物理学史之原子原子核物理的发展.pptx

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原子、原子核物理的发展,.,1,主要内容,.,2,一.原子模型的提出和发展二.原子核的放射性三.几个著名的核反应四.重核的裂变和轻核的聚变五.原子弹简史,一.原子模型的提出和发展,.,3,“原子”一词来自希腊文，含义是“不可分割的”。

公元前四世纪，古希腊哲学家德谟克利特（Democritus）提出了这一概念，并把它当作物质的最小单元。

17世纪，通过卡文迪许和拉瓦锡等许多化学家的工作，发现了水可分解为氧和氢两种元素；空气是由氧、氢和氮等元素混合而成的，燃烧只不过是元素和氧起激烈反应等等。

随着几十种元素的发现，英国化学家道尔顿提出了新的原子学说。

他认为物质是由许多种类不同的元素所组成，元素又由非常微小的，不可再分的、不能毁灭又不能创生的原子所组成。

1807年，英国科学家约翰道尔顿（JohnDalton）提出原子论。

他认为原子类似于刚性的小球，它们是物质世界的基本结构单元，是不可分割的。

.,4,道尔顿用他的学说说明了化学中的物质不灭定律等。

道尔顿的原子说是根据事实概括的结果，能够用来研究和发现新的现象，因此比古代原子说更进一步。

19世纪后半期，分子运动论有了进一步发展，人们逐步建立起近代的原子分子学说。

但是原子分子是否存在，一直没有用实验证实。

1905年，爱因斯坦用分子运动论的观点从理论上解释布朗运动获得成功，他还提出了测定分子大小的新方法。

1908年，法国物理学家佩林按爱因斯坦的方法，用实验测定了分子的大小，结果跟爱因斯坦预言的一致，终于在科学界确认了现代分子原子学说。

1897年汤姆逊发现了电子，并证明了电子是各种元素的基本组成部分。

1903年卢瑟福和化学家索迪合作，通过实验发现了一种物质可以变成另一种物质，提出了原子自然衰变的理论。

这些事实打破了道尔顿以来人们认为原子不可再分割的观念。

.,5,十九世纪末二十世纪初，一些实验现象相继发现，如电子、X射线和放射性元素的发现表明原子是可以分割的，它具有比较复杂的结构。

那么，原子是怎样组成的？

原子的运动规律如何？

.,6,1898年，Thomson提出了“布丁模型”（也被称为“西瓜模型”）。

.,7,1903年，德国物理学家林纳德（P.Lenard）在实验中发现“原子内部是十分空虚的”。

P.Lenard（18621947）,1905年诺贝尔物理奖得主。

在P.Lenard的基础上，长冈半太郎（HantaroNagaoka）提出了原子的土星模型，认为原子内的正电荷集中于中心，电子绕中心运动，但他没有深入下去。

长冈半太郎的土星模型,.,8,长冈的土星模型,HantaroNagaoka,.,9,1909年，英国物理学家卢瑟福（E.Rutherford）在他的学生盖革（H.Geiger）和马斯登（E.Marsden）的协助下,E.Rutherford，1908年诺贝尔化学奖得主，外号：

鳄鱼。

原子核,.,10,电子,，发现粒子轰击原子时，大约每八千个粒子中有一个被反射回来。

汤姆逊模型无法对该实验结果做出解释。

卢瑟福根据实验结果于1911年提出了原子的“核式结构模型卢”瑟（福也原被子称为“卢瑟福行星模型”）模型,卢瑟福的“核式结构模型”可以解释粒子散射实验结果，因此比汤姆逊模型更符合实际情况。

.,11,.,12,卢瑟福手迹,.,13,卢瑟福的“行星模型”的虽然可以解释粒子散射实验结果，但该模型却无法解释原子的稳定性,无法解释氢原子光谱的规律。

为了解释上述问题，卢瑟福的一个学生丹麦物理学家尼尔斯玻尔（NilesBohr）在卢瑟福的“行星模型”的基础之上于1913年提出了原子的量子理论，即“玻尔模型”。

+,.,14,玻尔的原子模型（BohrsAtom）,尼尔斯玻尔（NilesBohr），丹麦人，二十世纪世界最伟大的物理学家之一，量子理论的主要奠基人。

1922年诺贝尔物理奖得,主。

.,15,玻尔理论后经索末菲等人的改进。

索末菲从实验事实出发，将电子绕核轨道从单一的圆轨道，推广到椭圆轨道。

并且他还发现轨道在空间的取向也是量子化的，从而引入了主量子数、角量子数和磁量子数的概念。

1920年索末菲又引入了第四个量子数。

这第四个量子数直到1925年才被科学家弄清楚，原来是绕核旋转的电子的自旋量子数。

.,16,1925年泡利在研究四个量子数跟原子核外电子排布的关系时，发现了泡利不相容原理：

在同一原子内，在一个原子中不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数（n,l,ml,ms）。

利用玻尔、索末菲理论加上泡利不相容原理可以成功地解释核外电子的排布。

至此原子物理学完全建立了起来。

二.原子核的放射性,.,17,原子核物理学的发展是和19世纪末以来原子物理学的发展交织在一起的。

自1896年贝克勒耳发现铀盐的放射性之后，一些科学家着手寻找其他新的放射性元素。

其中最有成就的数居里夫妇了，通过他俩的艰苦努力，发现了镭和钋。

另一些科学家着重研究放射性物质放出的射线性质以及射线和物质本身的关系。

研究工作也取得了累累硕果。

卢瑟福弄清了放射性物质放出射线含有三种成分，即射线、射线和射线。

并弄清了射线带正电；射线带负电，射线不带电。

1895年11月8日，德国物理学家伦琴（W.K.Rntgen）发现X射线。

1896年1月20日，法国的著名数学物理学家彭加勒（J.H.Poincare）在法国科学院的会议上介绍了X射线的发现情况。

物理学家贝克勒尔与彭加勒对X射线的产生机理进行了讨论。

彭,2.1、放射性的发现,加勒猜测X射线可能是伴随着荧光.,发出的。

18,第二天，H.Becquere就开始对X射线与荧光的关系进行研究。

1896年2月24日他在一篇报告中描述到：

他用两张黑纸包住一张感光底片，在黑纸上放一块铀盐板，然后一起放到太阳光下曝晒几小时。

显影之后，他发现在底片上留下了阴影。

这似乎“证明”了彭加勒的猜测3月2日科学院又要开会，贝克勒尔想在会上报告自己的研究工作，所以准备再做一次实验，但2月26日和27日巴黎是阴天，直到3月1日天仍然阴沉沉，太阳始终没露面。

贝克勒尔因无法进行实验而感到沮丧，但没想到却因祸得福，证明了X射线和荧光没关系。

后来，贝克勒尔研究了不同状态下的铀盐，他发现它们都具有相同的性质，它们发出的是一种不同于荧光和X射线的新射线。

5月18日，他报告了他的研究结果。

人们把他发现的射线称为“铀射线”。

.,19,贝克勒尔的发现由于居里夫妇的工作而得到了迅速的发展。

1897年，居里夫人选择放射性作为自己的博士论文题目。

1898年，她断定钍也是放射性元素。

居里夫人相信，既然不止一种元素能自发地放出辐射，肯定它具有普遍性。

就此，她提出了具有普遍意义的“放射性（Radioactivity）”这个崭新的概念和术语。

居里夫人发现铀矿渣中含有一种放射性比铀还要强的未知元素，1898年7月居里夫人从沥青铀矿中提取出了一种新的放射性元素，并命名为钋（Polonium）。

发现钋之后，居里夫妇开始了科学史上最艰难、最悲壮同时也是最辉煌的镭的提炼。

苦战四年之后，他们于1902年从数吨矿渣中提炼出了0.1克纯镭盐（氯化镭），并测出了镭的原子量。

.,20,1903年，贝克勒尔、居里夫妇因放射性的研究被授予诺贝尔物理奖。

.,21,居里夫人，原名玛丽斯可罗多夫斯卡（MarieSklodowska），1867年诞生于波兰华沙，1934年在法国逝世。

曾获1903年诺贝尔物理奖和1911年诺贝尔化学奖。

第一位荣获诺贝尔奖的女科学家；第一位两度荣获诺贝尔奖的科学家；迄今为止，唯一的一位在两个不同学科领域荣获两次诺贝尔科学奖的科学家。

她和丈夫是第一对共同荣获诺贝尔奖的夫妻。

.,22,.,23,.,24,2.2、和射线的研究,.,25,1898年，卢瑟福在实验中发现“铀射线”的成份是复杂的，其中至少包含两种不同的辐射，一种非常容易被吸收，他称之为射线；另一种具有较强的贯穿本领，称之为射线。

他的这一成果发表于1899年。

1900年，贝克勒尔通过实验确定射线就是高速电子。

射线是由法国物理学家维拉德（PaulVillard）于1900年发现的，后来被证实为一种高频电磁辐射。

1903年，卢瑟福利用自制仪器发现射线在磁场作用下发生偏转，并从方向上断定射线粒子带正电。

1909年，卢瑟福以巧妙的方法从光谱上判断出粒子就是氦原子核。

1913年索迪正确地归纳出放射性物质衰变时的位移法则：

放出射线时，生成的元素在周期表里原子序数减少2。

放出射线时，原子序数增加1。

同年，英国物理学家莫塞莱通过对各种元素X射线特征谱的研究，指出原子序数就是原子核所带正电荷数，这一发现对元素周期表构造理论的发展起了相当大的推动作用。

H.Moseley（1887-1915）,.,26,三.几个著名的核反应,.,27,1902年，卢瑟福和化学家索迪（F.Soddy）合作，大胆地提出原子嬗变（atomtransmutation）假说。

该假说认为放射性物质是由一些不稳定的原子组成的，每单位时间都有确定的一部分原子通过发射（、和）射线而蜕变成其它元素；也就是说，元素也有一个“进化”过程。

原子嬗变理论打破了“原子是不可分割的”哲学和化学思想，确立了元素之间可以转换的观念。

在此之前，原子转变的现象仅限于天然范围。

人们自然会问，是否有可能用人工的方法进行原子转变，以实现自古以来人类幻想的“点石成金”呢？

3.1历史上第一个人工核反应（导致质子的发现）,1919年，卢瑟福继承了他的老师汤姆逊的剑桥大学卡文迪许实验室主任的职务。

同年他采用如下装置利用212Po放出的粒子去轰击N原子，实现了历史上第一个人工核反应。

.,28,这是人类历史上第一次人工实现的“点金术”，使一种元素转变成了另一种元素。

卢瑟福发现许多元素在粒子轰击下都可放射出“带正电的氢原子”。

因此认为所有元素的原子核中都存在这种带正电的粒子，并于1920年将其命名为“质子（proton），符号为p”。

卢瑟福在实验中实现了下述核反应：

.,29,3.2导致发现中子的核反应,1920年，卢瑟福提出了中子假说，认为原子核中除了质子外，可能还存在一种由电子和氢核组成的不带电的中性粒子，他称为“双子（doublet）”。

1930年，德国物理学家玻特（W.Bothe）和他的学生贝克尔（H.Becker）发现，用粒子轰击铍9（9Be）时，会产生一种穿透能力极强的中性射线，他们认为这种中性射线是射线（实际上是中子！

）,随后不久，约里奥-居里夫妇也进行了这一实验，并让反应物打在含氢的石蜡上，发现有质子被从石蜡中击出。

他们认为这是由光子引起的“康普顿效应”。

就这样，玻特和约里奥-居里夫妇都错过了发现中子的机会!

.,30,1932年，英国物理学家卢瑟福的学生查德威克（J.Chadwick）重复了上述实验，并证明反应过程中所产生的中性射线是由一种质量和质子差不多的中性粒子组成的，他把这种中性粒子称为中子（neutron）。

查德威克因此被授予1935年Nobel物理奖。

J.Chadwick,.,31,3.3第一个在加速器上实现的核反应,1932年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的科克罗夫特（J.D.Cockcroft）和瓦尔顿（E.T.S.Walton）利用他们自己发明的“科克罗夫特瓦尔顿加速器”加速质子,，然后轰击锂，实现了下述核反应（二人因此荣获1951年Nobel物理奖）：

在这一反应中输入的能量是0.5MeV，输出能量为17.8MeV。

这表明从原子核中可以释放出能量。

CockcroftWalton,.,32,3.4产生第一个人工放射性核素的反应,1934年，约里奥-居里夫妇发表文章宣布观察到了人工放射现象，他们完成了如下核反应：

磷30不稳定，通过放射性衰变转变为硅30：

.,33,人工放射性的发现，为人类开辟了一个新领域。

从此，科学家们不必再只依靠自然界的天然放射性物质来研究问题，大大地推动了核物理学的发展。

约里奥-居里夫妇因此于1935年被授予Nobel化学奖。

.,34,四.重核的裂变和轻核的聚变,4.1费米的中子实验一代物理大师费米（EnricoFermi,1901-1954）出生于意大利，25岁时就当上了罗马大学物理系教授，1938年荣获诺贝尔物理奖。

在他的努力下，罗马在二十世纪三十年代成了世界上又一个物理4.学1.研1究“中超心铀。

元素”之谜1934年，约里奥-居里夫妇发现人工放射性的消息传到罗马，使费米想到用中子作为入射粒子要比粒子有效得多。

（这是因为中子不带电，不会受到强的电的斥力阻止它进入原子核内。

）他按元素周期表的顺序依次轰击各种元素，看一看.,35哪些元素可产生人工放射性。

1934年5月，费米研究组用中子轰击当时周期表上的最后一个元素铀得到了一种半衰期为13分钟的放射性产物。

经分析这种产物不属于从铅到铀之间的那些元素。

费为认为有可能是产生了“超铀元素”（原子序数大于92的元素叫超铀元素），但他没有完全确定。

（实际上是铀235分裂成了两个中等原子序数的元素的同位素）。

“超铀元素”的问题历经四、五年也未被研究清楚，但在此其间却有好几个研究机构“证实”了费米的推测。

“超铀元素”的说法竟然在一段时间内得到了公认。

只有一位名叫伊达诺达克（EdaNoddack）的年轻的德国女化学家对“超铀元素”表示怀疑，她在1934年9月发表文章说：

“可以想象，当重核被子中子轰击时，该核可能分裂成几大块，这些裂片无疑将是已知元素的同位素，而不是被轰击的元素的近邻。

”但她只是做了猜测，既没做实验，也没分析他人的结果。

.,36,4.1.2慢中子的作用,.,37,1934年10月，费米的同事阿玛尔迪（E.Amaldi）等人把中子源放入银质圆筒，再把圆筒置于铅盒里。

他们发现银产生的放射性并不总是一样的，当把圆筒放在铅盒中央或一角时，它就有所不同。

费米建议在铅盒外边辐照圆筒，看会出现什么情况。

他们发现圆筒周围的东西似乎会影响它的放射性。

例如，若把它放在木桌上用中子辐照，它产生的放射性就要比它放在一块金属上时更大。

他们把中子源放在圆筒外面，并在二者之间插入铅板，发现放射性略微增加，费米提出用石蜡把中子源和银筒隔开，看看结果如何。

1934年10月22日，他们在一大块石蜡中挖出一个空穴，然后把中子源放入空穴里辐照银筒，结果发现放射性提高了100倍。

费米利用午休时间对实验现象进行了分析，认为是石蜡中存在氢原子，而氢核正是一个质子，其质量与中子几乎相等，中子与氢核发生弹性碰撞，速度大大降低，被银原子核俘获的机会增多，因此放射性产物也将大大地增加。

为了验证费米的想法，他们又把实验装置放入了物理系主任私人花园的水池中进行了实验，结果放射性也加强了，证明了费米的慢中子推断。

女佣,慢中子作用的研究具有重要意义，因为慢中子比快中子更能有效地诱发核反应，是核裂变尤其是链式反应的基础。

.,38,可怜的鱼儿，不知不觉中竟无端遭受了“核武器”的攻击！

当晚他们在阿玛尔迪家中聚会，偷偷问主人“客人们是否都喝醉了”。

4.2重核裂变的发现,.,39,1937年，伊伦娜居里和萨维奇（P.Savitch）在用中子辐照铀盐时，发现产物中有一种物质很象镧。

1938年5月他们发表文章说：

“用中子辐照的铀中，产生了一种放射性元素，其化学性质很象镧。

它或许也是一种超铀物质，但我们暂还未确定其原子序数。

”伊伦娜居里错过了裂变的发现！

德国化学家哈恩（OttoHahn）看到了伊伦娜居里的文章，认为她搞错了，就和助手斯特拉斯曼（F.Strassmann）立即重复这一实验。

1938年12月中旬，他们经分析确认产物中存在钡。

哈恩随后写信向已逃往瑞典的以前的合作者梅特纳报告实验结果。

梅特纳看到信后很惊讶，她和外甥弗里希（OttoFrisch）给出了这一过程的理论解释：

“铀核好比是一个时刻颤动的液滴，当一个慢中子击中它时，核就振动起来并有可能被拉长，拉长了的核液滴更易于受到内部的电的斥力作用，两个小核液滴互相排斥，越离越远，最终中间断裂，成为两个小核。

”他们预言是钡和氪。

此外，梅特纳还根据反应前后物质质量不同，计算出了反应中放出的巨大能量。

1939年1月6日哈恩发现核裂变的论文在德国Naturwissenschaften上发表，作者署名为哈恩和斯特拉斯曼。

看到哈恩的文章之后，弗里希又利用云室观察到了核分裂的情况，并提出了“核裂变（nuclearfission）”一词。

后来他和梅特纳联名发表论文给出了.,重核裂变的理论解释，并报40告了弗里希的实验情况。

NuclearFission,.,41,.,42,哈恩（OttoHahn,1879-1968）是德国化学家，因发现核裂变而荣获1944年诺贝尔化学奖。

1912年10月23日德国国皇帝威廉二世到,哈恩所在的研究所参观，哈恩多少有些炫耀地把他发现的一种镭的同位素呈献给皇帝看，皇帝看到这种放射性物质的辉光之后龙颜大悦（当时人们还不知道放射性对人体有害），年轻的哈恩为此十分得意。

50年后他回忆起这件事时后怕地说：

“假如今天我干出这件蠢事，肯定会被投进监狱！

”斯特拉斯曼（FritzStrassmann），德国化学家，曾协助哈恩发现核裂变。

.,43,弗里希（OttoFrisch），梅特纳的外甥，著名的核物理学家。

著名核物理学家丽斯梅特纳（LiseMeitner,1878-1968），1878年出生于奥地利维也纳，犹太人，维也纳大学历史上第一个女物理学博士。

她长期在德国工作，由于才华出众，被称为“德国的居里夫人”。

她在一战期间上过战场；二战之前被迫逃往瑞典；最后定居英国。

由于当时对妇女的偏见，她.直,到一战之后才得以在柏林大学担任教职1922年才获,44,.,45,梅特纳长期与哈恩合作，为核裂变的研究做出了卓越的贡献，但由于各种偏见，她一直被拒之于诺贝尔奖的殿堂之外。

为了纪念她，人们把109号元素命名为,.,46,1946年底，中国物理学家钱三强与何泽慧在法国居里实验室发现了核裂变的三分裂现象，即裂变碎块有三块（其中之一往往是粒子）。

不过，这种过程的几率很小，约为二分裂的千分之三。

钱三强是一代国学大师钱玄同的次子，1932年他与何泽慧一同考入清华大学物理系，成为同班同学。

1936年毕业时，何泽慧毕业论文夺得全班最高分，钱三强第二。

临近毕业的一天，何泽慧落落大方地走到钱三强的书桌前，默默地坐在他的对面，“你毕业以后干什么？

”钱三强一时语塞，何泽慧生气地向门口走去，不过她又停了下来，回身望着钱三强，良久，才转身离去几天后，何泽慧给钱三强送毕业照，她等待着他的话语，但是，他只是低着头看照片。

她欲言又止，竟然哼起了钱三强喜爱的那首满江红：

“怒发冲冠，凭栏处，萧萧雨,歇”歌声停了，人也走了.,47,1936年毕业后，钱三强到北平物理研究所工作。

1937年他来到巴黎大学镭学研究所居里实验室师从约里奥-居里夫妇，并于1940年获博士学位。

此后，先后在里昂大学和居里实验室工作。

何泽慧大学毕业后于1936年赴德国柏林工业东西读研究生，研究弹道学，于1940年获工学博士学位。

随后到海德堡大学工作，在博特（WaltherBothe,1954年诺贝尔物理奖得主）指导下，于1945年从云室中发现了正电子和负电子之间的弹性碰撞现象，1946年英国Nature杂志称之为“科学珍品”。

1946年，二战结束后的第一个春天，何泽慧从德国来到巴黎，他们如期举行了婚礼。

约里奥-居里向新郎、新娘祝贺新婚婚后不久，二人一起发现了核裂变的三分裂现象，何泽慧还首先观察到了四分裂现象；约里奥-居里认为这是第二次世界大战之后他的实验室里的一个重要.,成就。

他们因此被誉为“中48国的居里夫妇”。

“中国的居里夫妇”,.,钱三强何泽慧49,4.3链式反应,1939年3月中旬，在美国工作的著名物理学家西拉德（LeoSzilard）和费米（他利用领取诺贝尔奖的机会于1939年初举家逃到美国）先后证实铀核裂变时可以释放出两个以上的中子。

这表明核裂变时有可能发生链式反应。

链式反应（ChainReaction）是指：

当一个中子击中铀核时，铀核裂变，释放出大量能量，同时还会放射出两到三个中子，这些中子又会诱发新的裂变，这样不断进行下去，直到全部铀原子裂变完为止。

.,50,.,51,ControllableChainReaction,.,52,1941年底，在物理学家康普顿（ArthurCompton）的组织协调下，费米主持了原子反应堆的建造和实验。

要实现可控链式反应，必须解决两个关键问题：

第一，要有合适的减速剂，把快中子转变为慢中子。

重水（D2O）效果虽好，但太难以制备。

费米和西拉德建议用石墨（即碳，C）。

第二，必须严格控制反应速度，使裂变,既能不断进行，利用镉棒（Ge）吸,又不致引著起名爆物炸理学。

家费西米拉德他们收中（L子eo来Szi控la制rd反18应98速-1度964。

），出生于匈牙利。

他爱好广泛，在原子核的链式反应及原子弹的研制过程中起到了重要的作用。

是“实际的原,子弹之父”。

.,康普顿（ArthurCompton,1892-1962），美国著名物理学家，因对康普顿效应的研究而被授予1927年诺贝尔物理奖。

53,费米和西拉德设计了立方点阵式的原子核反应堆，它是由镶嵌着铀原料的石墨板和完整的石墨板交替堆放而成的。

费米选择芝加哥大学内一个体育场看台下的网球场作为试验场。

反应堆1942年11月16日动工，12月1日建成。

1942年12月2日，在费米的指挥下核反应堆平稳地运行了28分钟，人类完成了第一个链式反应。

第一个链式反应的完成，标志着人类终于实现了原子能的可控释放，开始了原子能利用的新纪元！

.,54,左上：

原子核反应堆结构和原理示意图右上：

第一个原子核反应堆铀层与石墨层,的构造,下：

第一个原,.,55,第一座原子核反应堆的建造情况（下图）和第一个链式反应实验的场景（右图）。

.,共有42人参加了人类第一个链式反应实验：

费米担任总指挥；韦尔（G.L.Weil）操控镉棒；三个热血青年组成“敢56死队”严阵以待以防不测,.,57,反应堆运行得出乎意料地安静、平稳，在场的唯一一位女士莱昂哪伍兹（LeonaWoods）忍不住走到费米面前，以一种毫无畏惧的声调悄悄地问：

“我们什么时候才能被吓一大跳呢？

！

”,实验成功，康普顿用暗语向上级康南特先生（J.B.Conant）进行了汇报：

TheItaliannavigatorhaslandedintheNewWorld,saidCompton.Howwerethenatives?

askedConant.Veryfriendly.实验结束，维格纳（EugeneWigner,19021995,1963年获诺贝尔物理奖）取出一瓶意大利基安蒂（Chianti）酒和纸杯，在场的人都喝了庆功酒，并在酒瓶的包装盒上签了名。

一个名叫瓦坦伯格（A.Wattenberg）的青年物理学家收起了,那个著名的基安蒂酒瓶，十.,年后,58,Backrow,lefttoright,NormanHilberry,SamuelAllison,ThomasBrill,RobertG.Nobles,WarrenNyer,andMarvinWilkening.Middlerow,HaroldAgnew,WilliamSturm,HaroldLichtenberger,LeonaWoodsMarshall,andLeoSzilard.Frontrow,EnricoFermi,WalterH.Zinn,AlbertWattenb.,erg,andHerbertL.Ander