:
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”。
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1930年德国物理学家博特()与贝克尔
()用天然放射性元素Po(钋)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。
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查德威克当时正在卡文迪什实验室作放射性研究。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。且用它轰击轻原子核时,竟然能