高能核物理

高能核物理周代梅华中师大粒子物理研究所从核能到高能重离子碰撞物理AtomElectronNucleusParticleQuark二十世纪：物理学的世纪物质结构研究的三次大跨越：原子物理↓原子核物理↓粒子物理研究成果•转化为巨大生产力:核能、半导体、激光、计算机…•对社会和政治发生深刻影响：核武器…•先进研究手段：材料科学、生命科学、化学、天文…汤姆逊发现电子（1895年）一、物质微观结构的探索1937年获诺贝尔物理奖汤姆逊(1856-1940)英国物理学家，电子的发现者（1895）电子是人类所认识的第一种基本粒子，它把我们带进了认识物质结构的新层次，打击了原子不可分说，揭示了原子还有结构，这就是汤姆逊的伟大贡献居里夫人的实验发现放射性（1898年）改变世界十大实验之一：解密放射线放射性是指元素从不稳定的原子核自发地放出射线，（如α射线、β射线、γ射线等）而衰变形成稳定的元素而停止放射（衰变产物），这种现象称为放射性1896年，法国物理学家贝克勒尔在研究铀盐的实验中，首先发现了铀原子核的天然放射性。贝克勒尔的这一发现意义深远，它使人们对物质的微观结构有了更新的认识，并由此打开了原子核物理学的大门。1898年，居里夫妇又发现了放射性更强的钋和镭。由于天然放射性这一划时代的发现，居里夫妇和贝克勒尔共同获得了1903年诺贝尔物理学奖。此后，居里夫妇继续研究了镭在化学和医学上的应用，并于1902年分离出高纯度的金属镭。因此，居里夫人又获得了1911年诺贝尔化学奖。在贝可勒尔和居里夫妇等人研究的基础上，后来又陆续发现了其它元素的许多放射性核素。普朗克量子假说（1900年）1900年12月14日，普朗克提出了一个假设，即能量可以划分成n个相等的小份，每个小份叫能量子，每个能量子又与频率成正比，比例系数为h。这一天，被称为量子力学的生日黑体辐射，光电效应，原子光谱，康普顿效应等都是普朗克假说的发展结果，是经典物理所不能解释的紫外灾难研究辐射强度与光波长之间的函数关系维恩定律：在短波区和实验结果符合，而在长波区不符瑞利——金斯定律：在长波区和实验结果符合，而在短波区不符。而且当波长接近紫外时，计算出的能量为无限大。普朗克于1918年获诺贝尔奖。卢瑟福的散射实验发现原子核（1911年）改变世界十大实验之一：原子核式结构模型1911年，卢瑟福进行了一个十分著名的实验，他将金箔片放在射线源和屏幕之间，将第二个屏幕放置在射线源旁来观察阿拉法粒子是否被反射回来。在金箔后面的屏幕上，成的像类似于放云母片时的像，而在金箔前的屏幕上，卢瑟福很惊讶地发现，有少数阿拉法粒子被反射回来。这就是著名的卢瑟福α粒子大角度散射实验，当年，卢瑟福把结果公布于世：并证实了原子中除电子外，还存在着原子核，建立了原子的有核模型他被称为近代原子核物理学之父1908年获诺贝尔化学奖索尔维会议索尔维是一个很像诺贝尔的人，本身既是科学家又是家底雄厚的实业家，万贯家财都捐给科学事业。诺贝尔是设立了以自己名字命名的科学奖金，索尔维则是提供了召开世界最高水平学术会议的经费。这就是索尔维会议的来历。由于前几次索尔维会议适逢20世纪10年代－30年代的物理学大发展时期，参加者又都是一流物理学家与化学家，使得索尔维会议在物理学发展史上占据了重要的地位。第一次索尔维会议于1911年秋天在布鲁塞尔举行，主席为德高望重的荷兰物理学家洛伦兹。主题为“辐射与量子”，通过物理学和量子力学的方法考察这一问题。爱因斯坦是与会人士年龄最小的，其他著名参与者有庞加莱、居里夫人等最著名的一次索尔维会议是1927年10月召开的第五次索尔维会议。此次会议主题为“电子和光子”，世界上最主要的物理学家聚在一起讨论重新阐明的量子理论。会议上最出众的角色是爱因斯坦和尼尔斯·玻尔。前者以“上帝不会掷骰子”的观点反对海森堡的不确定性原理，而玻尔反驳道，“爱因斯坦，不要告诉上帝怎么做”——这一争论被称为玻尔-爱因斯坦论战。参加这次会议的二十九人中有十七人获得或后来获得诺贝尔奖。普朗克索末菲德布罗意郎之万爱因斯坦昂内斯卢瑟福居里夫人庞加萊洛伦兹第一届索尔维会议1911年“辐射与量子”参加这次会议的29人中，有17人获得诺贝尔奖爱因斯坦洛伦兹居里夫人普朗克郎之万泡利海森堡薛定格玻恩康普顿狄拉克德布罗意玻尔德拜科学大师强大阵容的一次合影第五届索尔维会议1927年“电子和光子”P.Dirac,W.Heisenberg,E.Schrödinger量子力学方程的创建人薛定谔：1926年用波动方程描述微观粒子运动状态薛定谔方程狄拉克：给出描述相对论性费米粒子的量子力学方程（狄拉克方程），给出反粒子解；预言磁单极；费米—狄拉克统计薛定谔和狄拉克共获1933年诺贝尔奖海森堡：矩阵力学获1932年诺贝尔奖1929年，赵忠尧和安德逊同在美国加州理工大学攻读博士学位他们的导师同为密立根（1923年诺贝尔物理学奖得主、加州理工大学校长）A.EinsteinwithA.A.MichelsonandR.A.Millikanin1931AlbertAbrahamMichelson1852–1931RobertA.Millikan1868–1953.密立根因测量电子电荷获1923年诺贝尔物理学奖麦克耳逊因测量光速获1907年诺贝尔物理学奖1930年狄拉克预言反物质的存在。赵忠尧发表正负电子对湮灭现象两篇论文1931年赵忠尧获博士学位1932年赵忠尧回到战乱时期的中国安德逊发表云室中观测到正电子径迹的论文1936年安德逊获诺贝尔物理奖1983年安德逊在其著作中公道地承认，赵忠尧的实验结果出来时，他正在做学位论文的实验。他与赵忠尧的办公室相邻，十分清楚赵忠尧所做实验。他当时已意识到，赵忠尧的实验表明有未知的“新东西”存在。安德逊坦诚地承认，他的实验受到赵忠尧实验的直接启发，是在赵忠尧的实验结果的基础上做出来的。赵忠尧1902～1998ProcNatlAcadSciUSA.1930June15;16(6):431–433Phys.Rev.1930Nov.15;36(10):1519Phys.Rev.1932March.15;43:491安德逊1905～1991李政道会见赵忠尧杨振宁会见赵忠尧丁肇中会见赵忠尧1946年赵忠尧以观察员身份，前去观查美军在太平洋比基尼岛上试爆原子弹，这是登上美国潘敏挪号驱逐舰时留影核裂变反应（1938年末-1939年初）E=mc2重金属元素铀-235的原子核吸收一个中子后产生核反应，使这个重原子核分裂成两个更轻的原子核以及2-3个自由中子，还有β和γ射线和中微子，并释放出巨大的能量，这一过程称为核裂变。O.Hahn&L.Meitner弗里茨•斯特拉斯曼铀235的裂变奥托•哈恩也因此荣获1944年诺贝尔化学奖20世纪30年代以后，随着正电子、中子、重氢的发现，使放射化学迅速推进到一个新的阶段。科学家纷纷致力于研究如何使用人工方法来实现核嬗度。正当哈恩和梅特涅一起致力于这一研究时，第二次世界大战爆发了。德军占领奥地利后，梅特涅因是犹太人、为躲避纳粹的疯狂迫害，只得逃离柏林到瑞典斯德哥尔摩避难。哈恩如失膀臂，但未放弃这方面的努力，他与另一位德国物理学家弗里茨·斯特拉斯曼合作，又开始了新的尝试和探索。1938年末，当他们用一种慢中子来轰击铀核时，竟出人意料地发生了一种异乎寻常的情况：反应不仅迅速强烈、释放出很高的能量，而且铀核分裂成为一些原子序数小得多的、更轻的物质成分。核聚变核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式太阳的能量来自它中心的热核聚变BecauseofthedangerthatHitlermightbethefirsttohavethebomb,IsignedalettertothePresidentwhichhadbeendraftedbySzilard.HadIknownthatthefearwasnotjustified,IwouldnothaveparticipatedinopeningthisPandora'sbox,norwouldSzilard.FormydistrustofgovernmentswasnotlimitedtoGermany.爱因斯坦于1939年8月2日给时任美国总统罗斯福的信二、核能1939年当爱因斯坦知道德国人有可能研制核武器的消息后，出于对人类命运的关注，写信给美国总统罗斯福，促使罗斯福批准美国研制原子弹的“曼哈顿计划”。1945年7月16日凌晨第一颗试验原子弹（代号：小玩意儿）在美国新墨西哥州LosAlamos阿拉默多尔空军基地的沙漠地区爆炸成功它的爆炸威力相当于二万吨TNT炸药恩利克·费米1901～19541938年诺贝尔物理学奖1945年8月6日，美国向日本广岛投下第一颗原子弹（代号：小男孩），浓烟笼罩广岛上空。广岛死于原子弹爆炸以及核辐射的人数已超过了24万人。1945年8月9日，美国空军向日本长崎投下第二颗原子弹（代号：胖子），蘑菇云直冲云霄。爆炸当日使10万余人死伤和失踪，60％－70％的建筑物被毁。何应钦将军代表中国政府接受侵华日军总司令冈村宁次的投降书1945年8月15日，日本帝国主义宣布无条件投降武汉市民游行庆祝抗战胜利日本鬼子缴械投降小男孩LittleBoy胖子FatMan透视中国周边安全局势邓小平80年代指出：如果六十年代以来中国没有原子弹、氢弹，没有发射卫星，中国就不能叫有重要影响的大国，就没有现在这样的国际地位。这些东西反映一个民族的能力，也是一个民族、一个国家兴旺发达的标志。毛泽东在1955年发出号召：中国不但要有更多的飞机和大炮，而且还要有原子弹。在今天世界上，我们要不受人欺负，就不能没有这个东西。现代战争已逐渐摒弃单纯地面进攻模式，转以空中对抗和空中打击为主要战争手段。现代战争的关键，是制空权的争夺。制空权的夺取，是敌我双方在众多领域的较量，包括战略因素、战术因素、科技因素和综合国力。战争的关键手段，首先就是各式空空导弹在近距、中距、远距的大范围运用。我国已成为世界上能研制智能化空空导弹的少数几个国家之一。江泽民：打赢一场高科技条件下的局部战争。中国空空导弹研究院胡锦涛：局部战争和冲突时起时伏，南北差距进一步拉大，恐怖主义、跨国犯罪、环境污染、自然灾害、严重传染性疾病等全球性问题突出，维护世界和平、促进共同发展也面临着新的挑战。毛泽东等党和国家领导人接见铀矿地质会议人员周恩来宣布我国第一颗原子弹爆炸成功水砷铅铀矿钡磷铀矿1964年10月16日《人民日报》号外中国第一颗原子弹爆炸成功1966年10月27日《人民日报》号外中国发射导弹核武器试验成功1967年6月17日《人民日报》喜报中国第一颗氢弹爆炸成功1981年研制成功的我国第一艘导弹核潜艇1988年中国核潜艇水下发射导弹成功1971年9月，我国自行研制的核潜艇下水核武器爆炸壮观景象大亚湾核电站核裂变的和平利用秦山核电站当中子轰击铀-235原子核时，一部分铀-235原子核吸收中子而发生裂变。如果铀-235核裂变产生的中子又去轰击另一个铀一235将再引起新的裂变，如此不断地持续进行下去，就是裂变的链式反应这种链式裂变反应自己维持进行，或者维持自持链式裂变反应的条件（或状态）是至少有一个中子而且不多于一个中子从每一次裂变到达另一次裂变。这种状态称为“临界状态”。中子与铀-235核的自持链式反应可以由人来控制。目前最常用的控制方式是向产生链式反应的裂变物质（如铀-235）中放入或移出可以吸收中子的材料。正常工作时使裂变物质处于临界状态，维持稳定的链式裂变反应，因而保持稳定的核能释放。如需停止链式反应，就放入更多的吸收中子材料；如果要求释放更多的核能，可以移出一定的吸收中子材料。这种能维持和控制核裂变的核能—热能转换的装置，叫反应堆。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到控制。核电站的关键设备是核反应堆，它相当于火电站的锅炉，受控的链式反应就在这里进行。裂变的