第十章 原子核及粒子物理学的发展、

第十章 原子核及粒子物理学的兴起一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 人工核反应的实现及质子的发现 中子的发现 人工放射性的发现 慢中子效应和核裂变的发现 正电子的发现 中微子的发现 介子理论的建立 奇异粒子的研究 粒子的分类 强子结构和夸克理论1

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前言原子核物理学是 研究核的性质、结构和变化规律、以及核能、核技术应用等有关物理问题的学科，简称核物理，属于当 代物理学的前沿。

粒子物理 (高能物理)是研究场和粒子的性质、运动、相互作用和相互转化规律的学科，也是研究粒子内部结构规律的学 科，是当代物理学发展的前沿。

原子核物理学及粒子物理的工作1.实验研究:主要是通过高能粒子的相互碰撞，用实验手段发 现新粒子。到目前已经发现了300多种。 采用的试验设备有加速器、对撞机、探测器、计算机和数 据处理系统。 2.理论基础是量子场论，是解释微观现象的基本理论。2

一 人工核反应的实现及质子的发现1914年卢瑟福的学生马斯登在观察α粒子在空气中的射程时 注意到，α粒子在空气中的射程一般只有7厘米，但有的粒子的 射程竟达40厘米。经反复验证和思考，卢瑟福认为，这是空气 中的氢离子受到α粒子的撞击所致。因为α粒子的质量是氢离子 质量的4倍，因此氢离子被撞击后速度要大许多。 在上述现象启发下，从1917年开始，卢瑟福进行了α粒子轰 击氮原子核的实验。装置如右图。A为α射线源，可前后移动， 利用显微镜M观察透过窗口F在荧光屏S上的闪烁。 当从阀T充入氮气，放射源A 距观察屏S的距离超过α粒子的 射程很多时，屏上仍有闪烁， 射程长度和氢离子的差不多； 当充入氧气时却没有这种现象。3

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： 14N +4He →17O +1H 7 2 8 1 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 了人工核反应的实现和质子的产生。 1921年卢瑟福和查德威克(J.Chadwick) 发现硼、氟、钠、铝和磷都可以产生类似的 转变。由于各种原子核里都能打出质子来， 可见质子是原子核的组成部分。4

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。5

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。6

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4.意义1)建立了原子核的正确模型。 2)引起了一些新的研究课题。 3)由于中子不带电，因此就使 人们在核物理的研究中，拥有 了一颗威力无比的炮弹，人们 利用它打开了核能仓库，昂首 迈入原子能时代! 查德威克的成功，是他能 够将理论预言与实验现象密切 结合，抓住机遇的结果。

查 德 威 克 像7

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伊 伦 娜 居 里 和 约 里 奥 居 里

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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 27Al +4He →30P +1n 13 2 15 0 磷-30经β衰变 …… 此处隐藏：3166字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……