第十章 原子核及粒子物理学的发展、.ppt

2004-12-8 山东师范大学物理与电子科学学院 2004-12-8 山东师范大学物理与电子科学学院 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 二 中子n的发现 1.卢瑟福的预言：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”。 2.中子发现的前奏：1930年德国物理学家博特(W.G.F.Bothe)与贝克尔(H.Becher)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。 3.查德威克的发现：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。 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道路。 后来人们发现，用α粒子轰击轻元素能够得到放射性同位素，但用α粒子轰击重元素，则很难产生。费米考虑了这一问题，认为，重元素原子核所带正电荷较大，与α粒子的库仑斥力很难让α粒子产生轰击效果。所以他选用中子作实验，尽管中子的产额很少（核反应放出的中子一般少于10-4），但由于它不必克服库仑势垒，所以与原子核撞击的机会比α粒子或质子大得多。 四 慢中子效应和核裂变的发现 1.慢中子效应的发现：1934年10月，费米小组的阿玛尔迪等人把一装在铅盒内的中子源放置在一个银制的圆筒里，对银进行辐射，他们发现银的放射性随中子源的位置而变化，由于铅是重金属，费米建议他们用轻元素材料，如石蜡，于是他们把大块石蜡挖了个洞，将中子源放入，然后辐照银圆筒，结果银的放射性增加了100倍。再放到水下做实验，证实水也有类似作用。费米经过分析，认为：由于石蜡中大量的氢核（质子）与中子质量相近，中子碰撞后速度大大减慢，成为慢中子。慢中子经过银原子核的时间变长了，因此增加了中子被俘获的机会。因为慢中子大大增强了轰击的效果，所以慢中子及其作用的发现为重核裂变的发现打下了基础。因此，人们将慢中子及其效应的发现看作是“核时代的起点”。 费米简介：美籍意大利物理学家，1901年9月29日出生于意大利罗马。17岁时进入比萨大学，毕业时，他以X射线的专题论文获得博士学位。之后赴德国格丁根大学，拜玻恩为师，1924 1934年，用中子轰击了63种元素，得到了37种放射性同位素。在实验中，