核物理

核物理

核物理學又稱原子核物理學,是20世紀新增立的一個物理學分支。它研究原子核的結構和變化規律;射線束的產生、探測和分析技術;以及同核能、核技術套用有關的物理問題。它是一門既有深刻理論意義,又有重大實踐意義的學科。

發展歷史

初期 1896年,貝可勒爾發現天然放射性,這是人們第一次觀察到的核變化。現在通常就把這一重大發現看成是核物理學的開端。此後的40多年,人們主要從事放射性衰變規律和射線性質的研究,並且利用放射性射線對原子核做了初步的探討,這是核物理發展的初期階段。

原子核-內部結構模型圖原子核-內部結構模型圖

在這一時期,人們為了探測各種射線,鑒別其種類並測定其能量,初步建立了一系列探測方法和測量儀器。大多數的探測原理和方法在以後得到了發展和套用,有些基本設備,如計數器、電離室等,沿用至今。

探測、記錄射線並測定其性質,一直是核物理研究和核技術套用的一個中心環節。放射性衰變研究證明了一種元素可以通過衰變而變成另一種元素,推翻了元素不可改變的觀點,確立了衰變規律的統計性。統計性是微觀世界物質運動的一個重要特點,同經典力學和電磁學規律有原則上的區別。

原子核-內部結構模型表原子核-內部結構模型表

放射性元素能發射出能量很大的射線,這為探索原子和原子核提供了一種前所未有的武器。1911年,盧瑟福等人利用α射線轟擊各種原子,觀測α射線所發生的偏折,從而確立了原子的核結構,提出了原子結構的行星模型,這一成就為原子結構的研究奠定了基礎。此後不久,人們便初步弄清了原子的殼層結構和電子的運動規律,建立和發展了描述微觀世界物質運動規律的量子力學。

1919年,盧瑟福等又發現用α粒子轟擊氮核會放出質子,這是首次用人工實現的核蛻變(核反應)。此後用射線轟擊原子核來引起核反應的方法逐漸成為研究原子核的主要手段。

在初期的核反應研究中,最主要的成果是1932年中子的發現和1934年人工放射性核素的合成。原子核是由中子和質子組成的,中子的發現為核結構的研究提供了必要的前提。中子不帶電荷,不受核電荷的排斥,容易進入原子核而引起核反應。因此,中子核反應成為研究原子核的重要手段。在30年代,人們還通過對宇宙線的研究發現了正電子和介子,這些發現是粒子物理學的先河。

20世紀20年代後期,人們已在探討加速帶電粒子的原理。到30年代初,靜電、直線和回旋等類型的加速器已具雛形,人們在高壓倍加器上進行了初步的核反應實驗。利用加速器可以獲得束流更強、能量更高和種類更多的射線束,從而大大擴展了核反應的研究工作。此後,加速器逐漸成為研究原子核和套用技術的必要設備。

在核物理發展的最初階段人們就註意到它的可能的套用,並且很快就發現了放射性射線對某些疾病的治療作用。這是它在當時就受到社會重視的重要原因,直到今天,核醫學仍然是核技術套用的一個重要領域。

大發展時期 20世紀40年代前後,核物理進入一個大發展的階段。1939年,哈恩和斯特拉斯曼發現了核裂變現象;1942年,費密建立了第一個鏈式裂變反應堆,這是人類掌握核能源的開端。

在30年代,人們最多隻能把質子加速到一百萬電子伏特的數量級,而到70年代,人們已能把質子加速到四千億電子伏特,並且可以根據工作需要產生各種能散度特別小、準直度特別高或者流強特別大的束流。

20世紀40年代以來,粒子探測技術也有了很大的發展。半導體探測器的套用大大提高了測定射線能量的解析度。核電子學和計算技術的飛速發展從根本上改善了獲取和處理實驗資料的能力,同時也大大擴展了理論計算的範圍。所有這一切,開拓了可觀測的核現象的範圍,提高了觀測的精度和理論分析的能力,從而大大促進了核物理研究和核技術的套用。

通過大量的實驗和理論研究,人們對原子核的基本結構和變化規律有了較深入的認識。基本弄清了核子(質子和中子的統稱)之間的相互作用的各種性質,對穩定核素或壽命較長的放射性核素的基態和低激發態的性質已積累了較系統的實驗資料。並通過理論分析,建立了各種適用的模型。

通過核反應,已經人工合成了17種原子序數大于92的超鈾元素和上千種新的放射性核素。這種研究進一步表明,元素僅僅是在一定條件下相對穩定的物質結構單位,並不是永恆不變的。

天體物理的研究表明,核過程是天體演化中起關鍵作用的過程,核能就是天體能量的主要來源。人們還初步了解到在天體演化過程中各種原子核的形成和演變的過程。在自然界中,各種元素都有一個發展變化的過程,都處于永恆的變化之中。

通過高能和超高能射線束和原子核的相互作用,人們發現了上百種短壽命的粒子,即重子、介子、輕子和各種共振態粒子。龐大的粒子家族的發現,把人們對物質世界的研究推進到一個新的階段,建立了一門新的學科——粒子物理學,有時也稱為高能物理學。各種高能射線束也是研究原子核的新武器,它們能提供某些用其他方法不能獲得的關于核結構的知識。

過去,通過對巨觀物體的研究,人們知道物質之間有電磁相互作用和萬有引力(引力相互作用)兩種長程的相互作用;通過對原子核的深入研究,才發現物質之間還有兩種短程的相互作用,即強相互作用和弱相互作用。在弱作用下宇稱不守恆現象的發現,是對傳統的物理學時空觀的一次重大突破。研究這四種相互作用的規律和它們之間可能的聯系,探索可能存在的靳的相互作用,已成為粒子物理學的一個重要課題。毫無疑問,核物理研究還將在這一方面作出新的重要的貢獻。

核物理的發展,不斷地為核能裝置的設計提供日益精確的資料,從而提高了核能利用的效率和經濟指標,並為更大規模的核能利用準備了條件。人工製備的各種同位素的套用已遍及理工農醫各部門。新的核技術,如核磁共振、穆斯堡爾譜學、晶體的溝道效應和阻塞效應,以及擾動角關聯技術等都迅速得到套用。核技術的廣泛套用已成為現代化科學技術的標志之一。

完善和提高 20世紀70年代,由于粒子物理逐漸成為一門獨立的學科,核物理已不再是研究物質結構的最前沿。核能利用方面也不像過去那樣迫切,核物理進入了一個縱深發展和廣泛套用的新的更成熟的階段。

在現階段,粒子加速技術已有了新的進展。由于重離子加速技術的發展,人們已能有效地加速從氫到鈾所有元素的離子,其能量可達到十億電子伏每核子。這就大大擴充了人們變革原子核的手段,使重離子核物理的研究得到全面發展。

隨著高能物理的發展,人們已能建造強束流的中高能加速器。這類加速器不僅能提供直接加速的離子流,還可以提供次級粒子束。這些高能粒子流從另一方面擴充了人們研究原子核的手段,使高能核物理成為富有生氣的研究方面。

從核物理基礎研究看,主要目標在兩個方面:一是通過核現象研究粒子的性質和相互作用,特別是核子間的相互作用;再者是核多體系的運動形態的研究。很明顯,核運動形態的研究將在相當長的時期內佔據著核物理基礎研究的主要部分。

核物理學的套用

核物理研究之所以受到人們的重視得到社會的大力支持,是和它具有廣泛而重要的套用價值密切相關的。目前,幾乎沒有一個核物理實驗室不在從事核技術的套用研究。有些設備甚至主要從事核技術套用工作。

核技術套用主要為核能源的開發服務,如提供更精確的核資料和探索更有效地利用核能的途徑等;另外,同位素的套用是核技術套用最廣泛的領域。同位素示蹤已套用于各個科學技術領域;同位素葯劑套用于某些疾病的診斷或治療;同位素儀表在各工業部門用作生產自動線監測或質量控製裝置。

加速器及同位素輻射源已套用于工業的輻照加工、食品的保藏和醫葯的消毒、輻照育種、輻照探傷以及放射醫療等方面。為了研究輻射與物質的相互作用以及輻照技術,已經建立了輻射物理、輻射化學等邊緣學科以及輻照工藝等技術部門。

由于中子束在物質結構、固體物理。高分子物理等方面的廣泛套用,人們建立了專用的高中子通量的反應堆來提供強中子束。中子束也套用于輻照、分析、測井及探礦等方面。中子的生物效應是一個重要的研究方向,快中子治癌已取得一定的療效。

離子束的套用是越來越受到註意的一個核技術部門。大量的小加速器是為了提供離子束而設計的,離子註入技術是研究半導體物理和製備半導體器件的重要手段。離子束已經廣泛地套用于材料科學和固體物理的研究工作。離子束也是用來進行無損、快速、痕量分析的重要手段,特別是質子微米束,可用來對表面進行掃描分析。其精度是其他方法難以比擬的。

在原子核物理學誕生、壯大和鞏固的全過程中,通過核技術的套用,核物理和其他學科及生產、醫療、軍事等部分建立了廣泛的聯系,取得了有力的支持;核物理基礎研究又為核技術的套用不斷開闢新的途徑。核基礎研究和核技術套用的需要,推進了粒子加速技術和核物理實驗技術的發展;而這兩門技術的新發展,又有力地促進了核物理的基礎和套用研究。

核物理專業

核物理專業主要通過對原子核物理學、核電子學、核物理實驗方法、核技術套用等專業基礎知識的學習,掌握核物理專業的基大學部學知識和體系,並受到相關專業實驗的訓練,從而具有良好的數理基礎和核物理學科的理論基礎,具有較深入的專業知識和熟練的實驗技能,能夠適應核物理學科各方向發展的基本需要。

知識技能

通過學習,將具備了以下幾方面的能力:

1. 具有較扎實的自然科學基礎,較好的人文、藝術和社會科學基礎及正確運用本國語言、文字的能力;

2. 掌握數學的而基本理論方法,具有比較堅實的數學基礎;

3. 掌握物理的基本理論和基本實驗方法,具有一定的基礎科學研究能力和套用開發能力;

4. 掌握核物理專業的基大學部學知識和體系,獲得核物理專業的實踐訓練,了解核物理學發展的前沿和趨勢;

5. 掌握一門外語,掌握電腦及信息技術套用知識,能夠進行中外文獻檢索,掌握科技寫作知識,具有一定的科技論文的寫作能力和科技學術交流的能力;

6. 了解國家科學技術、智慧產權等有關政策和法規;

7. 具有較強的自學能力、創新意識和較高的綜合貭素。

​課程設定

普通物理、電子技術基礎、數學物理方法、理論力學、熱力學與統計物理、電動力學、量子力學、固體物理、原子核物理學、核電子學、核物理實驗方法、輻射劑量與防護、核技術基礎。

主要的實踐教學環節包括:獨立設定的實驗課程、課程設計、教學實習、科研訓練、社會實踐、生產實習、綜合論文等。其中主要專業實驗除普通物理實驗、近代物理實驗、電子技術實驗之外,還開設了核電子學實驗、核物理實驗等。

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