电动力学的计算表明,一个电荷为e,质量为m,总能量为E,以接近真 空光速c的速度在半径为R的圆形轨道上运动的粒子,轫致辐射的功率 242 12ec112ecE 321- c224 P≈ 4πε03cRv222= 4πε3Rmc. 0 如果质子和电子以相同的能量作相同半径的圆周运动,由于质子的质量是电子 13 质量的1836.1527倍,电子辐射的能量要比质子大1.14×10倍. 尽管带电粒子作圆周运动时的轫致辐射在理论上早就有了预言,粗纤维测定仪但是一直 到1947年才在电子同步加速器的运动中被观察到,并因而称之为同步辐射. 高能物理的研究需要把带电粒子加速,来进行高能 物理实验.被加速的粒子主要是质子和电子,采用的设备是加速器.同步辐射 的存在使带电粒子在被加速的过程中又不断地丢失能量,阻碍了加速粒子能量 进一步的提高.这个效应在高能电子加速器上特别突出.
§4.1 11 X射线与同步辐射光源 75 到20世纪60年代,同步辐射开始受到重视.同步辐射是一种具有许多其 它光源所没有的优异特性的特殊的新光源. 同步辐射的特性: 1.光的强度大:同步辐射的总功率为 24 P= 12ecE24= e4EI. 28 4πε03Rmc2ε0mcR 对于电子的同步辐射光源,总功率的数值结果为 4 P=8 88.5ERI. 其中电子电流I以A为单位,电子能量E以GeV为单位,电子轨道半径R以 m为单位,总功率P以kW为单位. 大功率旋转靶X射线机的辐射功率为10~100W的量级.我国合肥同步 辐射加速器的电子能量为0.8GeV,曲率半径为2.2m,电流为0.3A,总功率 达到5kW.北京同步辐射装置的辐射总功率达到60kW. 2.频谱范围宽:同步辐射的频率谱是连续分布的,一般在波长从100 00nm 到0.1nm的范围.有一个特征波长 λ,波长在特征波长 λc附近的辐射通量较 c 强. 23 4πRmc λ= 3E. c 合肥同 1.空间尺度大.里德伯原子的半径可以由 2 rn=n×0.53? 来估计.n=20 00的里德伯原子的半径是正常氢原子半径的400 000倍. 2.电离能、相邻能级间隔和辐射能量都很小.里德伯原子的电离能可以 由 -2 Ip=n×13.6eV. 来估计.n=20 00的里德伯原子的电离能是0.0 00034eV,在室温下就极易电离. -8 3.平均寿命很长.普通原子的激发态寿命的量级一般在10s左右,里 3 德伯原子的平均寿命大约正比于n.因此,只要不和别的原子发生碰撞,里 德伯原子的平均寿命可以很长,可以到ms甚至s的量级. 奇特原子 奇特原子是原子中的电子被其它带单位负电荷的粒子所代替的原子.第一 个奇特原子是1948年,我国物理学家张文裕先生发现的,原子中的一个电子 - 被 μ子所代替. 代替电子的粒子有 μ子、π介子、K介子、反质子、Σ超子等.μ子 形成的奇特原子称为 μ原子,其它几种粒子都是强子,这些粒子形成的奇特 原子统称为强子原子.
奇特原子的结构是原子中有一个电子被带负电的粒子所代替,但因为 这个带负电的粒子并不是电子,它并不和其它电子一起遵守泡利原理,它 可以跃迁到最低的能级态上去.处于基态的电子与原子核的平均距离与电 子的质量成反比.由于这个带负电的粒子的质量远比电子重,它处基态时 与原子核的平均距离远比电子的要小.因此,奇特原子的结构图像是:在 原子核外近处有一个带负电的粒子在运动,再外面是正常的电子作壳层运 动. 奇特原子是不稳定的,寿命都很短.这些带负电的粒子中除了反质子 外都是不稳定的,寿命很短,它们在组成奇特原子后就可能会衰变而消 失.另外,这些带负电的粒子在奇特原子中与原子核的平均距离很近,带 负电的强子很容易被原子核俘获而发生强相互作用而消失.反质子虽然是 稳定的,但反质子和质子组成的奇特原子 ———质子偶素,却因为反质子和 质子的湮没而寿命很短. 80 第四章 原子分子世界 寿命最长的奇特原子是 μ原子,它的平均寿命是2.197ms,μ子与原 子核的平均距离小于0.00256nm.μ子不是强子,它与原子核之间没有 强相互作用,不会被原子核俘获,它的平均寿命是由它本身的衰变所带来 的. 20世纪50年代末期时,国际上粒子物理学界开展研究,探索是否有可能 利用 μ原子做触媒来实现冷核聚变.由核物理的研究已经知道,两个轻的原 子核相碰撞时可以产生核反应而聚合成一个较大的原子核,同时放出大量的能 量,这种原子核反应称为聚变.需要使两个轻的原子核接近到足够近,才能实 7 现核聚变反应,只有把轻的原子加热到2×10K以上时,原子的热运动才能 使轻的核接近并且发生聚变反应. 考虑由两个重氢(即氘)原子组成的重氢分子离子,但这两个氘核之外的 电子被换成 μ子,从而形成一个 μ氘分子离子.由于 μ子比电子重207倍, 这个 μ氘分子离子中两个氘核之间的平均距离将是0.00358?,这就大大增加 - 它们发生聚变反应的概率.如果它们发生了聚变反应,相应的 μ子又可以去 和别的氘核再去形成新的 μ氘分子离子。这样 μ子实际上起了聚变反应催化 剂的作用。μ子在衰变以前可以不断地进行核聚变的催化,这样并不要很高的 温度就可以持续进行核聚变反应,即冷核聚变.问题在于形成一个 μ氘分子 离子后平均经过多少时间会发生核聚变反应,这也就能估计出 μ子在衰变前 可以作为催化剂促成多少次核聚变.如果这些次核聚变反映所放出的能量超过 产生 质量数A=64代入,可以估算两个参数之差为 0.197327 Ri(1)-Re(1)= 0.139×4fm≈0.35 55fm. nm 这正是实验定出的两个参数之差. 因此,一般说来,原子核中物质分布半径可以表示为:
1 R(A)=R(1)A3, R(1)=1.2fm. 综合从很轻到很重的各种原子核的体积值,得到原子核的体积约等于质量 3 数乘7.24fm.原子核的粒子数密度大体上是个常数,每个粒子,不论是质子 3 还是中子都平均占体积7.24fm.相对原子质量越大,占的体积也越大. 不同原子核中相邻的质子或中子间的距离基本上相同,原子核的体积大体 上正比于组成原子核的质子和中子数的总和,也就是正比于原子核的质量 数A. 自由中子的质量比自由质子的质量重,但它们之间质量差值只相当于质子 质量值的0.13%,可以近似地看作相等.质子与中子的差别在于质子带电而 中子不带电,然而它们的强相互作用性质和行为相似,都是原子核的组成粒 子.这表明质子和中子可以看作是同一种粒子的不同带电状态,质子和中子统 称为核子. 各种原子核的粒子数密度大体上是常量,这反映了各种原子核的质量密度 大体上也是个常量.这个现象一方面显示核子之间的相互作用是只在短距离内 才有的很强的吸引力,另一方面也显示核子都具有很强的不可入性. 3 单位体积的物质的质量称为该物质的密度.水的密度是1g/cm,铁的密 333 度是7.87g/cm,铜的密度是8.96g/cm,铂的密度是21.45g/cm.原子核 143 的密度是2.294×10g/cm,即2.294亿吨每立方厘米,它比重金属的密度还 要大13个数量级. 86 第五章 原子核、核能与核技术 原子核的结合能 原