原子原子核物理的发展精选PPT.ppt

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1、关于原子原子核物理的发展第1页，讲稿共87张，创作于星期日一一.原子模型的提出和发展原子模型的提出和发展 “原原子子”一一词词来来自自希希腊腊文文，含含义义是是“不不可可分分割割的的”。公公元元前前四四世世纪纪，古古希希腊腊哲哲学学家家德德谟谟克克利利特特(Democritus)Democritus)提提出出了了这这一一概概念念，并并把把它它当当作物质的最小单元。作物质的最小单元。1717世世纪纪，通通过过卡卡文文迪迪许许和和拉拉瓦瓦锡锡等等许许多多化化学学家家的的工工作作，发发现现了了水水可可分分解解为为氧氧和和氢氢两两种种元元素素；空空气气是是由由氧氧、氢氢和和氮氮等等元元素素混混合合而而

2、成成的的，燃燃烧烧只只不不过过是是元元素素和和氧氧起起激激烈烈反反应应等等等等。随随着着几几十十种种元元素素的的发发现现，英英国国化化学学家家道道尔尔顿顿提提出出了了新新的的原原子子学学说说。他他认认为为物物质质是是由由许许多多种种类类不不同同的的元元素素所所组组成成，元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。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。第2页，讲稿共87张，创作于星期日 18071807年年，英英国国科科学学家家约约翰翰 道道尔尔顿顿(John John Dalton)Dalton)提提出出原原子子论论。他他认认为为原原子子类类似似于

3、于刚刚性性的的小小球球，它它们们是是物物质质世世界界的的基基本本结构单元，是不可分割的。结构单元，是不可分割的。道道尔尔顿顿用用他他的的学学说说说说明明了了化化学学中中的的物物质质不不灭灭定定律律等等。道道尔尔顿顿的的原原子子说说是是根根据据事事实实概概括括的的结结果果，能能够够用用来来研研究究和和发发现现新新的的现现象象，因因此此比比古古代代原原子子说说更更进进一一步。步。第3页，讲稿共87张，创作于星期日 1919世世纪纪后后半半期期，分分子子运运动动论论有有了了进进一一步步发发展展，人人们们逐逐步步建建立立起起近近代代的的原子分子学说。但是原子分子是否存在，一直没有用实验证实。原子分子学

4、说。但是原子分子是否存在，一直没有用实验证实。18971897年年汤汤姆姆逊逊发发现现了了电电子子，并并证证明明了了电电子子是是各各种种元元素素的的基基本本组组成成部部分分。19031903年年卢卢瑟瑟福福和和化化学学家家索索迪迪合合作作，通通过过实实验验发发现现了了一一种种物物质质可可以以变变成成另另一一种种物物质质，提提出出了了原原子子自自然然衰衰变变的的理理论论。这这些些事事实实打打破了道尔顿以来人们认为原子不可再分割的观念。破了道尔顿以来人们认为原子不可再分割的观念。19051905年年，爱爱因因斯斯坦坦用用分分子子运运动动论论的的观观点点从从理理论论上上解解释释布布朗朗运运动动获得成

5、功，他还提出了测定分子大小的新方法。获得成功，他还提出了测定分子大小的新方法。19081908年年，法法国国物物理理学学家家佩佩林林按按爱爱因因斯斯坦坦的的方方法法，用用实实验验测测定定了了分分子子的的大大小小，结结果果跟跟爱爱因因斯斯坦坦预预言言的的一一致致，终终于于在在科科学学界界确确认认了了现现代代分分子原子学说。子原子学说。第4页，讲稿共87张，创作于星期日 十十九九世世纪纪末末二二十十世世纪纪初初，一一些些实实验验现现象象相相继继发发现现，如如电电子子、X 射射线线和和放放射射性性元元素素的的发发现现表表明明原原子子是是可可以以分分割割的的，它它具具有有比比较较复复杂杂的的结结构构。

6、那那么么，原原子子是是怎怎样样组组成成的的？原原子子的的运运动规律如何？动规律如何？第5页，讲稿共87张，创作于星期日1898年，年，Thomson提出了提出了“布丁模型布丁模型”(也被称为也被称为“西瓜模型西瓜模型”)。第6页，讲稿共87张，创作于星期日19031903年年，德德国国物物理理学学家家林林纳纳德德(P.P.Lenard)Lenard)在在实验中发现实验中发现“原子内部是十分空虚的原子内部是十分空虚的”。P.Lenard(18621947),1905年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖得主。得主。在在P.P.LenardLenard的的基基础础上上，长长冈冈半半太太郎郎(Hantaro

7、Hantaro Nagaoka)Nagaoka)提提出出了了原原子子的的土土星星模模型型，认认为为原原子子内内的的正正电电荷荷集集中中于于中中心心，电电子子绕绕中中心心运运动动，但但他他没没有有深深入入下去。下去。长冈半太郎的土星模型长冈半太郎的土星模型第7页，讲稿共87张，创作于星期日长冈的土星模型长冈的土星模型Hantaro Nagaoka第8页，讲稿共87张，创作于星期日 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

8、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”(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。原子核原子核电子电子卢瑟福原子卢瑟福原子模型模型第9页，讲稿共87张，创作于星期日卢卢瑟瑟福福的的“核核式式结结构构模模型型”可可以以解解释释 粒粒子子散散射射实实验验结结果果，因因此此比比汤姆逊模型更符合实际情况。汤姆逊模型更符合实际情况。第10页，讲稿共87张，创作于星期日第11页，讲稿共87张，创作于星期日卢瑟福手迹卢瑟福手迹第12页，讲稿共87张，创作于星期日卢卢瑟瑟福福的的“行行星星模模型型”的的虽虽然然可可以以解解释释

9、粒子散射实验结果，但该模型却粒子散射实验结果，但该模型却无法解释原子的稳定性无法解释原子的稳定性无法解释氢原子光谱的规律。无法解释氢原子光谱的规律。为为了了解解释释上上述述问问题题，卢卢瑟瑟福福的的一一个个学学生生丹丹麦麦物物理理学学家家尼尼尔尔斯斯 玻玻尔尔(Niles Niles Bohr)Bohr)在在卢卢瑟瑟福福的的“行行星星模模型型”的的基基础础之之上上于于19131913年提出了年提出了原子的量子理论，即原子的量子理论，即“玻尔模型玻尔模型”。+第13页，讲稿共87张，创作于星期日玻尔的原子模型玻尔的原子模型(Bohrs Atom)尼尔斯尼尔斯 玻尔玻尔(Niles Bohr)，丹

10、麦人，二十世纪世界最伟大丹麦人，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。的物理学家之一，量子理论的主要奠基人。1922年诺贝年诺贝尔物理奖得主。尔物理奖得主。第14页，讲稿共87张，创作于星期日 玻玻尔尔理理论论后后经经索索末末菲菲等等人人的的改改进进。索索末末菲菲从从实实验验事事实实出出发发，将将电电子子绕绕核核轨轨道道从从单单一一的的圆圆轨轨道道，推推广广到到椭椭圆圆轨轨道道。并并且且他他还还发发现现轨轨道道在在空空间间的的取取向向也也是是量量子子化化的的，从从而而引引入入了了主主量量子子数数、角角量量子子数数和和磁磁量量子子数数的的概概念念。19201920年年索索末末菲

11、菲又又引引入入了了第第四四个个量量子子数数。这这第第四四个个量量子子数数直直到到19251925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。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。19251925年年泡泡利利在在研研究究四四个个量量子子数数跟跟原原子子核核外外电电子子排排布布的的关关系系时时，发发现现了了泡泡利利不不相相容容原原理理：在在同同一一原原子子内内，在在一一个个原原子子中中不不可可能能有有两两个个或或两两个个以以上上的的电电子子具具有有完完全全相相同同的的四四个个量量子子数数(n,l,ml,ms)。利利用用玻玻尔尔、索索末末菲菲理理论论加加上上泡泡利利不不相相

12、容容原原理理可可以以成成功功地地解解释释核核外外电电子子的的排排布布。至此原子物理学完全建立了起来。至此原子物理学完全建立了起来。第15页，讲稿共87张，创作于星期日二二.原子核的放射性原子核的放射性 原原子子核核物物理理学学的的发发展展是是和和1919世世纪纪末末以以来来原原子子物物理理学学的的发发展展交交织织在在一一起起的的。自自18961896年年贝贝克克勒勒耳耳发发现现铀铀盐盐的的放放射射性性之之后后，一一些些科科学学家家着着手手寻寻找找其其他他新新的的放放射射性性元元素素。其其中中最最有有成成就就的的数数居居里里夫夫妇妇了了，通通过过他他俩俩的的艰艰苦苦努努力力，发发现现了了镭镭和和

13、钋钋。另另一一些些科科学学家家着着重重研研究究放放射射性性物物质质放放出出的的射射线线性性质质以以及及射射线线和和物物质质本本身身的的关关系系。研研究究工工作作也也取取得得了了累累累累硕硕果果。卢卢瑟瑟福福弄弄清清了了放放射射性性物物质质放放出出射射线线含含有有三三种种成成分分，即即射射线线、射射线线和和射射线线。并并弄弄清清了了射线带正电；射线带正电；射线带负电，射线带负电，射线不带电。射线不带电。第16页，讲稿共87张，创作于星期日18951895年年1111月月8 8日，德国物理学家伦琴日，德国物理学家伦琴(W.K.RW.K.Rntgen)ntgen)发现发现X X射线。射线。18961

14、896年年1 1月月2020日日，法法国国的的著著名名数数学学物物理理学学家家彭彭加加勒勒(J.J.H.H.Poincare)Poincare)在在法法国国科科学学院院的的会会议议上上介介绍绍了了X X射射线线的的发发现现情情况况。物物理理学学家家贝贝克克勒勒尔尔与与彭彭加加勒勒对对X X射射线线的的产产生生机机理理进进行了讨论。彭加勒猜测行了讨论。彭加勒猜测X X射线可能是伴随着荧光发出的。射线可能是伴随着荧光发出的。2.12.1、放射性的发现、放射性的发现第17页，讲稿共87张，创作于星期日 第第二二天天，H.H.BecquereBecquere就就开开始始对对X X射射线线与与荧荧光光的

15、的关关系系进进行行研研究究。18961896年年2 2月月2424日日他他在在一一篇篇报报告告中中描描述述到到：他他用用两两张张黑黑纸纸包包住住一一张张感感光光底底片片，在在黑黑纸纸上上放放一一块块铀铀盐盐板板，然然后后一一起起放放到到太太阳阳光光下下曝曝晒晒几几小小时时。显显影影之之后后，他他发发现现在在底底片片上上留留下下了了阴阴影影。这这似似乎乎“证证明明”了了彭加勒的猜测彭加勒的猜测 3 3月月2 2日日科科学学院院又又要要开开会会，贝贝克克勒勒尔尔想想在在会会上上报报告告自自己己的的研研究究工工作作，所所以以准准备备再再做做一一次次实实验验，但但2 2月月2626日日和和2727日日

16、巴巴黎黎是是阴阴天天，直直到到3 3月月1 1日日天天仍仍然然阴阴沉沉沉沉，太太阳阳始始终终没没露露面面。贝贝克克勒勒尔尔因因无无法法进进行行实实验验而而感感到到沮沮丧丧，但但没没想想到到却却因因祸祸得得福福，证证明明了了X X射射线线和和荧荧光光没关系。没关系。后后来来，贝贝克克勒勒尔尔研研究究了了不不同同状状态态下下的的铀铀盐盐，他他发发现现它它们们都都具具有有相相同同的的性性质质，它它们们发发出出的的是是一一种种不不同同于于荧荧光光和和X X射射线线的的新新射射线线。5 5月月1818日日，他他报报告告了他的研究结果。人们把他发现的射线称为了他的研究结果。人们把他发现的射线称为“铀射线铀

17、射线”。第18页，讲稿共87张，创作于星期日 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。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。18971897年年，居居里里夫夫人人选选择择放放射射性性作作为为自自己己的的博博士士论论文文题题目目。18981898年年，她她断断定定钍钍也也是是放放射射性性元元素素。居居里里夫夫人人相相信信，既既然然不不止止一一种种元元素素能能自自发发地地放放出出辐辐射射，肯肯定定它它具具有有普普遍遍性性。就就此此，她她提提出出了了具具有有普普遍遍意意义义的的“放放射射性性(Radioactivity)”Radioactivity)”这这个个崭崭新新的的概

18、念和术语。概念和术语。居居里里夫夫人人发发现现铀铀矿矿渣渣中中含含有有一一种种放放射射性性比比铀铀还还要要强强的的未未知知元元素素，18981898年年7 7月月居居里里夫夫人人从从沥沥青青铀铀矿矿中中提提取取出出了了一一种种新新的的放放射射性性元元素素，并并命命名名为为钋钋(Polonium)Polonium)。发发现现钋钋之之后后，居居里里夫夫妇妇开开始始了了科科学学史史上上最最艰艰难难、最最悲悲壮壮同同时时也也是是最最辉辉煌煌的的镭镭的的提提炼炼。苦苦战战四四年年之之后后，他他们们于于19021902年年从从数数吨吨矿矿渣渣中中提提炼炼出出了了0.10.1克克纯纯镭镭盐盐(氯氯化化镭镭)

19、，并测出了镭的原子量。，并测出了镭的原子量。第19页，讲稿共87张，创作于星期日19031903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。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。第20页，讲稿共87张，创作于星期日 居居里里夫夫人人，原原名名玛玛丽丽 斯斯可可罗罗多多 夫夫 斯斯 卡卡(Marie Marie Sklodowska)Sklodowska)，18671867年年诞诞生生于于波波兰兰华华沙沙，19341934年年在在法法国国逝逝世世。曾曾获获19031903年年诺诺贝贝尔尔物物理理奖和奖和19111911年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。第第一一位位荣荣

20、获获诺诺贝贝尔尔奖奖的的女女科科学学家家；第第一一位位两两度度荣荣获获诺诺贝贝尔尔奖奖的的科科学学家家；迄迄今今为为止止，唯唯一一的的一一位位在在两两个个不不同同学学科科领领域域荣荣获获两两次次诺诺贝贝尔尔科科学学奖奖的的科科学学家家。她她和和丈丈夫夫是是第第一一对共同荣获诺贝尔奖的夫妻。对共同荣获诺贝尔奖的夫妻。她她还还是是一一位位伟伟大大的的母母亲亲，两两个个女女儿儿在在她她的的培培养养教教育育下都学有所成。下都学有所成。第21页，讲稿共87张，创作于星期日第22页，讲稿共87张，创作于星期日第23页，讲稿共87张，创作于星期日2.2 2.2、和和射线的研究射线的研究 18981898年年

21、，卢卢瑟瑟福福在在实实验验中中发发现现“铀铀射射线线”的的成成份份是是复复杂杂的的，其其中中至至少少包包含含两两种种不不同同的的辐辐射射，一一种种非非常常容容易易被被吸吸收收，他他称称之之为为射射线线；另另一一种种具具有较强的贯穿本领，称之为有较强的贯穿本领，称之为射线。他的这一成果发表于射线。他的这一成果发表于18991899年。年。1900 1900年，贝克勒尔通过实验确定年，贝克勒尔通过实验确定射线就是高速电子。射线就是高速电子。射射线线是是由由法法国国物物理理学学家家维维拉拉德德(Paul Paul Villard)Villard)于于19001900年年发发现现的的，后来被证实为一种

22、高频电磁辐射。后来被证实为一种高频电磁辐射。19031903年年，卢卢瑟瑟福福利利用用自自制制仪仪器器发发现现射射线线在在磁磁场场作作用用下下发发生生偏偏转转，并并从从方方向向上上断断定定射射线线粒粒子子带带正正电电。19091909年年，卢卢瑟瑟福福以以巧巧妙妙的的方方法法从从光谱上判断出光谱上判断出粒子就是氦原子核。粒子就是氦原子核。第24页，讲稿共87张，创作于星期日 19131913年年索索迪迪正正确确地地归归纳纳出出放放射射性性物物质质衰衰变变时时的的位位移移法法则则：放放出出射射线线时时，生生成成的的元元素素在在周周期期表表里里原原子子序序数数减减少少2 2。放放出出射射线线时时，

23、原原子子序序数数增增加加1 1。同同年年，英英国国物物理理学学家家莫莫塞塞莱莱通通过过对对各各种种元元素素X X射射线线特特征征谱谱的的研研究究，指指出出原原子子序序数数就就是是原原子子核核所所带带正正电电荷荷数数，这这一一发发现现对对元元素素周周期期表表构构造造理理论论的的发发展展起了相当大的推动作用。起了相当大的推动作用。H.Moseley(1887-1915)第25页，讲稿共87张，创作于星期日三三.几个著名的核反应几个著名的核反应 19021902年年，卢卢瑟瑟福福和和化化学学家家索索迪迪(F.F.Soddy)Soddy)合合作作，大大胆胆地地提提出出原原子子嬗嬗变变(atom ato

24、m transmutation)transmutation)假假说说。该该假假说说认认为为放放射射性性物物质质是是由由一一些些不不稳稳定定的的原原子子组组成成的的，每每单单位位时时间间都都有有确确定定的的一一部部分分原原子子通通过过发发射射(、和和)射射线线而而蜕蜕变变成成其其它它元元素素；也也就就是是说说，元元素素也也有有一一个个“进进化化”过过程。程。原原子子嬗嬗变变理理论论打打破破了了“原原子子是是不不可可分分割割的的”哲哲学学和和化化学学思思想想，确确立立了元素之间可以转换的观念。了元素之间可以转换的观念。在在此此之之前前，原原子子转转变变的的现现象象仅仅限限于于天天然然范范围围。人人

25、们们自自然然会会问问，是是否否有有可可能能用用人人工工的的方方法法进进行行原原子子转转变变，以以实实现现自自古古以以来来人人类类幻幻想想的的“点点石石成成金金”呢？呢？第26页，讲稿共87张，创作于星期日3.13.1 历史上第一个人工核反应历史上第一个人工核反应(导致质子的发现导致质子的发现)19191919年年，卢卢瑟瑟福福继继承承了了他他的的老老师师汤汤姆姆逊逊的的剑剑桥桥大大学学卡卡文文迪迪许许实实验验室室主主任任的的职职务务。同同年年他他采采用用如如下下装装置置利利用用212212PoPo放放出出的的粒粒子子去去轰轰击击N N原子，实现了历史上第一个人工核反应。原子，实现了历史上第一个

26、人工核反应。第27页，讲稿共87张，创作于星期日 这这是是人人类类历历史史上上第第一一次次人人工工实实现现的的“点点金金术术”，使使一一种种元元素素转转变变成成了了另一种元素。另一种元素。卢卢瑟瑟福福发发现现许许多多元元素素在在粒粒子子轰轰击击下下都都可可放放射射出出“带带正正电电的的氢氢原原子子”。因因此此认认为为所所有有元元素素的的原原子子核核中中都都存存在在这这种种带带正正电电的的粒粒子子，并并于于1920年年将将其其命名为命名为“质子质子(proton)，符号为符号为 p”。卢瑟福在卢瑟福在实验中实现了下述核反应：实验中实现了下述核反应：第28页，讲稿共87张，创作于星期日 3.3.2

27、 2 导致发现中子的核反应导致发现中子的核反应 1920年年，卢卢瑟瑟福福提提出出了了中中子子假假说说，认认为为原原子子核核中中除除了了质质子子外外，可可能能还还存存在在一一种种由由电电子子和和氢氢核核组组成成的的不不带带电电的的中中性性粒粒子子，他他称称为为“双双子子(doublet)”。1930年年，德德国国物物理理学学家家玻玻特特(W.Bothe)和和他他的的学学生生贝贝克克尔尔(H.Becker)发发现现，用用粒粒子子轰轰击击铍铍9(9Be)时时，会会产产生生一一种种穿穿透透能能力力极极强强的的中中性性射射线线，他他们们认为这种中性射线是认为这种中性射线是射线射线(实际上是中子！实际上

28、是中子！)随随后后不不久久，约约里里奥奥-居居里里夫夫妇妇也也进进行行了了这这一一实实验验，并并让让反反应应物物打打在在含含氢氢的的石石蜡蜡上上，发发现现有有质质子子被被从从石石蜡蜡中中击击出出。他他们们认认为为这这是是由由光光子子引引起起的的“康康普普顿顿效应效应”。就这样，玻特和约里奥就这样，玻特和约里奥-居里夫妇都错过了发现中子的机会居里夫妇都错过了发现中子的机会!第29页，讲稿共87张，创作于星期日 19321932年年，英英国国物物理理学学家家卢卢瑟瑟福福的的学学生生查查德德威威克克(J.J.Chadwick)Chadwick)重重复复了了上上述述实实验验，并并证证明明反反应应过过程

29、程中中所所产产生生的的中中性性射射线线是是由由一一种种质质量量和和质质子子差差不不多多的的中中性性粒粒子子组组成成的的，他他 把把 这这 种种 中中 性性 粒粒 子子 称称 为为 中中 子子(neutron)neutron)。查查德德威威克克因因此此被被授授予予19351935年年NobelNobel物理奖。物理奖。J.Chadwick第30页，讲稿共87张，创作于星期日3.3.3 3 第一个在加速器上实现的核反应第一个在加速器上实现的核反应 19321932年年，英英国国剑剑桥桥大大学学卡卡文文迪迪许许实实 验验 室室 的的 科科 克克 罗罗 夫夫 特特(J.J.D.D.Cockcroft)

30、Cockcroft)和和瓦瓦尔尔顿顿(E.E.T.T.S.S.Walton)Walton)利利用用他他们们自自己己发发明明的的“科科克克罗罗夫夫特特瓦瓦尔尔顿顿加加速速器器”加加速速质质子子，然然后后轰轰击击锂锂，实实现现了了下下述述核核反反应应(二二人人因因此此荣荣获获19511951年年NobelNobel物理奖物理奖)：在在这这一一反反应应中中输输入入的的能能量量是是0.50.5MeVMeV，输输出出能能量量为为17.817.8MeVMeV。这这表明从原子核中可以释放出能量。表明从原子核中可以释放出能量。Cockcroft Walton第31页，讲稿共87张，创作于星期日3.4 3.4

31、产生第一个人工放射性核素的反应产生第一个人工放射性核素的反应 19341934年年，约约里里奥奥-居居里里夫夫妇妇发发表表文文章章宣宣布布观观察察到到了了人人工工放放射射现现象象，他们完成了如下核反应：他们完成了如下核反应：磷磷3030不稳定，通过放射性衰变转变为硅不稳定，通过放射性衰变转变为硅3030：第32页，讲稿共87张，创作于星期日 人人工工放放射射性性的的发发现现，为为人人类类开开辟辟了了一一个个新新领领域域。从从此此，科科学学家家们们不不必必再再只只依依靠靠自自然然界界的的天天然然放放射射性性物物质质来来研研究究问问题题，大大大大地地推推动动了了核核物物理理学学的的发发展展。约约里

32、里奥奥-居居里里夫夫妇妇因因此此于于19351935年年被被授授予予NobelNobel化学奖。化学奖。第33页，讲稿共87张，创作于星期日四四.重核的裂变和轻核的聚变重核的裂变和轻核的聚变4.1 4.1 费米的中子实验费米的中子实验 一一代代物物理理大大师师费费米米(Enrico Enrico Fermi,Fermi,1901-1954)1901-1954)出出生生于于意意大大利利，2525岁岁时时就就当当上上了了罗罗马马大大学学物物理理系系教教授授，19381938年年荣荣获获诺诺贝贝尔尔物物理理奖奖。在在他他的的努努力力下下，罗罗马马在在二二十十世世纪纪三三十十年年代代成了世界上又一个物

33、理学研究中心。成了世界上又一个物理学研究中心。4.1.1 “4.1.1 “超铀元素超铀元素”之谜之谜 19341934年年，约约里里奥奥-居居里里夫夫妇妇发发现现人人工工放放射射性性的的消消息息传传到到罗罗马马，使使费费米米想想到到用用中中子子作作为为入入射射粒粒子子要要比比粒粒子子有有效效得得多多。(这这是是因因为为中中子子不不带带电电，不不会会受受到到强强的的电电的的斥斥力力阻阻止止它它进进入入原原子子核核内内。)他他按按元元素素周周期期表表的的顺顺序序依依次次轰轰击击各各种种元元素，看一看哪些元素可产生人工放射性。素，看一看哪些元素可产生人工放射性。第34页，讲稿共87张，创作于星期日

34、19341934年年5 5月月，费费米米研研究究组组用用中中子子轰轰击击当当时时周周期期表表上上的的最最后后一一个个元元素素铀铀得得到到了了一一种种半半衰衰期期为为1313分分钟钟的的放放射射性性产产物物。经经分分析析这这种种产产物物不不属属于于从从铅铅到到铀铀之之间间的的那那些些元元素素。费费为为认认为为有有可可能能是是产产生生了了“超超铀铀元元素素”(”(原原子子序序数数大大于于9292的的元元素素叫叫超超铀铀元元素素)，但但他他没没有有完完全全确确定定。(实实际际上上是是铀铀235235分裂成了两个中等原子序数的元素的同位素分裂成了两个中等原子序数的元素的同位素)。“超超铀铀元元素素”的

35、的问问题题历历经经四四、五五年年也也未未被被研研究究清清楚楚，但但在在此此其其间间却却有有好好几几个个研研究究机机构构“证证实实”了了费费米米的的推推测测。“超超铀铀元元素素”的的说说法法竟竟然然在在一一段段时时间间内内得得到到了了公公认。认。只只有有一一位位名名叫叫伊伊达达 诺诺达达克克(Eda Eda Noddack)Noddack)的的年年轻轻的的德德国国女女化化学学家家对对“超超铀铀元元素素”表表示示怀怀疑疑，她她在在19341934年年9 9月月发发表表文文章章说说：“可可以以想想象象，当当重重核核被被子子中中子子轰轰击击时时，该该核核可可能能分分裂裂成成几几大大块块，这这些些裂裂片

36、片无无疑疑将将是是已已知知元元素素的的同同位位素素，而而不不是是被被轰轰击击的的元元素素的的近近邻邻。”但但她她只只是是做做了了猜猜测测，既既没没做做实验，也没分析他人的结果。实验，也没分析他人的结果。第35页，讲稿共87张，创作于星期日4.1.2 4.1.2 慢中子的作用慢中子的作用 19341934年年1010月月，费费米米的的同同事事阿阿玛玛尔尔迪迪(E.E.Amaldi)Amaldi)等等人人把把中中子子源源放放入入银银质质圆圆筒筒，再再把把圆圆筒筒置置于于铅铅盒盒里里。他他们们发发现现银银产产生生的的放放射射性性并并不不总总是是一一样样的的，当当把把圆圆筒筒放在铅盒中央或一角时，它就

37、有所不同。放在铅盒中央或一角时，它就有所不同。费费米米建建议议在在铅铅盒盒外外边边辐辐照照圆圆筒筒，看看会会出出现现什什么么情情况况。他他们们发发现现圆圆筒筒周周围围的的东东西西似似乎乎会会影影响响它它的的放放射射性性。例例如如，若若把把它它放放在在木木桌桌上上用用中中子子辐辐照照，它产生的放射性就要比它放在一块金属上时更大。它产生的放射性就要比它放在一块金属上时更大。他他们们把把中中子子源源放放在在圆圆筒筒外外面面，并并在在二二者者之之间间插插入入铅铅板板，发发现现放放射射性性略略微微增增加加，费费米米提提出出用用石石蜡蜡把把中中子子源源和和银银筒筒隔隔开开，看看看看结结果果如如何何。193

38、41934年年1010月月2222日日，他他们们在在一一大大块块石石蜡蜡中中挖挖出出一一个个空空穴穴，然然后后把把中中子子源源放放入入空空穴穴里里辐辐照照银银筒筒，结结果果发发现现放放射射性提高了性提高了100100倍。倍。第36页，讲稿共87张，创作于星期日 费费米米利利用用午午休休时时间间对对实实验验现现象象进进行行了了分分析析，认认为为是是石石蜡蜡中中存存在在氢氢原原子子，而而氢氢核核正正是是一一个个质质子子，其其质质量量与与中中子子几几乎乎相相等等，中中子子与与氢氢核核发发生生弹弹性性碰碰撞撞，速速度度大大大大降降低低，被被银银原原子子核核俘俘获获的的机机会会增增多多，因因此此放放射射

39、性性产产物物也也将将大大大大地地增加。增加。为为了了验验证证费费米米的的想想法法，他他们们又又把把实实验验装装置置放放入入了了物物理理系系主主任任私私人人花花园园的的水水池池中中进进行行了了实实验验，结结果果放放射射性性也也加加强强了了，证证明明了了费费米米的的慢慢中中子推断。子推断。当晚他们在阿玛尔迪家中聚会，女佣偷偷问主人“客人们是否都喝醉了”。慢慢中中子子作作用用的的研研究究具具有有重重要要意意义义，因因为为慢慢中中子子比比快快中中子子更更能能有效地诱发核反应，是核裂变尤其是链式反应的基础。有效地诱发核反应，是核裂变尤其是链式反应的基础。可怜的鱼儿，不知不觉中竟无端遭受了“核武器”的攻击

40、！第37页，讲稿共87张，创作于星期日4.2 4.2 重核裂变的发现重核裂变的发现 19371937年年，伊伊伦伦娜娜 居居里里和和萨萨维维奇奇(P.P.Savitch)Savitch)在在用用中中子子辐辐照照铀铀盐盐时时，发发现产物中有一种物质很象镧。现产物中有一种物质很象镧。19381938年年5 5月他们发表文章说：月他们发表文章说：“用用中中子子辐辐照照的的铀铀中中，产产生生了了一一种种放放射射性性元元素素，其其化化学学性性质质很很象象镧镧。它或许也是一种超铀物质，但我们暂还未确定其原子序数。它或许也是一种超铀物质，但我们暂还未确定其原子序数。”伊伦娜伊伦娜 居里错过了裂变的发现！居里

41、错过了裂变的发现！德德国国化化学学家家哈哈恩恩(Otto Otto Hahn)Hahn)看看到到了了伊伊伦伦娜娜 居居里里的的文文章章，认认为为她她搞搞错错了了，就就和和助助手手斯斯特特拉拉斯斯曼曼(F.F.Strassmann)Strassmann)立立即即重重复复这这一一实实验验。19381938年年1212月中旬，他们经分析确认产物中存在钡。月中旬，他们经分析确认产物中存在钡。第38页，讲稿共87张，创作于星期日 哈哈恩恩随随后后写写信信向向已已逃逃往往瑞瑞典典的的以以前前的的合合作作者者梅梅特特纳纳报报告告实实验验结结果果。梅梅特特纳纳看看到信后很惊讶，她和外甥弗里希到信后很惊讶，她和

42、外甥弗里希(Otto Frisch)Otto Frisch)给出了这一过程的理论解释：给出了这一过程的理论解释：19391939年年1 1月月6 6日日哈哈恩恩发发现现核核裂裂变变的的论论文文在在德德国国NaturwissenschaftenNaturwissenschaften上上发发表表，作者署名为哈恩和斯特拉斯曼。作者署名为哈恩和斯特拉斯曼。看看到到哈哈恩恩的的文文章章之之后后，弗弗里里希希又又利利用用云云室室观观察察到到了了核核分分裂裂的的情情况况，并并提提出出了了“核核裂裂变变(nuclear nuclear fission)”fission)”一一词词。后后来来他他和和梅梅特特纳纳

43、联联名名发发表表论论文文给给出出了了重重核核裂裂变的理论解释，并报告了弗里希的实验情况。变的理论解释，并报告了弗里希的实验情况。“铀铀核核好好比比是是一一个个时时刻刻颤颤动动的的液液滴滴，当当一一个个慢慢中中子子击击中中它它时时，核核就就振振动动起起来来并并有有可可能能被被拉拉长长，拉拉长长了了的的核核液液滴滴更更易易于于受受到到内内部部的的电电的的斥斥力力作作用用，两两个个小小核核液液滴滴互互相相排排斥斥，越越离离越越远远，最最终终中中间间断断裂裂，成成为为两两个个小小核核。”他他们们预预言言是是钡钡和和氪氪。此此外外，梅梅特特纳纳还还根根据据反反应应前前后后物物质质质质量量不不同同，计算出

44、了反应中放出的巨大能量。计算出了反应中放出的巨大能量。第39页，讲稿共87张，创作于星期日Nuclear Fission第40页，讲稿共87张，创作于星期日第41页，讲稿共87张，创作于星期日 哈哈恩恩(Otto Otto Hahn,1879-1968)Hahn,1879-1968)是是德德国国化化学学家家，因因发发现现核核裂裂变而荣获变而荣获19441944年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。1912年年10月月23日日德德国国国国皇皇帝帝威威廉廉二二世世到到哈哈恩恩所所在在的的研研究究所所参参观观，哈哈恩恩多多少少有有些些炫炫耀耀地地把把他他发发现现的的一一种种镭镭的的同同位位素素呈呈献献给给

45、皇皇帝帝看看，皇皇帝帝看看到到这这种种放放射射性性物物质质的的辉辉光光之之后后龙龙颜颜大大悦悦(当当时时人人们们还还不知道放射性对人体有害不知道放射性对人体有害)，年轻的哈恩为此十分得意。，年轻的哈恩为此十分得意。50年年后后他他回回忆忆起起这这件件事事时时后后怕怕地地说说：“假假如如今今天天我我干干出出这件蠢事，肯定会被投进监狱！这件蠢事，肯定会被投进监狱！”斯斯特特拉拉斯斯曼曼(Fritz Fritz Strassmann)Strassmann)，德德国国化化学学家家，曾曾协协助助哈哈恩发现核裂变。恩发现核裂变。第42页，讲稿共87张，创作于星期日弗弗里里希希(Otto Otto Fris

46、ch)Frisch)，梅梅特特纳纳的的外外甥甥，著著名名的的核核物物理理学学家。家。著著名名核核物物理理学学家家丽丽斯斯 梅梅特特纳纳(Lise Lise Meitner,Meitner,1878-1878-1968)1968)，18781878年年出出生生于于奥奥地地利利维维也也纳纳，犹犹太太人人，维维也也纳纳大大学学历历史史上上第第一一个个女女物物理理学学博博士士。她她长长期期在在德德国国工工作作，由由于于才才华华出出众众，被被称称为为“德国的居里夫人德国的居里夫人”。她她在在一一战战期期间间上上过过战战场场；二二战战之之前前被被迫迫逃逃往往瑞瑞典典；最最后定居英国。后定居英国。由由于于当

47、当时时对对妇妇女女的的偏偏见见，她她直直到到一一战战之之后后才才得得以以在在柏柏林林大大学学担任教职，担任教职，19221922年才获得讲课的权利年才获得讲课的权利第43页，讲稿共87张，创作于星期日第44页，讲稿共87张，创作于星期日 梅梅特特纳纳长长期期与与哈哈恩恩合合作作，为为核核裂裂变变的的研研究究做做出出了了卓卓越越的的贡贡献献，但但由由于于各各种种偏偏见见，她她一一直直被被拒拒之之于于诺诺贝贝尔尔奖奖的的殿殿堂堂之之外外。为为了了纪纪念念她她，人人们们把把109109号号元素命名为元素命名为Meitnerium(Meitnerium(符号符号Mt)Mt)。第45页，讲稿共87张，创

48、作于星期日 1946年年底底，中中国国物物理理学学家家钱钱三三强强与与何何泽泽慧慧在在法法国国居居里里实实验验室室发发现现了了核核裂裂变变的的三三分分裂裂现现象象，即即裂裂变变碎碎块块有有三三块块(其其中中之之一一往往往往是是 粒粒子子)。不不过过，这这种种过过程程的的几几率率很小，约为二分裂的千分之三。很小，约为二分裂的千分之三。几几天天后后，何何泽泽慧慧给给钱钱三三强强送送毕毕业业照照，她她等等待待着着他他的的话话语语，但但是是，他他只只是是低低着着头头看看照照片片。她她欲欲言言又又止止，竟竟然然哼哼起起了了钱钱三三强强喜喜爱爱的的那那首首满满江江红红：“怒怒发发冲冲冠冠，凭凭栏栏处处，萧

49、萧雨歇萧萧雨歇”歌声停了，人也走了歌声停了，人也走了 临临近近毕毕业业的的一一天天，何何泽泽慧慧落落落落大大方方地地走走到到钱钱三三强强的的书书桌桌前前，默默默默地地坐坐在在他他的的对对面面，“你你毕毕业业以以后后干干什什么么？”钱钱三三强强一一时时语语塞塞，何何泽泽慧慧生生气气地地向向门门口口走走去去，不过她又停了下来，回身望着钱三强，良久，才转身离去不过她又停了下来，回身望着钱三强，良久，才转身离去 钱钱三三强强是是一一代代国国学学大大师师钱钱玄玄同同的的次次子子，1932年年他他与与何何泽泽慧慧一一同同考考入入清清华华大大学学物物理理系系，成为同班同学。成为同班同学。1936年毕业时，何

50、泽慧年毕业时，何泽慧毕业论文夺得全班最高分，钱三强第二。毕业论文夺得全班最高分，钱三强第二。第46页，讲稿共87张，创作于星期日 1946年年，二二战战结结束束后后的的第第一一个个春春天天，何何泽泽慧慧从从德德国国来来到到巴巴黎黎，他他们们如如期期举举行行了了婚婚礼礼。约约里奥里奥-居里向新郎、新娘祝居里向新郎、新娘祝贺贺新婚新婚 1936年年毕毕业业后后，钱钱三三强强到到北北平平物物理理研研究究所所工工作作。1937年年他他来来到到巴巴黎黎大大学学镭镭学学研研究究所所居居里里实实验验室室师师从从约约里里奥奥-居居里里夫夫妇妇，并并于于1940年年获获博博士士学学位位。此此后后，先先后后在在里