原子核物理学

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英文名称:nuclear physics,属于物理学分支。研究原子核结构变化规律,获得射线束并将其用于探测、分析的技术,以及研究同核能、核技术应用有关的物理问题。简称核物理。如果说光的色散性揭示了引斥力与距离的平方成反的原因,那么光的叠加干涉也就是所谓的量子纠缠就揭示了电荷的引斥力和原子核力的产生原因。
中文名
原子核物理学
外文名
nuclear physics
一级学科
物理学
二级学科
粒子物理与原子核物理
应用领域
国防、核能、放射性应用

起源 编辑

1896年,A.-H.贝可勒尔发现天然放射性,人类首次观测到核变化,通常将它作为核物理学的开端。此后的40多年,主要从事放射性衰变规律和射线性质的研究,并用射线对原子核作初步探讨;还创建了一系列探测方法和测量仪器,一些基本设备如各种计数器电离室等沿用至今。探测、记录射线并测定其性质,一直是核物理研究和核技术应用的一个中心环节。等等[1]

原理 编辑

放射性衰变的研究证明了一种元素可以通过α衰变或β衰变而变成另一种元素,推翻了元素不可改变的观点;还确立了衰变规律的统计性。统计性是微观世界物质运动的一个根本性质,同经典力学和电磁学所研究的宏观世界物质运动有原则上的
α射线 α射线
区别。衰变中发射的能量很大的射线,特别是α射线,为探索原子结构提供了前所未有的武器。1911年,E.卢瑟福等用α射线轰击各种原子,从射线偏折的分析确立了原子的核式结构,并提出原子结构的行星模型,为原子物理学奠定基础;还首次提出原子核这个词,不久便初步弄清了原子的壳层结构和其电子的运动规律,建立和发展了阐明微观世界物质运动规律的量子力学[2]

发展 编辑

1919年,卢瑟福等人发现用α射线轰击氮核时释放出质子,首次实现人工核反应。此后用射线引起核反应的方法逐渐成为研究原子核的主要手段。初期取得的重大成果是1932年中子的发现和1934年人工放射性核素的制备。原子核是由中子质子组成的。中子的发现不仅为核结构的研究提供必要的前提,还因为它不带电荷,不受核电荷的排斥,容易进入原子核而引起中子核反应,成为研究原子核的重要手段。30年代中,人们还从对宇宙线的观测发现正电子和“介子”(后称μ子),这些发现是粒子物理学的先河。
20年代后期,开始探讨加速带电粒子的原理。30年代初,静电、直线和回旋等类型的粒子加速器已具雏形,在高压倍加器上实现初步核反应。利用加速器可以获得束流更强、能量更高和种类更多的射线束,大大扩展了核反应的研究,使加速器逐渐成为研究原子核、应用核技术的必要设备。
核物理的最初阶段已注意它的应用,特别是核射线治疗疾病例如肿瘤的作用。这是它当时受社会重视的重要原因。

进步 编辑

大发展时期

1939年,O.哈恩和F.斯特拉斯曼发现核裂变,1942年,E.费米建立了第一个裂变反应堆,开创了人类掌握核能源的新世纪。核能几乎是取用不竭的能源,为了有效利用核能源、发展核武器,需要解决一系列很复杂的科学技术问题,而核物理核技术是其中心环节。因此,核物理飞跃发展,成为竞争十分剧烈的科技领域。这一阶段持续30年左右,是核物理的大发展时期。在此期间,粒子的加速和探测技术有很大发展:30年代,最多只能把质子加速到1×106电子伏特(eV)的数量级;70年代,已达到4×1011eV,可产生能散度特小、准直度特高或流强特大的各种束流。在探测技术方面,半导体计数器的应用大大提高了测定射线能量的分辨率。核电子学和计算技术的飞速发展,从根本上改善了获取和处理实验数据的能力,也大大扩展了理论计算的范围。这一切有力地促进了核物理研究和核技术应用。对原子核的基本结构和变化规律也有更深入的认识,基本弄清了核子之间的相互作用的各种性质;对稳定核素和寿命较长的放射性核素的基态和低激发态(具核能级)的性质积累了较系统的实验数据;并通过理论分析,建立了各种适用的原子核模型,成功地解释了各种核现象和核反应。此外,还开展了高能核反应和重离子核反应的研究。

原子合成

通过核反应,人工合成了17种原子序数大于92的超铀元素和上千种新的放射性核素,表明元素仅仅是在一定条件下相对稳定的物质结构单位,并不是永恒不变的。天体物理的研究证明:核反应是天体演化中起关键作用的过程,核能是天体能量的主要来源。还初步了解到天体演化过程就是各种原子核的形成和演变的过程,诞生了新的边缘学科如宇宙化学。通过高能和超高能射线束和原子核的相互作用,发现了上百种短寿命的粒子,包括各种重子、介子、轻子和共振态粒子。庞大的粒子家族的出现,使物质世界的研究进入新阶段,建立了粒子物理学。这是物质结构研究的新前沿,再次证明了物质的不可穷尽性。各种高能射线束还提供了用其他方法不能获得的核结构知识。

相互作用

通过对原子核的深入研究,发现在核范围内除了宏观物体之间的长程的电磁相互作用、引力相互作用以外,还有短程的强相互作用和弱相互作用。在弱作用下宇称不守恒的发现,是对传统的物理学时空观的一次重大突破。研究这4种基本相互作用的规律和可能的联系,已成为粒子物理学和量子力学的重要课题,核物理还将在这方面做出新贡献。核物理还为核能装置的设计提供日益精确的数据,提高了核能利用的效率和经济指标,为更大规模的核能开发准备了条件。人工制备的各种同位素的应用,已遍及理工农医各部门。新的核技术如核磁共振穆斯堡尔谱学等等,都迅速得到应用。核技术的广泛应用已成为科学技术现代化的标志之一。

粒子物理

粒子物理学建立后,在上一个世纪六十年代,核物理学和粒子物理分道扬镳,核物理学已不再处于物质结构研究的最前沿。这是人类对自然界认识的一个重大失误,也是近代物理学的一个悲剧。原子核是微观物质的基石,在某种意义上说,无论是基本粒子理论或原子理论都应该建立在原子核理论基础上。原子只是原子核在核外空间(0.1纳米)的一个表象,而且是一种特殊(如地球环境)的物相,原子核在核外空间更普遍的存在的物相是等离子态。最简单的核是氢原子核,也称为质子,另一个核子称为中子,核子是最基本的粒子,其它的物理粒子如介子轻子等都是原子核反应的产物,在原子核反应中最基本量子数是核的质量数A,这是个守恒量。物理学有本末倒置之嫌,这是从原子核的质量观测数据和电子深度非弹性散射(deep inelastic scattering)实验数据得出的结论。我们可以回顾原子物理学和原子核物理学的历史,从1913年到1927年,曾经出现四个关于氢原子理论(玻尔理论、索末菲理论、薛定格理论和狄拉克理论) 这些理论都能说明氢原子的光谱,而从海森伯1932年提出原子核结构之后,近八十年时间中,曾出现许多原子核的理论,没有任何一个理论能够解释原子核的质量等静态数据和核的放射性,这说明人们对原子的认识基本是正确的,而对原子核的认识从一开始就进入了误区。
核能利用方面也不像前阶段那样迫切需要核物理提供数据、研制关键设备。从70年代起,核物理进入纵深发展和广泛应用的更为成熟的阶段。

核物理的今天 编辑

在现阶段,由于重离子加速技术的发展,已能有效地加速从氢到铀全部元素的离子,能量达到每核子1×109eV,扩充了变革原子核的手段,使重离子核物理研究有全面的发展。强束流的中、高能加速器不仅提供直接加速的离子流,还能提供诸如π介子、Κ介子等次级粒子束,从另一方面扩充了研究原子核的手段,加速了高能核物理的发展。超导加速器将大大缩小加速器的尺寸,降低造价和运转费用,并提高束流的品质。
核物理实验方法和射线探测技术也有了新的发展。微处理机和数据获取与处理系统的改进,影响深远。过去,核过程中同时测定几个参量就很困难,当前,一次记录几十个参量已很普遍。对一些高能重离子核反应,成千个探测器可同时工作,一次记录和处理几千个参量,以便对成千个放出的粒子进行测定和鉴别。另一方面,一些专用的核技术设备都附有自动的数据处理系统,简化了操作,推广了使用。

目标 编辑

核物理基础研究的主要目标有两个方面:①通过核现象研究粒子的性质和作用,特别是核子间的相互作用。一些重要问题如中子电偶极矩、中微子的质量和质子的寿命等都要通过低能核物理实验测定;粒子间相互作用的重要知识也可由中高能核物理提供。②核多体系运动的研究。核多体系是运动形态很丰富的体系,过去主要研究了基态和低激发态的性质以及一些核反应机制,对于高自旋态、高激发态、大变形态以及远离β稳定线核素等特殊运动形态的研究才刚开始,对基态和低激发态的实验知识也不足,远小于多体波函数提供的信息。核运动形态的研究将在相当长的时期内成为核物理基础研究的主要部分。
核技术的广泛应用是本阶段的重要特点。常用的小型加速器已投入工业生产,成千上万台加速器在研究所、大学、工厂和医院中运转,钴60放射源的使用更为普遍;另一方面,几乎没有一个核物理实验室不在从事核技术的应用研究。核技术应用主要有以下几个方面:①为核能源的开发服务,为大型核电站到微型核电池提供更精确的数据和更有效的利用途径。②同位素的应用,这是应用最广泛的核技术,包括同位素示踪同位素仪表和同位素药剂等。③射线辐照的应用,利用加速器及同位素辐射源,进行辐照加工、食品消毒保鲜、辐照育种、探伤以及放射医疗。④中子束的应用,除利用中子衍射分析物质结构外,还用于辐照、掺杂、测井、探矿及生物效应,如治癌。⑤离子束的应用,大量的加速器是为了提供离子束而设计的,离子注入技术是研究半导体物理和制备半导体器件的重要手段,离子束则是无损、快速、痕量分析的主要手段,特别是质子微米束对表面进行扫描分析,对元素含量的探测极限可达1×10-15~1×10-18克,是其他方法难以比拟的。
在原子核物理学诞生、壮大和巩固过程中,核技术的应用使核物理基础的研究获得广泛的支持,后者又为前者不断开辟新的途径。这两方面的需要推进了粒子加速技术和核物理实验技术的发展;而这两门技术的新发展,又有力地促进了核物理的基础和应用的研究。这种相互推动、共同发展的趋势,将在核物理的新阶段中发挥日益巨大的作用。
核物理学的另一个目标就是利用粒子反冲技术造福人类,若成功研制小型加速器,人类将步入一个崭新的社会阶段(可以实行共产主义制度,按需分配)。
参考资料
  • 1. (丹)玻尔,戈革.1929-1952-原子核物理学-尼耳斯.玻尔集-第九卷:华东师范大学出版社,2012-06-01
  • 2. 杨福家 , 王炎森, 陆福全 , 林瑶华 .原子核物理 .上海:复旦大学出版社,2006年3月1日
词条标签:
中国核学会 理学 物理学