基本相互作用的統(tǒng)一：原子能的利用

第十三講基本相互作用的統(tǒng)一，原子能的利用5.5.1奇妙的規(guī)范對稱性對稱性就是一個物體或物體系統(tǒng)在某種變換下具有的不變性。例如一個均勻的圓球繞其球心轉動任意角度后，它看上去與轉動前一樣，也就是說，該球具有轉動對稱性。很多建筑物，甚至人體均具有左右對稱性。

對稱性給自然界帶來了和諧與美5.5 相互作用的統(tǒng)一/對稱性與物理量的守恒定律有著一一對應的關系。例如：空間平移對稱性（空間是均勻的）動量守恒時間平移對稱性能量守恒空間轉動對稱性（空間各向同性）角動量守恒

電荷守恒對應著一種抽象的對稱性：規(guī)范變換的不變性。5.5 相互作用的統(tǒng)一5.5.2標準模型溫伯格-薩拉姆理論具有SU(2)×U(1)規(guī)范對稱性，展現(xiàn)了稱作自發(fā)對稱破缺的性質(zhì).強相互作用則由具有SU(3)規(guī)范對稱性的量子色動力學（QCD）描述兩個理論組合起來統(tǒng)一描述強、弱、電三種相互作用，稱為基本粒子的標準模型GUT,超弦理論（SuperstringTheory）粒子物理中的標準模型物質(zhì)由三代輕子與夸克構成:傳遞相互作用的粒子:

光子—電磁作用

W±

和Z—

弱作用

膠子

—強作用

量子色動力學(QCD)質(zhì)量起源

Higgs(剛找到？)電弱統(tǒng)一理論RichardFeynman

Sharedthe1965NobelPrizeinPhysicsforhiscontributionstothedevelopmentofQuantumElectrodynamics粒子物理中有待解決的基本問題

----及其與宇宙學的關系

1）尋找Higgs玻色子

LHC,Tevatron宇宙學==》質(zhì)量起源2)標準模型之外的新物理？超對稱，超空間LHC，ILC,muoncollider,…宇宙學==》暗物質(zhì)3)標準模型的檢驗

夸克模型,QCD,弱電統(tǒng)一理論…

宇宙學==》物質(zhì)的基本形態(tài)，宇宙的形成與演化4)CP破壞，CKM矩陣

B－工廠、BEPC、LHCB宇宙學==》反物質(zhì)

5）CP破壞，MNS矩陣，中微子

反應堆中微子，長基線中微子及中微子工廠,宇宙學==》暗物質(zhì)，反物質(zhì)，宇宙總質(zhì)量，宇宙大尺度結構高能量前沿高能量與高精度前沿高精度前沿中國為什么要研究高能物理

高能物理研究是基礎科學研究的根本之一物質(zhì)結構、宇宙起源與演化和生命起源及其本質(zhì)高能物理研究涉及國家安全和經(jīng)濟發(fā)展的關鍵技術加速器核探測技術與核電子學真空，微波，高頻，低溫，網(wǎng)絡，自控，。。。作為基礎科學研究提供了國際交流的平臺人才培養(yǎng)基地研究物質(zhì)結構，發(fā)展關鍵技術開拓國際交流，培養(yǎng)高級人才中國高能物理的發(fā)展參與國際大型高能物理實驗合作歐洲大型強子對撞機：LHC/ATLAS,CMS日本B-工廠：KEKB/BELLE地下與空間實驗：KamLAND,T2K,AMS,…國際未來直線對撞機：ILC基于國內(nèi)的高能物理實驗北京正負電子對撞機（BEPC）及北京譜儀實驗（BES）大亞灣中微子實驗羊八井國際宇宙觀測站硬X射線調(diào)制望遠鏡Acarefulbalanceofphysicsopportunities,financialresources,technologicalcapabilitiesandneeds,manpower,experience,…Sino-ItalianARGOexperiment(RPChall)Sino-JapaneseASγ

experiment(scintillationdetectorarray)Sino-ItalianARGOexperiment(partofRPCcarpet)ASγ,ARGO:Cosmic-rayexperiment~3TeV~300GeVASγ

scintillationdetector高能物理中長期規(guī)劃未來發(fā)展：新實驗，地下實驗室？BESII物理研究理論物理研究，核探測技術與電子學，。。。2005201020052010ILC國際合作

BESIII物理研究

BESIII建設ATLAS與CMS物理研究國際合作：ATLAS與CMS建設大亞灣實驗建設大亞灣實驗物理分析加速器物理未來發(fā)展：新加速器？羊八井宇宙線ARGO羊八井宇宙線觀測站HXMTHXMT數(shù)據(jù)分析未來發(fā)展：新實驗？北京正負電子對撞機

與

北京譜儀北京正負電子對撞機(BEPC)由電子直線注入器、儲存環(huán)、

北京譜儀（BES）和北京同步輻射裝置（BSRF）組成

84年動工，88年如期建成，并迅速達到設計指標。

BEPCIIStoragering:Largeangle,double-ringRFRFSRIPBeamenergy:1-2GeVLuminosity:1×1033cm-2s-1Optimumenergy:1.89GeVEnergyspread:5.16×10-4No.ofbunches:93Bunchlength:1.5cmTotalcurrent:0.91ASRmode:0.25A@2.5GeV儲存環(huán)調(diào)試速度國際罕見Oct.25,2007:accumulationofelectronbeams

Oct.31,2007:accumulationofpositronbeamsNov.18,2007:firste+e-collisionCollisionof500mA500mA漂移室：測量帶電粒子動量與徑跡3萬根絲，單絲位置分辨率120mm大亞灣中微子實驗物質(zhì)世界的最基本單元之一：中微子中微子是構成物質(zhì)世界的最基本單元之一：

弱作用的宇稱不守恒源于只有左旋中微子中微子與反中微子是否同一個粒子？中微子質(zhì)量極輕，不帶電荷，與物質(zhì)的相互作用十分微弱。因此極難探測，需要用體積龐大的探測器。粒子物理標準模型認為中微子質(zhì)量為零。中微子簡史1930泡利假設了中微子，以解決b衰變中能量不守恒問題1956Reines和Cowan發(fā)現(xiàn)中微子（1995年諾貝爾獎）1962Lederman等發(fā)現(xiàn)μ中微子（1988年諾貝爾獎）1957Pontecorvo提出中微子可以發(fā)生振蕩1968Davis發(fā)現(xiàn)太陽中微子丟失，中微子振蕩？

（2002年諾貝爾獎）1998超級神岡實驗證實大氣中微子丟失,中微子振蕩！

(2002年諾貝爾獎）2001SNO實驗證實丟失的太陽中微子變成了其它中微子2002KamLAND用反應堆實驗證實太陽中微子振蕩中微子振蕩開啟了粒子物理，天體物理與宇宙學研究的新窗口中微子振蕩1962年，因信仰共產(chǎn)主義而逃到前蘇聯(lián)的BrunoPontecorvo提出如果中微子質(zhì)量不嚴格為零，且中微子的質(zhì)量本征態(tài)與弱作用本征態(tài)不同，根據(jù)量子力學，不同的中微子之間可以相互轉換判斷中微子質(zhì)量是否為零的方法nenenmnm大亞灣核電站是世界上最理想地點功率高，2011年增加到17.4GW。周圍有山，便于建設地下實驗室以屏蔽宇宙線本底。宇宙線信號會與中微子訊號混淆，影響實驗結果。大亞灣的業(yè)主中國廣東核電集團積極支持這項實驗。實驗原理全同探測器遠近相對測量大的靶質(zhì)量本底屏蔽：地下，水屏蔽層(2.5米）實驗安排通過近點與遠點探測器進行相對測量，以消除與反應堆有關的系統(tǒng)誤差兩個近點與一個遠點探測器之間用隧道連接，共3000m事例率：~1200/day近點~350/day遠點本底：B/S~0.4%近點B/S~0.2%遠點嶺澳近點：2個探測模塊共40噸靶500m至嶺澳堆頂層巖石覆蓋:112m遠點:4個探測模塊共80噸靶1600m至嶺澳堆1900m至大亞灣堆頂層巖石覆蓋：350m大亞灣近點：2個探測模塊共40噸靶360m至嶺澳堆頂層巖石覆蓋:98m隧道入口8%slope0%slope0%slope0%slope施工隧道入口隧道總長度約3100m三個地下實驗大廳一個地下裝配大廳一個地下水處理大廳小結中國的高能物理經(jīng)過二十來年的發(fā)展，已在國際上占有重要地位Tau-Charm能區(qū)具有豐富的物理，已取得豐碩成果，隨著BEPC的改進，有望取得更大的成果。中微子物理是粒子物理未來發(fā)展的重要方向與熱點。大亞灣實驗以有限的投資，可使中國步入粒子物理研究的先進行列，取得極為重要的一流成果。未來二十年，我們一定會看到我國粒子物理研究步入世界先進行列5.6.1原子核的結合能原子核由質(zhì)子和中子組成實驗發(fā)現(xiàn)原子核的質(zhì)量并不簡單地歸結為所有質(zhì)子的質(zhì)量和中子的質(zhì)量之和，而是有微小的差異.5.6 原子能及其應用

原子核的結合能氘（D）是氫的同位素，在海水中100萬個氫原子中約有150個氘原子。氘核是核聚變反應的主要原料，它由一個質(zhì)子和一個中子組成，其結合能為：=（1.007825＋1.008665—2.014102）×931.5Mev=2.224Mev5.6.2原子能的可能釋放模式原子核衰變:某一原子核自發(fā)地演變成為另一種原子核并放出相應粒子的過程87.84年原子核裂變包含三種方式，一種是自發(fā)裂變:重原子核自發(fā)地碎裂成兩塊，并放出能量，5.6.2原子能的可能釋放模式中子誘發(fā)裂變:在中子作用下而引發(fā)的核裂變，并釋放出2到3個中子的過程.原子核碎裂:高能粒子轟擊到原子核上，將原子核擊成很多碎塊，并放出能量.5.6.2原子能的可能釋放模式原子核聚變:由輕原子核融合成質(zhì)量數(shù)較大的核并放出能量的過程.5.6.3

原子能的和平利用核反應的效率是化學反應的106—108倍，即1百萬到1億倍碳排放（carbonemissiont）:二氧化碳和其它溫室氣體的排放六種溫室氣體:二氧化碳，甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物(HFCS）、全氟化碳（PFCS）、六氟化硫（SF6）GWF（全球變暖因子）可換算這些氣體釋放熱量的能力將二氧化碳的全球變暖因子設為1，其他溫室氣體以此為標準單位來換算，例如甲烷的全球變暖因子是21，氧化氬氮是310，全氟碳化物的全球變暖因子在5000到14000之間世界二氧化碳排放量最高的五個國家(2009.12.08)中國

31億噸

美國

28億噸

印度

6.3億

俄羅斯4.7億噸,德國4.3億噸

經(jīng)濟發(fā)展與能源消耗緊密相關低碳經(jīng)濟需要低碳或無碳能源能源的比例:中國能源消耗的結構:清潔能源

水電(3963億度/

24975<16%,2004年)風能潮汐太陽能核電,裂變電站

未來能源的要求：

資源豐富

沒有溫室氣體排放

安全、環(huán)境友好

經(jīng)濟、高效

可控核反應一座百萬千瓦級的壓水堆核電站，一年僅需補充30噸核燃料，其中僅消耗1噸左右，同樣規(guī)模的熱電廠，要燃原煤250萬噸秦山核電站全景電站反應堆換料電站反應堆控制棒電站環(huán)境監(jiān)測FusionFirePowerstheSunCanwemakeFusionFireonearth?第一個過程是弱作用，反應幾率很低。

氘-氚反應：

D(氘)+T(氚)4He(氦)+n(中子)+17.6Mevn(中子)+6Li(鋰)4He(氦)+T(氚)+4.79Mev

氘-氘反應

D(氘)+D(氘)T(氚)+p(質(zhì)子)+4.04Mev

氘-氦反應：

D(氘)+3He(氦)4He(氦)+p(質(zhì)子)+18.14Mev

氫-硼反應

p(質(zhì)子)+11B(硼)3(4He)+18.6Mev典型核聚變過程地球上最容易實現(xiàn)的核聚變反應是：D(氘)+T(氚)He(氦)+n(中子)

n(中子)+Li(鋰)He(氦)+T(氚)實現(xiàn)上述反應的條件:溫度大于一億度；密度大于2.5x1020m-3能量約束時間大于1-2秒

~5x1021m-3keVs

核聚變能=17.6Mev+17.6Mev

氘氚核聚變反應的資源在地球上儲存量十分豐富:

氘（D）存在于海水中。地球上約有40萬億噸氘，一升海水里含有的氘完全實現(xiàn)核聚變反應，將釋放出相當于燃燒300升汽油所釋放出的能量，因此一旦實現(xiàn)受控熱核聚變海水將成為人類取之不盡用之不竭的新能源；關鍵是鋰的儲量(地球上鋰的儲量比氘少得多，約有2000多億噸

)，可用上萬年.中國鋰資源豐富(排名第二).

聚變反應沒有溫室氣體排放.核聚變能

沒有放射性廢物

氘-氚核聚變的產(chǎn)物是惰性氣體氦；氫的同位素氚(T)的壽命為12年，只具有短期放射性；

不會產(chǎn)生核爆炸(溫度下降,聚變反應立即停止),安全可靠,對環(huán)境友好

缺點是實現(xiàn)困難,前期投入核聚變能結論:

核聚變能既資源豐富且環(huán)境友好

（無放射性廢料、無二氧化碳排放，安全可靠）是人類可持續(xù)發(fā)展最理想的新能源！核聚變能

三種約束極高溫熱核聚變?nèi)剂系耐緩剑褐亓s束；慣性約束；磁約束；約束高溫等離子體的途徑TokamakNationalSphericalTorusExperiment(NSTX)

ASIPPEAST裝置已于2006年一月建成(EAST

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Aim-demonstrateintegratedphysicsandengineeringonthescaleofapowerstationKeyITERtechnologiesfabricatedandtestedbyindustry5.1B