1、原子、原子核物理的发展,主要内容,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,“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
2、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。,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。,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
3、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。,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。,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？,1898年，Thomson提出了“布丁模型”(也被称为“西瓜模型”)。,1903年，德国物理学家林纳德(P.L
4、enard)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,长冈的土星模型,HantaroNagaoka,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，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
5、根据实验结果于1911年提出了原子的“核式结构模型”(也被称为“卢瑟福行星模型”),E.Rutherford，1908年诺贝尔化学奖得主，外号：鳄鱼。,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。,卢瑟福手迹,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”。,玻尔的原子模型(BohrsAtom),尼尔斯玻尔(Niles
6、Bohr)，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。,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。,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)。
7、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,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
8、)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。彭加勒猜测X射线可能是伴随着荧光发出的。,2.1、放射性的发现,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，
9、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”。,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(Radioact
10、ivity)”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。,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。,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。
11、,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。她还是一位伟大的母亲，两个女儿在她的培养教育下都学有所成。,2.2、和射线的研究,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
12、。,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),三.几个著名的核反应,1902年，卢瑟福和化学家索迪(F.Soddy)合作，大胆地提出原子嬗变(atomtr
14、人工核反应。,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：,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
15、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!,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,3.3第一个在加速器上实现的核反应,1932年，英国剑桥
17、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。,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学研究中心。,4.1.1“超铀元素”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
23、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。,NuclearFission,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
24、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。,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年才获得讲课的权利,梅特纳长期与哈恩合作，为
25、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Meitnerium(符号Mt)。,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。,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,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？”
26、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,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。,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,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
27、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”。,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“中国的居里夫妇”。,“中国的居里夫妇”钱三强何泽慧,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
28、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。,ControllableChainReaction,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
29、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，又不致引起爆炸。费米他们利用镉棒(Ge)吸收中子来控制反应速度。,著名物理学家西拉德(LeoSzilard1898-1964)，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。,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。
30、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！,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：第一个原子反应堆外观草图,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“敢死队”，严阵以待，以防不测,TheItalianna
31、vigatorhaslandedintheNewWorld,saidCompton.HowwerethenativesaskedConant.Veryfriendly.,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.
32、Wattenberg)的青年物理学家收起了那个著名的基安蒂酒瓶，十年后,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：,Backrow,lefttoright,NormanHilberry,SamuelAllison,ThomasBrill,RobertG.Nobles,WarrenNyer,andMarvinWilkening.Middlerow,HaroldAgnew,WilliamSturm,HaroldLichtenberger,LeonaWoodsMarshall,andLeoSzil
34、弗里希留在英国。电报结尾令弗里希琢磨不透：“TellCockcroftandMaudRayKent.”由此，MaudRay小姐的名字被载入史册！,著名物理学家、“原子弹之父”罗勃特奥本海默,LittleBoySpecificationsLength:3.2metersDiameter:74cmWeight:4400kgYield:12.5Kilotons,FatManSpecificationsLength:3.25metersDiameter:1.5mWeight:4899kgYield:22kilotons,1955年11月
36、不扩散核武器条约正式生效(美、英、苏等国于1968年7月签署该条约)。1982年8月，97位诺贝尔奖得主签名发表核战争的危险。1991年，苏联解体，超级大国军备竞赛结束。1993年底，联合国通过禁止生产武器用裂变材料决议。1996年9月，联合国通过全面禁止核试验条约。1998年5月，印度在24小时之内连续进行了5次核试验；巴基斯坦随即回应以两天之内6次核试验。2003年9月9日，著名物理学家、原子时代的代表人物之一、“氢弹之父”爱德华特勒(EdwardTeller)走完充满传奇而富有争议的一生，辞别人世。,著名物理学家爱德华特勒(EdwardTeller)，1908年生于匈
37、牙利。从小就“与众不同”：三岁时竟连一个完整的单词也说不出来，外祖父无奈地对特勒的父母说：这个孩子脑袋可能有毛病，你们要有思想准备八、九岁时还不会独立地穿衣、穿袜二十岁时在德国Munich上大学期间，在和同学的一次郊游中失去右脚,5.2德国为什么没有研制出原子弹,为了收集德国原子武器方面的情报，美国最高统帅部于1943年秋天成立了一个代号为“阿尔索斯(Alsos)”的特别侦察队。为了便于工作，队长帕什上校把著名物理学家古兹米特(S.A.Goudsmit)吸收进了该组织。,古兹米特(1902-1978)，荷兰著名物理学家。1925年，乌仑贝克(G.Uhlenbeck,1900-1974)(左)和古兹米特(右)在读研究生期间就提出了电子“自旋(spin)”的概念。,1945年4月22日，为了抓捕以海森堡(W.Heisenberg)为首的负责德国核研究的主要科学家，Alsos的一