本書從原子核物理早期的三個重大發(fā)現(xiàn)開始,向讀者展現(xiàn)了一些著名科學(xué)家在原子核物理的誕生階段中所作出的不可磨滅的貢獻(xiàn)和他們的創(chuàng)造性活動,包括他們的成功和失敗,希望讀者從中得到啟迪。然后介紹了與核物理應(yīng)用密切有關(guān)的基礎(chǔ)知識——核衰變和核反應(yīng)。人們正是利用核反應(yīng)實現(xiàn)了現(xiàn)代“煉金術(shù)”,中世紀(jì)煉金術(shù)的夢想終于在核物理領(lǐng)域中實現(xiàn)了。同時也將對探測器和加速器作專門介紹,核物理的發(fā)展、核技術(shù)的應(yīng)用離不開各種射線的探測工具 ──探測器以及加速核和粒子的工具──加速器。最后兩章較詳細(xì)地介紹了原子能利用和核技術(shù)應(yīng)用。
原子核物理學(xué)作為物理學(xué)的一個分支,研究對象是比原子更微小、更深一層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。原子核物理學(xué)作為一門學(xué)科形成于20世紀(jì)初,且自誕生以來一直是前沿學(xué)科之一。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展以及社會對核技術(shù)應(yīng)用的廣泛需求,原子核物理學(xué)發(fā)展起一門新的分支學(xué)科——應(yīng)用核物理。筆者撰寫本書的目的是:力求用深入淺出的語言,向大學(xué)生提供一本教材,它既適用于核類和非核類理工科專業(yè)的本科生,也可供對核科技應(yīng)用領(lǐng)域感興趣的其他科技研究人員閱讀。
一門大學(xué)課程不僅要幫助學(xué)生積累一些知識,而且特別要提倡智能的培養(yǎng)。所謂智能,是指人們運用知識的才能。培養(yǎng)智能,主要是培養(yǎng)自學(xué)能力、思維能力、表達(dá)能力、研究能力和組織管理能力。如果只注重知識的積累,而不注意發(fā)展智能,那么,即使在頭腦中有了一大堆公式、定理、概念,也不會靈活應(yīng)用,不會獨立地去積累更多的新知識,更不會有所創(chuàng)新。大學(xué)教育成功的標(biāo)志之一,就是看到絕大多數(shù)學(xué)生在積極地思考,他們在智能培養(yǎng)方面有明顯的進(jìn)步。
成功的教學(xué)必須誘發(fā)問題,聽了課,讀了書,只感到“聽得舒服,讀來都懂”是不夠的,真正的收獲還應(yīng)該反映在有沒有產(chǎn)生新問題。本世紀(jì)最偉大的物理學(xué)大師之一,尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)曾告誡我們:
如果誰在第一次學(xué)習(xí)量子概念時,不覺得糊涂,那么他就一點也沒有懂。
另一位物理學(xué)大師韋斯科夫(V。 F。 Weisskopf)曾說過:
我們的知識好比是在無邊無際的未知海洋中的一個小島,這個島嶼變得愈大,它與未知海洋的接界也就擴(kuò)展得愈廣。
知識的增長必然孕育著新問題的產(chǎn)生。為此,我們特別鼓勵學(xué)生經(jīng)常相互討論,勇于提出問題,共同創(chuàng)造一個有濃厚學(xué)術(shù)氣氛的學(xué)習(xí)環(huán)境。我國著名教育家陶行知先生說過:“發(fā)明千千萬,起點是一問”;量子力學(xué)的一位創(chuàng)始人也說過:“提出正確的問題,經(jīng)常已解決問題的一大半了”“科學(xué)扎根于討論”。
筆者衷心感謝盧鶴紱教授,他是引導(dǎo)筆者進(jìn)入原子核物理之門的第一位導(dǎo)師:感謝曾擔(dān)任過復(fù)旦大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的王零同志,他曾是復(fù)旦大學(xué)原子核科學(xué)系的第一位系主任,他在20世紀(jì)五六十年代與其他領(lǐng)導(dǎo)一起卓有遠(yuǎn)見地抓緊中青年教師的培養(yǎng),為復(fù)旦后來的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ),他們對筆者的慧識,使一顆嫩芽得到了肥沃的土壤。
感謝奧格·玻爾(Aage Bohr)和本.莫特遜(Ben Mottelson)兩位原子核物理大師,筆者從他們身上不僅學(xué)到了一些物理學(xué)知識,而且初步懂得了“哥本哈根精神”的真實含義。
感謝謝希德教授,她給人以榜樣的力量,她對中、青年學(xué)者總是投下鼓勵、關(guān)懷、支持和慈祥的目光。
感謝中國科學(xué)院前院長周光召教授,由于他的邀請,筆者自1987年起任中國科學(xué)院原子核研究所所長,學(xué)到了很多實際知識。他給筆者提供了一個很有意義的舞臺,使筆者經(jīng)歷了最有成就感的14年。
感謝朱光亞教授,他給了筆者一些少有的機(jī)會,增長了從書本上難以獲得的知識。
筆者十分懷念已故物理大師錢三強(qiáng)教授,他在1958年參觀、視察我們實驗室的情景,以及在1963年筆者赴哥本哈根前夕的一席談話,還歷歷在目,使人難忘。
參加本書編寫的有一批年輕一代的同事,他們是:王平曉教授(第一章至第三章),張雪梅副教授(第四章和第五章第一、第二、第四節(jié)),王旭飛副教授(第五章第三節(jié)和第十一章第四節(jié)),傅云清副教授(第六章前四節(jié)),路迪博士(第六章第五節(jié)),張新夷教授(第七章第二、第三節(jié)),沈皓教授(第七章第一、第四節(jié))和第十一章前三節(jié)),王月霞教授(第八章第一、第二、第五節(jié)),肖君博士(第八章第三節(jié)),孔青教授(第八章第四節(jié)),魏寶仁教授(第九章),張斌副教授(第十章)。陸福全教授編寫了附錄。筆者和陸福全教授、陳建新教授一起制訂了本書的編寫方針和草擬了全書大綱,并進(jìn)行了最后的修改和統(tǒng)稿工作。陳建新教授對本書的完成發(fā)揮了重大作用,筆者深表謝意。
我們所有的編寫者相處在一個充滿生氣的集體中,這個集體在前沿領(lǐng)域的科研和教育成果是本書的重要源泉之一。
在本書完稿之際,筆者懇請讀者對本書提出批評和建議,以便再版時修正
楊福家,復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)教授(1980-),中國科學(xué)院院士(1991-),發(fā)展中國家科學(xué)院院士(1991-),中央文史研究館館員(2012-),國家教育咨詢委員會委員(2010-),國家教育考試指導(dǎo)委員會委員(2012-),寧波諾丁漢大學(xué)校長(2004-),曾任中國科學(xué)院上海原子核研究所所長(1987-2001),復(fù)旦大學(xué)校長(1993.2-1999.1),英國諾丁漢大學(xué)校長(校監(jiān),2001.1-2012.12)。曾獲日本、美國、英國、港澳地區(qū)一些大學(xué)的名譽科學(xué)博士或名譽人文博士學(xué)位。
主要著作有:《原子物理學(xué)》(第四版),在2009年被評為教育部普通高等教育精品教材;與J. H. Hamilton合著的《現(xiàn)代原子與原子核物理》一書,1996年由美國McGraw-Hill公司出版。
緒論
第一章 原子核的基本性質(zhì)和構(gòu)成
§1.1 原子的核式結(jié)構(gòu)模型
原子的中心——原子核 中子的發(fā)現(xiàn) 核素圖
§1.2 原子核的電荷、質(zhì)量和半徑
核半徑定義 核電荷和核物質(zhì)分布
§1.3 原子核的自旋、磁矩和電四極矩
核的自旋 原子核的磁矩 原子核的電四極矩
§1.4 液滴模型和結(jié)合能
原子核的結(jié)合能 液滴模型和質(zhì)量(或結(jié)合能)半經(jīng)驗公式
§1.5 核力的主要性質(zhì)
核力的主要性質(zhì) 核力的介子理論 核力的夸克模型
第二章 放射性和核衰變
§2.1 放射性的發(fā)現(xiàn)及原子核衰變形式
§2.2 原子核衰變的基本規(guī)律
指數(shù)衰變律 半衰期和平均壽命 放射性強(qiáng)度 半衰期測量 級聯(lián)衰變規(guī)律
久期平衡 暫時平衡 人工放射性核素生產(chǎn)
§2.3 α衰變
α衰變的能量條件 結(jié)合能和α衰變能 衰變的機(jī)制和半衰期
α衰變能與核能級圖 α衰變分支比和分衰變常量 附注
§2.4 β衰變
β衰變的能量條件 β衰變連續(xù)譜和中微子假說 中微子存在的實驗證明
有關(guān)中微子早年實驗簡史 附注
§2.5 γ衰變
一般性質(zhì) 內(nèi)轉(zhuǎn)換電子 同質(zhì)異能躍遷
第三章 原子核反應(yīng)
§3.1 核反應(yīng)概述
幾個著名的核反應(yīng) 核反應(yīng)分類 反應(yīng)道和守恒定律
§3.2 Q方程及其應(yīng)用
反應(yīng)能 Q方程 Q方程應(yīng)用舉例
§3.3 核反應(yīng)截面與產(chǎn)額
核反應(yīng)截面 核反應(yīng)產(chǎn)額 微分截面、分截面和總截面
§3.4 核裂變和核聚變
核裂變 核聚變
第四章 核輻射與物質(zhì)的相互作用
§4.1 帶電粒子與物質(zhì)的相互作用
重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用 重離子與物質(zhì)的相互作用
輕帶電粒子與物質(zhì)的相互作用
§4.2 γ射線與物質(zhì)的相互作用
光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng) 電子對效應(yīng) γ射線的衰減與吸收
γ射線與物質(zhì)相互作用小結(jié)
§4.3 中子與物質(zhì)的相互作用
中子的散射 中子的俘獲 中子與物質(zhì)相互作用小結(jié)
第五章 核輻射的探測及測量與防護(hù)
§5.1 核輻射的探測
利用電離效應(yīng)的探測器 利用發(fā)光效應(yīng)的探測器 利用熱效應(yīng)的探測器
利用徑跡進(jìn)行探測的探測器 位置靈敏探測器 中子探測器
核輻射探測器的典型應(yīng)用:反應(yīng)堆中子探測器 核輻射探測器小結(jié)
§5.2 核輻射參量的測量
計數(shù)系統(tǒng) 能譜測量系統(tǒng) 時間測量系統(tǒng)
整體化數(shù)字譜儀 核輻射參量測量小結(jié)
§5.3 核輻射劑量學(xué)與防護(hù)
輻射防護(hù)常用的量及單位 外照射劑量計算與防護(hù) 內(nèi)照射的監(jiān)測與防護(hù)
§5.4 空氣中的放射性核素監(jiān)測
空氣中氡濃度的測量 空氣中131I、137Cs的測量
第六章 帶電粒子加速器
§6.1 帶電粒子加速器簡介
帶電粒子加速器發(fā)展簡史 帶電粒子加速器的分類及基本組成
帶電粒子的產(chǎn)生——電子槍和離子源
§6.2 高壓型加速器.
倍壓加速器 靜電加速器 串列式靜電加速器
§6.3 諧振型加速器
回旋加速器 自動穩(wěn)相準(zhǔn)共振加速器 環(huán)形準(zhǔn)共振加速器 直線型準(zhǔn)共振加速器
§6.4 重離子加速器.
ECR離子源 電子束離子源(EBIS)
§6.5 電子束離子阱裝置(EBIT)
高電荷態(tài)離子(HCI) 實驗室獲得HCI的方法
電子束離子阱裝置 EBIT中HCI的研究與應(yīng)用
第七章 同步輻射及其應(yīng)用
§7.1 同步輻射
基本原理 同步輻射裝置:電子儲存環(huán) 同步輻射裝置:光束線、實驗站
§7.2 同步輻射應(yīng)用研究
方法概述 同步輻射X熒光分析技術(shù)(SXRF) X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)
在生命科學(xué)研究中的應(yīng)用 同步輻射的工業(yè)應(yīng)用
§7.3 上海光源及束線站
上海光源簡介 線站介紹 上海光源的前景
第八章 原子能的利用
§8.1 裂變反應(yīng)堆
核反應(yīng)堆物理 反應(yīng)性的變化與控制 壓水堆核電廠 核反應(yīng)堆安全問題
§8.2 新型核反應(yīng)堆
華龍一號 AP1000先進(jìn)壓水堆 高溫氣冷堆 快中子增殖堆 釷基熔鹽堆
§8.3 受控?zé)岷司圩儯捍偶s束核聚變
基本概念 磁約束核聚變
§8.4 受控?zé)岷司圩儯簯T性約束核聚變
慣性約束核聚變的基本原理 慣性約束聚變的發(fā)展
激光驅(qū)動慣性聚變的物理過程及技術(shù)難點 直接驅(qū)動和間接驅(qū)動
三種聚變點火方式 美國國家點火裝置(NIF) 激光聚變在中國
§8.5 核武器
歷史背景 原子彈 氫彈 核威力 其他核武器
第九章 核技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
§9.1 放射性藥物
放射性藥物的特點 放射性藥物的分類 放射性核素的制備和保存
§9.2 放射性核素示蹤技術(shù)
放射性核素示蹤技術(shù)的基本原理 放射性核素示蹤技術(shù)的特點
核醫(yī)學(xué)中的體外示蹤技術(shù) 放射性核素顯像
放射性核素示蹤技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用
§9.3 計算機(jī)斷層成像(CT)
計算機(jī)斷層成像的原理 CT圖像重建 醫(yī)用X-CT的構(gòu)成
醫(yī)用X-CT的掃描方式
§9.4 單光子發(fā)射型計算機(jī)斷層成像儀(SPECT)
γ光子探測器 γ照相機(jī) γ照相機(jī)中的準(zhǔn)直器
SPECT SPECT數(shù)據(jù)采集與圖像重建
§9.5 正電子發(fā)射型計算機(jī)斷層成像儀(PET)
PET成像的物理基礎(chǔ) PET的探測器 PET的電子準(zhǔn)直 PET/CT
PET成像中的飛行時間技術(shù)
§9.6 磁共振成像(MRI)
原子核的自旋與磁矩 靜磁場中的磁性核 磁共振 弛豫過程
自由感應(yīng)衰減與信號檢測 磁共振成像設(shè)備
§9.7 放射治療及質(zhì)子治療
放射性核素治療 X刀、γ刀及電子束治療 質(zhì)子治療的物理性能
質(zhì)子治療的工作原理 質(zhì)子治療的裝置 結(jié)束語
第十章 核分析技術(shù)
§10.1 質(zhì)子激發(fā)X射線熒光分析
基本原理 外束PIXE技術(shù) PIXE定量分析方法 PIXE應(yīng)用實例
§10.2 盧瑟福背散射分析
盧瑟福背散射(RBS)分析原理 盧瑟福背散射(RBS)分析的應(yīng)用
§10.3 彈性反沖分析
彈性反沖分析原理 彈性反沖分析的應(yīng)用
§10.4 穆斯堡爾譜學(xué)
穆斯堡爾效應(yīng) 超精細(xì)相互作用 穆斯堡爾譜學(xué)的應(yīng)用
§10.5 中子活化分析
中子活化分析基本原理 中子活化分析的特點 中子活化分析的應(yīng)用
§10.6 帶電粒子核反應(yīng)分析
帶電粒子核反應(yīng)瞬發(fā)輻射分析的原理 共振核反應(yīng)分析 核反應(yīng)分析的應(yīng)用
§10.7 14C斷代技術(shù)
14C斷代的原理 加速器質(zhì)譜的應(yīng)用舉例
第十一章 核微探針技術(shù)及其應(yīng)用
§11.1 核微探針介紹
核微探針的實現(xiàn) 與其他顯微鏡比較 復(fù)旦核微探針系統(tǒng)
§11.2 分析應(yīng)用
雷奈鍶鹽對骨質(zhì)疏松癥的療效 激光慣性約束聚變(ICF)靶丸的研究
ICF靶丸內(nèi)氫及其同位素的分布 半導(dǎo)體性能評價
§11.3 質(zhì)子束刻蝕
質(zhì)子束刻蝕技術(shù)概述 應(yīng)用
§11.4 單粒子微束技術(shù)及應(yīng)用
技術(shù)原理 基于單粒子微束的生物醫(yī)學(xué)研究 復(fù)旦大學(xué)單粒子微束
習(xí)題與思考題
附錄1 部分核素表
附錄2 常用物理常量表
附錄3 物質(zhì)密度
附錄4 10的冪詞頭
附錄5 人名表
附錄6 名詞索引
附錄7 參考答案
元素周期表