1、1 Email:Email:2 邓小平指出：“科学技术是第一生产力。” 现代科学技术已经成为社会发展的推动力，影响着国家的经济实力、政治实力、军事实力。 现代科学技术的发展一日千里，尤其在信息技术和生物技术方面的发展速度令人震惊。 通过这门课的学习，提高我们的科学素养。作为二十一世纪的大学生，应当时刻关注科技的发展，并积极投身进去，终身学习，不被时代所淘汰。3 积极参与课堂讨论 结合本人学科专业，写出总结与体会 考核：考试60% 出勤和课堂表现40%4 物理者，万物之理也。物理者，万物之理也。 物理学最早被称为自然哲学，是哲学专门物理学最早被称为自然哲学，是哲学专门研究自然界的分支。研究自然界
2、的分支。 近代，中国物理学一直落后于西方，它的近代，中国物理学一直落后于西方，它的现状和发展很基本上是由世界物理学现状现状和发展很基本上是由世界物理学现状及发展所决定的。及发展所决定的。 5物理学物理学理论物理粒子物理及原子核物理原子分子物理凝聚态物理光学声学等离子体物理无线电物理 理论物理理论物理实验物理实验物理应用物理应用物理67 1896 1896年年, ,贝克勒尔发现铀盐的放射现象。贝克勒尔发现铀盐的放射现象。这是这是人类历史上第一次在实验室里观察到人类历史上第一次在实验室里观察到原子核现象，是核物理学的开端。原子核现象，是核物理学的开端。获获19031903年度诺贝尔物理学奖年度诺贝
3、尔物理学奖A.H.A.H.贝克勒尔贝克勒尔（法）（法）1852-19081852-1908伦琴发现伦琴发现X X射线后射线后, ,彭加勒彭加勒( (法法) )认为认为“X X射线可能射线可能跟荧光属于同一机理跟荧光属于同一机理”, ,在他的建议下在他的建议下, ,贝克勒尔贝克勒尔着手验证着手验证, ,终于发现铀盐有预期效果终于发现铀盐有预期效果. .同时发现这同时发现这种射线跟荧光不一样种射线跟荧光不一样, ,不需要外来激发不需要外来激发. .进一步的进一步的研究表明这是有别于研究表明这是有别于X X射线的辐射射线的辐射, ,他称之为他称之为“铀铀辐射辐射”. .贝克勒尔得到的第一张铀辐射照片
4、贝克勒尔得到的第一张铀辐射照片 1.1.关于原子核的历史回顾关于原子核的历史回顾贝克勒尔是研究荧光和磷光现象的世家子弟，于贝克勒尔是研究荧光和磷光现象的世家子弟，于18921892年年担任巴黎自然历史博物馆教授担任巴黎自然历史博物馆教授 , ,而此职位是他祖父和父亲而此职位是他祖父和父亲曾担任过的曾担任过的偶然？必然？偶然？必然？J.JJ.J汤姆逊，英，汤姆逊，英，1856-19401856-194018971897年年,J.J,J.J汤姆逊通过对阴汤姆逊通过对阴极射线的研究测定了电子的荷极射线的研究测定了电子的荷质比从而在实验上发现了电子质比从而在实验上发现了电子. .19251925年年,
5、G.P,G.P汤姆逊证实电子的波动性汤姆逊证实电子的波动性. .与戴维逊同获与戴维逊同获19371937年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖. .J.J.J.J.汤姆孙曾师从瑞利汤姆孙曾师从瑞利, ,并于并于18841884年年（时年（时年2828岁）接替瑞利任卡文迪许实验室岁）接替瑞利任卡文迪许实验室主任（长达主任（长达3535年），经他培养的研究人员年），经他培养的研究人员中有中有7 7人获过诺贝尔奖人获过诺贝尔奖. .获获19061906年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖在在1919世纪末物理学的三大发现中，如果说世纪末物理学的三大发现中，如果说X X射线和放射性的发现具有某射线和放射
6、性的发现具有某种偶然性种偶然性, , 那么，电子的发现却充分显示了科学发展的必由之路，它是那么，电子的发现却充分显示了科学发展的必由之路，它是许多人经过大量实验和理论研究，进行了长期的科学争论之后的产物。许多人经过大量实验和理论研究，进行了长期的科学争论之后的产物。比起前两件来，电子的发现更有意义，它打破了原子不可分的传统观念。比起前两件来，电子的发现更有意义，它打破了原子不可分的传统观念。打开了通向原子物理学的大门。打开了通向原子物理学的大门。9皮埃尔皮埃尔. .居里（法）（居里（法）（1859-19061859-1906）玛丽玛丽. .居里（法籍波兰）（居里（法籍波兰）（1867-1934
7、1867-1934）18971897年年, ,居里夫妇发现放射居里夫妇发现放射性元素性元素 钋钋(Po)(Po)和镭和镭( (Ra)Ra) 她们的女儿她们的女儿(1897-1956)(1897-1956)和女婿和女婿(1900-1958)(1900-1958)因发现人工放射性获因发现人工放射性获19341934年诺贝尔奖年诺贝尔奖. .共同获共同获19031903年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖贝克勒尔的发现引发了居里夫妇的兴贝克勒尔的发现引发了居里夫妇的兴趣趣. .他们发现有多种元素会自发辐射他们发现有多种元素会自发辐射, ,并着手寻找新的辐射元素并着手寻找新的辐射元素. .189818
8、98年年7 7月月, ,他们发现沥青铀矿分离物的他们发现沥青铀矿分离物的放射性比同质量的铀强放射性比同质量的铀强400400倍倍. . 确证放射确证放射性来自分离物内的一种微量元素性来自分离物内的一种微量元素. .最终找最终找到了特别强的放射性物质到了特别强的放射性物质. .居里夫妇建议居里夫妇建议称之为钋（称之为钋（PoloniumPolonium）, ,为的是纪念祖国为的是纪念祖国波兰波兰. . 进一步的分离实验发现钡盐有更强的放射性进一步的分离实验发现钡盐有更强的放射性, ,认为还有第二种放射性更强的物认为还有第二种放射性更强的物质质, ,他们命名为镭他们命名为镭. .最终得到放射性比铀
9、强最终得到放射性比铀强1010万倍的镭的化合物结晶万倍的镭的化合物结晶. .后来他们用后来他们用4 4年时间从年时间从8 8吨矿渣中提取了吨矿渣中提取了0.1g0.1g纯镭盐用于实验纯镭盐用于实验. .19021902年年测得镭的原子量为测得镭的原子量为225,225,找到两根明亮的特征谱线找到两根明亮的特征谱线. .至此至此, ,镭的存在得到公认镭的存在得到公认. .1019201920年年5 5月月, ,美国记者麦隆内夫人在巴黎简陋的美国记者麦隆内夫人在巴黎简陋的实验室访问居里夫人实验室访问居里夫人, ,问道：问道：“难道这个世界上难道这个世界上就没有你想要的东西？就没有你想要的东西？”“
10、”“有有,1,1克镭克镭. .以便我的以便我的研究研究. .可可1818年后的今天我买不起年后的今天我买不起, ,它的价格太贵它的价格太贵了了.”.”居里夫人的高尚品质居里夫人的高尚品质麦隆内夫人回国后在全美妇女中为其募捐获得麦隆内夫人回国后在全美妇女中为其募捐获得成功成功,1921,1921年年5 5月月2020日日, ,美国总统将公众捐献的美国总统将公众捐献的1 1克克镭赠与居里夫人镭赠与居里夫人. .数年后数年后, ,当居里夫人想在故国波兰华沙假设一当居里夫人想在故国波兰华沙假设一个镭研究院治疗癌症时个镭研究院治疗癌症时, ,美国公众再次为她捐赠美国公众再次为她捐赠了第二克镭了第二克镭.
11、 .居里夫人发现镭后居里夫人发现镭后, ,放弃专利放弃专利, ,公布提纯方法。公布提纯方法。“没有人应该没有人应该因镭致富因镭致富, ,它是属于全人类的。它是属于全人类的。”“人类需要善于实践的人人类需要善于实践的人, ,他们能从工作中取得较大他们能从工作中取得较大的收获的收获, ,既不忘记大众的福既不忘记大众的福利利, ,又能保障自己的利益又能保障自己的利益. .但人类也需要梦想者但人类也需要梦想者. .需要需要醉心于事业的大公无私醉心于事业的大公无私.”.”11居里夫妇在工作中遭受了大剂量的辐射。居里夫人后来长期患恶性贫居里夫妇在工作中遭受了大剂量的辐射。居里夫人后来长期患恶性贫血症。弗列
12、德利克血症。弗列德利克约里奥曾检验过她当年的实验记录本，发现全都严约里奥曾检验过她当年的实验记录本，发现全都严重沾染了放射物。她当年用过的烹调书，重沾染了放射物。她当年用过的烹调书，5050年后再检查，还有放射性。年后再检查，还有放射性。19341934年居里夫人在经过长期恶性贫血折磨后去世。她的女儿年居里夫人在经过长期恶性贫血折磨后去世。她的女儿伊伦伊伦和女和女婿婿弗列德利克弗列德利克约里奥约里奥也因恶性贫血症相继于也因恶性贫血症相继于19561956年和年和19581958年去世。居年去世。居里的一家有里的一家有4 4人获诺贝尔物理奖，做出了巨大贡献，他们自己却被镭夺去人获诺贝尔物理奖，做
13、出了巨大贡献，他们自己却被镭夺去了宝贵的生命。了宝贵的生命。12卢瑟福卢瑟福(E.Rutherford(E.Rutherford）英英国物理学家，国物理学家，(1871-1937),(1871-1937),新西兰人新西兰人,1908,1908年获得诺贝尔年获得诺贝尔奖。证实了奖。证实了射线为射线为, ,射线为电子射线为电子; ; 提出了原子的核提出了原子的核式模型式模型; ;首次实现人工核反应首次实现人工核反应; ;培养了培养了1010位诺贝尔奖获得者位诺贝尔奖获得者. .He2查德威克（查德威克（J.ChadwickJ.Chadwick）英国物理学家英国物理学家(1891-1974)(189
14、1-1974)，卢，卢瑟福的助手。瑟福的助手。19351935年因发现了中年因发现了中子获得诺贝尔奖。中子的发现被子获得诺贝尔奖。中子的发现被认为是原子核物理的诞生。认为是原子核物理的诞生。13费米（费米（E.FermiE.Fermi）意大利物理学家意大利物理学家(1901-1954)(1901-1954)，19381938年获得诺贝尔奖。发明了年获得诺贝尔奖。发明了热中子链式反应堆。热中子链式反应堆。丁肇中，丁肇中，(1936)(1936)与与 B.B.里克特分别发现里克特分别发现J J、粒粒子，找到了美夸克存在的证据，子，找到了美夸克存在的证据，19761976年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。
15、14 1896 1896：H.BecquerelH.Becquerel发现了铀发现了铀(U)(U)放射现象放射现象; ; 1897 1897：居里夫妇发现钋：居里夫妇发现钋(Po)(Po)和镭和镭( (Ra);Ra); 1899 1899：卢卢瑟福发现瑟福发现 , , 射线；射线； 19001900：维拉德发现：维拉德发现射线射线; ; 1903 1903：卢卢瑟福证实瑟福证实射线为射线为 , ,射线为电子；射线为电子； 19111911：卢卢瑟福提出原子的核式模型；瑟福提出原子的核式模型； 19191919：卢卢瑟福首次实现人工核反应，发现了质子。瑟福首次实现人工核反应，发现了质子。 193
16、21932：J.ChadwickJ.Chadwick发现了中子发现了中子; ; 1934 1934：F.&I.Joliot-CurieF.&I.Joliot-Curie发现人工放射性；发现人工放射性； 19391939：O.HahnO.Hahn等人发现重核裂变；等人发现重核裂变； 19391939：N.BohrN.Bohr等提出液滴模型等提出液滴模型; ; 1942 1942：E.FermiE.Fermi发明热中子链式反应堆；发明热中子链式反应堆； 19451945：在奥本海默：在奥本海默( (美美) )领导下领导下, ,原子弹试爆成功；（原子弹试爆成功；（广岛广岛） 19521952：在泰勒
17、：在泰勒( (美籍匈牙利人美籍匈牙利人) )领导下，氢弹试爆成功；领导下，氢弹试爆成功； 19521952：前苏联建成第一个核电站：前苏联建成第一个核电站. .He4215 1958 1958：我国建成第一座重水型原子反应堆：我国建成第一座重水型原子反应堆; ; 1964 1964：我国第一颗原子弹试爆成功；：我国第一颗原子弹试爆成功； 19671967：我国第一颗氢弹试爆成功；我国第一颗氢弹试爆成功； 19691969：我国首次成功地下核实验；：我国首次成功地下核实验； 19841984：我国受控热核聚变实验装置顺利启动；：我国受控热核聚变实验装置顺利启动； 19881988：北京正负电子对
18、撞机首次对撞成功；：北京正负电子对撞机首次对撞成功； 19911991：秦山核电站发电成功：秦山核电站发电成功; ; 最早发现原子核一分为三的钱三强“两弹元勋”邓稼先16cmcmcmcmcm161312871010101010 电子、夸克：电子、夸克：质子：质子：原子核：原子核：原子：原子：分子：分子： 原子核由质子和中子组成原子核由质子和中子组成, ,质子和中子由夸克质子和中子由夸克组成组成. . 目前已经明确夸克有目前已经明确夸克有6 6种种, ,它们和电子等它们和电子等6 6种轻子被认为是物质最基本的组成单元种轻子被认为是物质最基本的组成单元. .核的线度只有原子的万分之一核的线度只有原
19、子的万分之一, ,但质量却占原但质量却占原子质量的子质量的99%99%以上以上. .近年来的实验已经有了夸克可能是由更小的粒近年来的实验已经有了夸克可能是由更小的粒子组成的迹象子组成的迹象, ,仍有待进一步研究仍有待进一步研究. .172.2.原子核的组成原子核的组成核核的的组组份份原子核对原子性质起主要贡献的是核的质量和电荷。原子核对原子性质起主要贡献的是核的质量和电荷。元素的物理、化学性质或光谱特性主要与核外电子有元素的物理、化学性质或光谱特性主要与核外电子有关，而放射性现象则归因于原子核。关，而放射性现象则归因于原子核。核外电子的行为对原子核的影响甚微核外电子的行为对原子核的影响甚微,
20、,可不予考虑。可不予考虑。原子质量单位原子质量单位u u同位素同位素 原子质量的原子质量的1/12C12kggu27231066. 112110022. 6121 原子核质量数原子核质量数A A原子的质量都接近于一个整数原子的质量都接近于一个整数, ,这个整数称为这个整数称为核子核子中子和质子统称核子中子和质子统称核子 MeVumMeVumpn2796.938007277. 15731.939008665. 1610 原子核的质量一般可用质谱仪测定，其测量精度可达原子核的质量一般可用质谱仪测定，其测量精度可达18核素及其标记核素及其标记元素元素: :质子数相同的一类原子质子数相同的一类原子.
21、.核素核素: :具有相同质子数和相同具有相同质子数和相同中子数的一类原子核中子数的一类原子核. .核素符号核素符号NAZXUU238235,eHH3221,A:A:质量数质量数( (核子数核子数) )Z:Z:质子数质子数( (原子序数原子序数) )N NA-Z:A-Z:中子数中子数同位素同位素:Z:Z相同但相同但N N不同的核素不同的核素. .例如例如同中子异位素同中子异位素:N:N相同但相同但Z Z不同的核素不同的核素. .同量异位素同量异位素:A:A相同但相同但Z Z不同的核素不同的核素. .KAr40194018,同质异能素同质异能素:A:A和和Z Z均相同但能量状态不同的核素均相同但能
22、量状态不同的核素. .CoCom6060,迄今为止发现的迄今为止发现的20002000多个核素多个核素中，有中，有300300多个天然核素多个天然核素(280(280多个稳定核素，多个稳定核素，6060多个放射性核素多个放射性核素) )，其余，其余16001600多个是自多个是自19341934年以来人工合成的放射性核素。年以来人工合成的放射性核素。例如例如例如例如例如例如19核素图核素图核素的稳定区：稳定核素几乎全落在核素的稳定区：稳定核素几乎全落在一条光滑曲线上或紧靠其两侧一条光滑曲线上或紧靠其两侧, ,此区域称核素的稳定区此区域称核素的稳定区. .对于轻核对于轻核, ,这条曲线与直这条曲
23、线与直线线N NZ Z重合重合, ,当当N N、Z Z增大至一定数值后增大至一定数值后, ,稳定线逐渐向稳定线逐渐向 位于稳定线位于稳定线 N NZ Z的方的方 上侧的为缺中子上侧的为缺中子向偏离向偏离. . 核核区区, ,下侧为丰中子核区下侧为丰中子核区. . 中子数和质子数过多或中子数和质子数过多或过少过少 的核素都不稳的核素都不稳定定. .中科院近物所中科院近物所. .新核素图新核素图.114.114种元素种元素.3070.3070个核素个核素202 2核的基本特性之一：核质量核的基本特性之一：核质量质量质量亏损亏损mNmZmmnp )(原子核的质量与组成它的核子质量之和的差值原子核的质
24、量与组成它的核子质量之和的差值. .用原子质量可表示为用原子质量可表示为MNmZMMnH )(氢原子的质量氢原子的质量核的结合能核的结合能B B结合能：核子结合为某种核时释放的能量结合能：核子结合为某种核时释放的能量. .2)(cMNmZMBnH 表明表明: :亏损的质量转化为能量的释放亏损的质量转化为能量的释放. . or:or:核能的释放以质量亏损为代价核能的释放以质量亏损为代价. .通过实验测出原子的质量通过实验测出原子的质量M,M,即可由上式求出各种核素的结合能即可由上式求出各种核素的结合能, ,反之反之亦然亦然. .因此因此, ,核的质量和结合能两词经常可等价使用核的质量和结合能两词
25、经常可等价使用. .但至今仍无法从第一但至今仍无法从第一性原理导出核质量性原理导出核质量( (或结合能或结合能) )公式公式, ,以算出其它核素的质量以算出其它核素的质量( (或结合能或结合能).).平均结合能平均结合能( (比结合能比结合能) )AB 原子核中每个核子结合能的贡献原子核中每个核子结合能的贡献, ,标志核子结合的松紧程度标志核子结合的松紧程度. .210.0023893u减少的质量减少的质量 质量亏损质量亏损m m2mcE 核的结合能核的结合能B B 22核的结合能图核的结合能图 核素图和核的结合能图是原子核核素图和核的结合能图是原子核物理学中最重要的两个图物理学中最重要的两个
26、图 2)A=40-120 2)A=40-120的中等核的中等核较高较高, ,几乎为一常量几乎为一常量. .3)3)轻核和重核的轻核和重核的较中等核低。较中等核低。8.6MeV8.6MeV1)1)当当A A3030时时, ,曲线有起伏的上升曲线有起伏的上升. .其中其中, ,偶偶核偶偶核( (奇奇核奇奇核) )的的有极大有极大( (小小) )值值, ,具有较高具有较高( (低低) )的稳定性的稳定性;偶偶核偶偶核( (奇奇核奇奇核):Z):Z、N N均为偶均为偶( (奇奇) )数数 原子能（核能）原子能（核能）原子核结合能发生原子核结合能发生变化时释放的能量变化时释放的能量获得核能的两个途径获得
27、核能的两个途径1)1)重核裂变重核裂变2)2)轻核聚变轻核聚变233 3核力核力核力：核子紧密结合形成高密度核的力核力：核子紧密结合形成高密度核的力 核的半径核的半径( (由实验规律给出由实验规律给出):):3/10ArR fm.r210 经验常数经验常数核的质量密度：核的质量密度：314303/1023434cmkgArAuRNmZmnp 核力的基本性质核力的基本性质1)1)核力是具有饱和性的短程力核力是具有饱和性的短程力核力的两个重要特性核力的两个重要特性:短程性短程性饱和性饱和性核力是一种短程强相互作用力核力是一种短程强相互作用力, ,只作用于相邻的核子只作用于相邻的核子. .核的结合能
28、近似与核的结合能近似与A A成正比成正比, ,比结合能比结合能B/AB/A近似为常数近似为常数, ,表明核力是具有明显饱和性的交换力表明核力是具有明显饱和性的交换力. .核的结合能正比于核的体积核的结合能正比于核的体积, ,这与液体相像这与液体相像. .2)2)核力是与电荷无关的强相互作用核力是与电荷无关的强相互作用核力强度约为库仑力的核力强度约为库仑力的100100倍倍. .海森堡于海森堡于19321932年假设：年假设：a)a)电荷对称性电荷对称性: :质子间、中子间的核力相等质子间、中子间的核力相等; ;b)b)核力与电荷无关核力与电荷无关: :质子和中子间的核力相等质子和中子间的核力相
29、等. . 此假设于此假设于19371937年为实验初步证明年为实验初步证明,1946-1955,1946-1955年间为更精确的实验确证年间为更精确的实验确证243)3)核力在极短程表现为斥力核力在极短程表现为斥力核子的作用势：由核子的作用势：由p-pp-p、n-pn-p的散射实验得出的散射实验得出ppVr0npVr0r/fm0 0.8 2 10核力表现为核力表现为“斥力斥力”核力表现为核力表现为“强引力强引力”核力消失核力消失核子间距核子间距2fm2fm范围内范围内, ,还有很多问题有待解决。还有很多问题有待解决。因无法制备纯中子靶而无法因无法制备纯中子靶而无法进行进行n-nn-n散射实验散
30、射实验, ,但间接实验但间接实验证明有相似的大致规律证明有相似的大致规律) )。4)4)核力与自旋有关核力与自旋有关两核子自旋平行时总自旋为两核子自旋平行时总自旋为1,1,此时作用力较强此时作用力较强. .( (核子自旋平行和自旋相反时散射截面也不同核子自旋平行和自旋相反时散射截面也不同) )25重核裂变重核裂变从结合能图知从结合能图知, ,重核裂变为两个中等核时重核裂变为两个中等核时, ,平均结合能平均结合能将增加将增加1MeV1MeV左右左右, ,即每个核子平均贡献即每个核子平均贡献1MeV1MeV左右的能量左右的能量. .U235平均来看平均来看, ,每个裂变时将释放的能量约为每个裂变时
31、将释放的能量约为200 MeV200 MeV。释放的能量表。释放的能量表现为碎片、放出的中子及相伴发生的现为碎片、放出的中子及相伴发生的衰变产物的动能衰变产物的动能. . 裂变裂变释放的能量释放的能量U235一个铀核能提供的能量几乎是化学反应中一个原子提供能量一个铀核能提供的能量几乎是化学反应中一个原子提供能量( (一般不到一般不到10MeV10MeV的能量的能量) )的的一亿倍一亿倍. .最重要的一点是铀核裂变平均要放出最重要的一点是铀核裂变平均要放出2.52.5个中子个中子, ,而这些中子是维持链式反应所必需的而这些中子是维持链式反应所必需的, ,即即“中子的再生率中子的再生率1”1” M
32、eVMeVMeVMeV10170：相伴的与能量：粒子和放出中子的动能：碎片的动能： 155E.Fermi,E.Fermi,意大利，意大利，1901-19541901-1954获获19381938年度年度诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖费米的主要贡献：费米的主要贡献：用中子辐照产生新用中子辐照产生新放射性元素以及用放射性元素以及用慢中子引起核反应慢中子引起核反应的有关发现的有关发现 2619341934年，费米小组用中子轰击，对得到的放射性产物半衰期的测年，费米小组用中子轰击，对得到的放射性产物半衰期的测定表明它不属于其它重元素！这其实是重核裂变的最早证据。但他们作定表明它不属于其它重元素！这其实是
33、重核裂变的最早证据。但他们作出错误判断，猜想那是出错误判断，猜想那是“第第9393号元素号元素”同时说明证据不足。但当时罗马同时说明证据不足。但当时罗马大学物理研究所所长柯比诺却在国王出席的科学院会议上宣布发现第大学物理研究所所长柯比诺却在国王出席的科学院会议上宣布发现第9393号元素，引起新闻界的宣扬，吹捧这是法西斯主义在文化领域的胜利。号元素，引起新闻界的宣扬，吹捧这是法西斯主义在文化领域的胜利。U238费米于费米于19381938年借领取诺贝尔奖之机由意大利迁居美国。在美军方支持年借领取诺贝尔奖之机由意大利迁居美国。在美军方支持下，于下，于1941.121941.12开始领导开始领导“曼
34、哈顿工程曼哈顿工程”。核裂变原料核裂变原料U235占天然铀的占天然铀的0.72%，自然界仅有的，自然界仅有的能由热中子引起裂变的核素能由热中子引起裂变的核素,U238占天然铀的占天然铀的99.27%，可用来生产核原料：可用来生产核原料： U238 )35. 2( ,min)24( ,239239239239239238dTePuNpTeNpUUUnee 19391939年发现裂变时年发现裂变时, ,世界上没有浓缩铀，当时还未发现钚世界上没有浓缩铀，当时还未发现钚 Pu23919451945年美试爆的第一颗原子弹原料：年美试爆的第一颗原子弹原料：Pu23927临界体积临界体积在纯铀中在纯铀中,
35、,中子易从其表面逃逸而使反应中止。只有中子易从其表面逃逸而使反应中止。只有当其体积大于当其体积大于“临界体积临界体积”时才能发生链式反应。时才能发生链式反应。轶事轶事斯罗达博士：用手阻止核爆炸的人斯罗达博士：用手阻止核爆炸的人二战期间的一天二战期间的一天, ,加拿大核物理学家斯罗达博士在实验室主持原子弹引爆临界加拿大核物理学家斯罗达博士在实验室主持原子弹引爆临界试验工作试验工作, ,研究两块被放在轨道上的浓缩铀对合的临界质量研究两块被放在轨道上的浓缩铀对合的临界质量. .拨动铀块的螺丝刀突然滑落拨动铀块的螺丝刀突然滑落, ,两块铀在轨道上相向滑动两块铀在轨道上相向滑动. .就在两块铀即将滑到一
36、就在两块铀即将滑到一起的关键时刻起的关键时刻, ,斯罗达奋不顾身地用双手把它们阻隔开斯罗达奋不顾身地用双手把它们阻隔开, ,避免了一起核爆炸避免了一起核爆炸. .斯罗达斯罗达受到高剂量的致命辐射受到高剂量的致命辐射, ,出事之后的第九天他离开了人世出事之后的第九天他离开了人世. .加拿大政府和人民为了加拿大政府和人民为了表彰这位优秀科学家对人类所做的贡献表彰这位优秀科学家对人类所做的贡献, ,把他誉为把他誉为“用双手掰开原子弹的人用双手掰开原子弹的人”. .减减速速剂剂欲使裂变反应持续欲使裂变反应持续, ,关键在于使中子减速关键在于使中子减速. . 目前常用的减速剂是目前常用的减速剂是重水和石
37、墨重水和石墨.1942.1942年世界第一个反应堆年世界第一个反应堆用用石墨石墨为减速剂为减速剂. .我国我国19581958年建成的反应堆用年建成的反应堆用重水重水为减速剂。为减速剂。 反应堆的控制棒用吸收中子很强的镉或硼制成反应堆的控制棒用吸收中子很强的镉或硼制成。 链式反应大约链式反应大约1 1秒钟可产生秒钟可产生10001000代中子代中子，解决的办法是靠，解决的办法是靠“缓发中子缓发中子” 。在设计反应堆时在设计反应堆时, ,要使缓发中子放出后才达到临界要使缓发中子放出后才达到临界, ,才能使链式反应进行才能使链式反应进行. .因此有足够的时间来控制反应速度因此有足够的时间来控制反应
38、速度. . 2829原子弹原子弹发生链式反应发生链式反应爆爆炸炸3535种元素的种元素的200200多种核素多种核素 nKrBanUnZrTenU10913614256102359210974013752102359232铀铀-235 -235 的临界质量约为的临界质量约为1kg. 1kg. 任何有核反应堆的国家都不难得到爆炸任何有核反应堆的国家都不难得到爆炸级的裂变材料，原子弹的基本设计又如此级的裂变材料，原子弹的基本设计又如此简单简单, ,从而为防止核武器扩散带来了困难。从而为防止核武器扩散带来了困难。3019641964年年1010月月1616日日1515时时, ,中国中国在本国西在本国
39、西部地区试部地区试爆成功一爆成功一颗原子弹颗原子弹蘑菇云发展图蘑菇云发展图31 “小玩意儿小玩意儿”钚装药重钚装药重6.16.1千克，千克，TNTTNT当量当量2.22.2万吨，试验中产生了上千万万吨，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座度的高温和数百亿个大气压，致使一座3030米高的铁塔被熔化为气体，并在米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑。地面上形成一个巨大的弹坑。 在半径为在半径为400400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为16001600米的范围内，所有的动物全部死亡。米的范围内，所
40、有的动物全部死亡。“漫天奇光异彩漫天奇光异彩, ,有如圣灵逞威有如圣灵逞威, ,只有一千个太阳只有一千个太阳, ,才能与其争辉才能与其争辉. .我是死神，我是死神，我是世界的毁灭者我是世界的毁灭者.”.” “原子弹之父原子弹之父” ” 奥本海默奥本海默在核爆观测站里感到十分震惊，在核爆观测站里感到十分震惊，他想起了印度一首古诗他想起了印度一首古诗：32 在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达尘直冲云天，高达1212英里多。英里多。 美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。广岛市区美国原子弹突袭广
41、岛和长崎造成了巨大的毁伤。广岛市区80%80%的建筑化的建筑化为灰烬，为灰烬，6.46.4万人丧生，万人丧生，7.27.2万人受伤，伤亡总人数占全市总人口的万人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%53%。长。长崎市崎市60%60%的建筑物被摧毁，伤亡的建筑物被摧毁，伤亡8.68.6万人，占全市总人口的万人，占全市总人口的37%37%。这是美国在日本投掷的两颗原子弹这是美国在日本投掷的两颗原子弹U235“小男孩小男孩”4.5t1945.8.6投至广岛投至广岛枪法铀弹枪法铀弹“胖子胖子” 5t1945.8.8投至长崎投至长崎Pu239内爆钚弹内爆钚弹33原子弹在日本造成的原子弹在日本造成的疮疮满满
42、目目痍痍34轻核聚变轻核聚变轻核聚变中轻核聚变中, ,每个核子贡献的能量是每个核子贡献的能量是3.6MeV, 3.6MeV, 大约是裂变时每个核子贡献能量的大约是裂变时每个核子贡献能量的4 4倍倍. . U235氘核靠短程核力聚合在一起，核子间距氘核靠短程核力聚合在一起，核子间距r10fmr 人一生所需能源A 500升海水含10克氘B 无环境污染及长寿命放 射性废料42聚变需要亿度高温劳逊判据（Q1）T10keV （1亿度）nt 3x1020m-3s聚变需要亿度高温43实现聚变的三种途径44 主要参数Pf = 500MWQ 10T = 500 sR = 6.2 mA = 2.0 mIp = 1
43、5 MAB = 5.3 TV = 837 m3S = 678 m2Pin= 73 MWITER：我们的托卡马克聚变实验堆45法国人的梦想2005年6月28日ITER：Cadarache46磁约束聚变研究进展磁约束聚变研究进展47磁约束受控聚变研究进展 3030年聚变三乘积提高年聚变三乘积提高1010万倍万倍 平均每平均每 1.81.8年翻一番年翻一番48美国Nova激光聚变装置49美国国家点火（NIF）激光聚变装置2003年建成年建成, 192束束180万焦耳，万焦耳，3纳秒纳秒500TW，近紫外光，近紫外光50激光聚变电站5152神光神光IIII、星光、星光IIII激光聚变装激光聚变装置置5
44、354558080年代我国建成的三大高能物理研究装置年代我国建成的三大高能物理研究装置上左：北京正负电子对撞机上左：北京正负电子对撞机.1988.10.1988.10建建成。包括北京谱仪、北京同步辐射装置成。包括北京谱仪、北京同步辐射装置上右：兰州重离子加速器上右：兰州重离子加速器.1989.11.1989.11建成。建成。系当时仅次于法、日的大型回旋加速器系当时仅次于法、日的大型回旋加速器下右：合肥同步辐射装置下右：合肥同步辐射装置1989.41989.4建成。建成。主要用于粒子光谱的研究主要用于粒子光谱的研究56Beijing, ChinaBeijing, China北京正负电子对撞机（外
45、景）北京正负电子对撞机（外景）572006.11.21,2006.11.21,中国中国, ,欧盟欧盟, ,俄罗斯俄罗斯, , 印度印度, ,日本日本, ,韩国韩国, ,美国经长达十年的谈判最美国经长达十年的谈判最终签字，决定将其建在法国南部终签字，决定将其建在法国南部. .这项计划花费这项计划花费128128亿美元，目的是研究清洁亿美元，目的是研究清洁而且无限的能源而且无限的能源. .建设过程预计超过十年建设过程预计超过十年, ,工程从工程从20082008年开始年开始. .国际热核聚变实验堆（国际热核聚变实验堆（ITERITER）装置示意图）装置示意图. .582006.9.28,2006.
46、9.28,中国耗时中国耗时8 8年、耗资年、耗资2 2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置聚变装置EASTEAST首次成功完成放电实验首次成功完成放电实验, ,获得电流获得电流200200千安、时间接近千安、时间接近3 3秒的高温等离子秒的高温等离子体放电体放电.EAST.EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置. . 59氢弹：氢弹：惯性约束聚变惯性约束聚变 轻核聚变反应中轻核聚变反应中, ,氘氘(d)(d)与氚与氚(T)(T)的反应截的反应截面
47、最大而释放能量最多：面最大而释放能量最多： MeVnTd58.17 氘化锂氘化锂()可作为氢弹的原料可作为氢弹的原料 HLi26氢弹的原理：引爆普通炸药引发裂变反应氢弹的原理：引爆普通炸药引发裂变反应, 产生高温高压同产生高温高压同时放出大量中子时放出大量中子,中子与反应产生氚，发生中子与反应产生氚，发生d+T聚变反应聚变反应. Li6典型氢弹典型氢弹（裂变弹）（裂变弹）的能量的能量爆震和冲爆震和冲击波击波(50%)热辐射热辐射(35%)欲使这两部分能量相对减少欲使这两部分能量相对减少, ,就要增加产生就要增加产生的中子数量的中子数量, ,使聚变的贡献大于裂变贡献使聚变的贡献大于裂变贡献, ,
48、这使人们进一步研究中子弹这使人们进一步研究中子弹. .但纯聚变弹至但纯聚变弹至今仍实现不了今仍实现不了. .氢弹的本质是利用惯性力约束高温等离子体氢弹的本质是利用惯性力约束高温等离子体( (动力性约束动力性约束).). 人工约束较为成功的是人工约束较为成功的是激光惯性约束激光惯性约束, ,此外还有电子束、重离子束的此外还有电子束、重离子束的惯性约束方案惯性约束方案, ,但这些人工惯性约束目前还仅限于理论但这些人工惯性约束目前还仅限于理论, ,实践上还未获成实践上还未获成功功. .可控核聚变最有希望的是磁约束可控核聚变最有希望的是磁约束. .601967.6.171967.6.17，中国第，中国
49、第一颗氢弹在西部地区一颗氢弹在西部地区上空试爆成功（比上空试爆成功（比10001000个太阳还亮）个太阳还亮）（距中国第一颗原子（距中国第一颗原子弹试爆成功不到弹试爆成功不到3 3年）年）6119461946年年7 7月月2525日日( (二战结束之后將近一年二战结束之后將近一年) )，史上第一场水下原子弹试爆史上第一场水下原子弹试爆释出了一团一英里释出了一团一英里高的蒸汽云，最顶部是一道道上升的水柱。在基部的地方，爆炸风扩散的震波看起来像个高的蒸汽云，最顶部是一道道上升的水柱。在基部的地方，爆炸风扩散的震波看起来像个白色的圆圈，吞噬了一支无人的海军船队。这场试爆是白色的圆圈，吞噬了一支无人的
50、海军船队。这场试爆是“十字路口行动十字路口行动”（美国军队在太（美国军队在太平洋马绍尔群岛进行的一系列核子试爆）的一部分，是地球上引爆过的平洋马绍尔群岛进行的一系列核子试爆）的一部分，是地球上引爆过的第五颗原子弹第五颗原子弹。6219521952年年1111月月1 1日，世界的第一颗氢弹在太平洋的埃尼托威克环礁上方引爆，震撼了天际。这日，世界的第一颗氢弹在太平洋的埃尼托威克环礁上方引爆，震撼了天际。这场美国的试爆行动代號艾薇麦克，把附近岛屿的植被全部连根拔起、造成了一个直径超场美国的试爆行动代號艾薇麦克，把附近岛屿的植被全部连根拔起、造成了一个直径超过一英里的坑，並把大块大块受到放射线污染的珊
