自然科学概论讲义2.doc

教案四课程名称：现代科学技术概论 总学时：32 性质：公基 教学辅助：多媒体课件核子反应与核能利用授课内容：第4章、核能利用 课时：2 班级：全校文、体、美、医、管理、旅游类班级 时间：06.9-12第四章 核子反应与核能利用教学目的：掌握核子反应的原理，了解核能利用的途径，理解受控核聚变的意义教学重点：核能的概念及应用、同位素发现的意义及用途。教学难点：核子反应的基本原理课时分配：一、核反应的重要发现0.5课时；二、核裂变与链式反应的实现0.5课时；三、核裂变与链式反应的应用0.5课时；四、受控核聚变取之不尽的清洁能源0.5课时；授课内容：核子反应与核能利用。原子核的大门既已打开，一系列新发现便随之而来，其中最重要的是发现了人工放射性和开辟了利用重核裂变和轻核聚变产生巨大能量的途径。强大的新能源核能（即原子结构发生变化时释放出的能量），也是自然界给予人类的恩惠，它将在人类开发自然，认识自然和改造自然中扮演重要角色，它将几乎彻底地解决人类未来百亿年的能源需要。那么，怎样才能把原子核中贮藏的巨大能量释放出来呢？一、核反应的重要发现1人工放射性同位素的发现与诺贝尔奖家族20世纪初的法国巴黎，有一所居里夫人亲手创办的原子物理研究所巴黎镭学院。第一次世界大战前后，在这里培养出数以百计的研究原子核和放射性的人才，其中有居里夫人的助手，后来成为其女婿的弗兰德列克约里奥。贝克勒耳和居里夫妇发现的放射性，只存在于铀、钍、钋、镭等天然的放射性元素中。而且，随着时间的推移，由于放射性衰变规律的作用，它们会不断变为其它元素，因而这些元素在自然界越来越少了。供人们研究和应用的天然放射性元素的来源，成了一个大问题。正当科学家们为此发愁的时候，约里奥夫妇解决了这个问题。2费米发现用慢中子更容易制造人工放射性人们在用粒子轰击重元素时发现，由于重元素所含的质子数较多，所带的正电荷也就较多。而粒子本身带两个单位正电荷，当它接近重核时要受到很大的静电斥力，很难击中重核，所以用粒子轰击重核的实验总是能以成功。中子被发现后不久，物理学家很快意识到，不带电荷、不受静电斥力的中子，也许很容易钻入带电的原子核内。为此，人们制造了能够产生中子的中子源，用所得的中子做炮弹去轰击各种原子核，看看能不能搞出点名堂来。其中，意大利物理学家费米在罗马做出了富有成效的工作。费米（1901-1954）是罗马一个铁路工人的儿子，21岁时就获得了物理学博士的学位。在罗马大学物理研究所工作期间，费米听说约里奥居里夫妇用粒子轰击一些金属，制造出人工放射性元素来，他也决定试试看。中子发现之后，费米觉得用中子来轰击，也许效果更好。他向意大利卫生局局长借了1克医疗用的镭，作为放射中子源，还自己动手做了一架盖革计数器。镭中子源能够持续不断地放出中子来，而测量受轰击后的元素发生了哪些变化时，也就很容易受到这些中子的干扰。为此，必须在轰击完成后，利用只有一分钟的间隙，把被轰击的元素试样迅速送到另一个房间进行测量。费米和他的助手就这样奔波往返，用中子把周期表上的元素，从头开始一个个轰击下来，竟然在短短的几个月，取得了了不起的成就。费米用中子共轰击了63种元素，得到了37种放射性同位素，由于这方面的成就而获得了1938年诺贝尔物理奖。3放射性同位素C14考古学家的时钟考古学家为了去考证远古的地球及宇宙的变迁，人类及生物的进化，社会和经济的发展等事件的准确年代，除了有一些文字史料可查询外，便要用到放射性同位素C14这一特殊的计时工具了。 C14原子的原子核内有6个质子和8个中子，比一般碳原子多出两个中子。它跟其他碳原子的化学性质完全相同，只是具有放射性。当它放出特殊射线后就变成了普通的氮原子，现在的科学仪器一般能够根据测出射线的多少去得知物体内含放射性原子的多少，这样，它测定C14原子的多少，便也是轻而易举的事了。 自然界中，C14原子是从哪里来的呢？地球在太空中运行了几十亿年，它一直受着宇宙射线的冲击。宇宙射线中的绝大部分是具有很高能量的质子，当它进入了地球的大气层后，经过复杂的变化，就会变成短暂存在的自由中子。这种自由中子，如果碰巧击中一个N14（即普通氮原子，它的原子核内有7个质子和7个中子）的原子核，就会变成一个新的原子核同时还产生一个质子。这个新的原子核里有6个质子和8个中子，这便是C14原子核的来历。 在一定的条件下C14原子经过一段时间，又会从原子核里释放出一个电子而变成氮原子。并且这电子带着较高的能量以射线的形式放出，这就是C14具有放射性的原因。 放射性元素都具有一种特殊的性质，像C14原子，如果有一万个C14原子，它们并不是同时或者杂乱无章的释放出射线，而是按一定的含量和一定的时间来进行的。科学家经过测定发现：一万个C14原子，要经过5730年，才有一半变成氮原子，那么剩下的五千个C14原子中，又要经过5730年才会有五千的一半，即两千五百个C14原子变成氮原子。依此类推，总是在5730年的时间内，C14原子的数目便减少其中的一半，因而科学上把“5730年”叫做C14的半衰期。 由于宇宙射线的冲击，大气中极少的氮原子变成C14原子，C14原子又跟氧结合，生成二氧化碳，这种二氧化碳跟普通的二氧化碳一样，同样被植物吸收了，通过光合作用变成淀粉等物质，然后植物又被动物当成食物吸收到体内，有些植物和动物又被人当成食物吸收到体内。因此，无论是植物、动物还是人的体内，都存在有C14原子。而且在活体内的含量百分比也是一定的。 人的体内包含有放射性元素C14，这个事实让人听起来似乎可怕，但自古以来就这样，谁也没有因此而得病，原因是一般物体中C14原子的数目太少了，它放出的射线总能量太小了，对人体丝毫无损。 科学家通过仪器测定出大气中的二氧化碳，平均每61012个二氧化碳分子中，只有一个分子是C14原子。同样任何活的生物，由于不断的吸收养料；进行新陈代谢，体内所含C14原子的数目，也是保持在总的碳原子数中1/(61012)的水平。 为了容易用仪器准确的测定C14原子的多少，人们又换算出每克碳在一分钟内平均可放出16个电子（粒子）。测定用的仪器是一种比较复杂的电子装置，它每接受到一个射线，便会发出一个响声，或是计数器跳一个数字，这样具体做法就简单了，如果拿几片新鲜的树叶做实验，可以把它干馏成碳，称出1克放到仪器上，它在每分钟内就会发出16次响声。 如果在一个古代人居住过的洞穴里发现了一块木炭，把它拿来洗净烘干，然后取1克放到上述仪器上，如果在每分钟内平均只能听到8次响声，那就能判定这块木碳是在5730年前由活的树木被人砍下后烧成碳的，由此可知那些古人在六千年前曾经在这个洞穴附近生活过。那棵活的树木从砍下的那一天起，它体内的C14原子就不再跟大气中的二氧化碳保持平衡了，而是逐渐按半衰期的速度减少，因而也就开始计时了。二、核裂变巨大的能量宝藏1. “铀x”是什么？当费米公布他发现了“第93号元素”的时候，德国著名放射化学家哈恩（1879-1968）与他的合作者奥地利物理学家迈特纳小姐也正在柏林从事类似的工作。他们重复了费米所做的实验。同时，法国物理学家约里奥居里夫妇在巴黎也进行着类似费米所做的实验。他们都发现被中子轰击过的铀，会变成一种新的元素。但是，他们都按照过去已知的核反应规律推断：“元素受到中子的轰击后，生成原子序数增加1的新元素”，同样错误地认为发现了第93号和94号元素。约里奥居里夫人也进行了这方面的实验，她做出来的结果是，“铀x”像镧而不像铼。铼是第75号元素，镧却是第57号元素；铼在周期表的第7行，而镧却在第3行，两者的化学性质相去甚远。所以当约里奥。居里夫人在一次国际物理学会议上报告有关“铀x”的鉴别工作时，遭到了迈特纳的尖锐批评，引起了一场不愉快的争论。双方都是权威，各执己见，相持不下。正当研究工作进入关键的时刻，德国占领了奥地利。迈特纳因出身于犹太家庭，所以在柏林她无法再呆下去了。哈恩托人到有关当局为迈特纳求情，可是无济于事，纳粹秘密警察勒令迈特纳限期离开德国。柏林方面的实验只好由物理学家斯特拉斯曼来充当哈恩的助手，继续进行。几个月以后（1938年），哈恩和斯特拉斯曼发现，在用慢中子轰击“铀x”时，得到了一种化学性质与镭非常相似的物质，起初他们以为是镭。而在巴黎，约里奥居里夫人在受到迈特纳的批评后，非但没有泄气，反而更深入地研究下去，1938年秋，在她丈夫的配合下，对“铀x”的性质作了一系列的精细的实验和分析，并且接连发表了两篇论文，证明了“铀x”不是铼。至于它究竟是什么元素？为什么会产生这种元素？她当时也解释不清楚。1938年12月的一天，当哈恩坐在他的书房里将实验结果写成论文的时候，他犹豫了好一阵，要知道他们以前也是这样嘲笑过约里奥居里夫人的。因此，哈恩和斯特拉斯曼一方面感到这是一个重要的新的事实，有必要尽快宣布出去，但一方面又十分犹豫不决，因此文章投稿付邮后甚至还想从邮箱里取出来。此时哈恩又想到了与他共事30年的迈特纳。他对这位助手非常信赖，因此哈恩就把他的实验结果连同他的疑问写信告诉了远在瑞典斯德哥尔摩避难的迈特纳，以征求这位有敏锐批判眼光的同事的意见。2发现重核裂变迈特纳接到哈恩信的时候，正好她的侄子、物理学家弗里施利用圣诞节休假来看望她。弗里施从1934年就流亡国外，在哥本哈根的玻尔研究所工作，当玻尔教授的学生。他们对哈恩的实验结果和提出的疑问展开了热烈的讨论，他们根据重核的特性、类比细胞的分裂，并从不久前玻尔提出的液滴模型受到启发，认为原子核像一滴水，由于核力作用范围只能到达原子核直径的几分之一区域，所以在重原子核里不少质子间的静电斥力有时有超过核力的机会。当一个外来中子闯入这个液滴（即重核）里来时，扰动的结果会使液滴（即原子核）发生剧烈的震荡，造成整个核可能开始变成椭圆形，这样，核力就更无法维持昔日把所有核子抱成一团的局面。一旦在椭圆的两端形成正电荷中心，静电斥力中心就会更加把核向两个相反方向排斥，愈排斥愈长，出现哑铃状，最后不可避免地破裂成两块质量大致相同的碎片。这与生物学细胞繁殖的分裂过程非常相似，因此他们根据一位生物学家的建议，称之为核“裂变”。3.链式反应的实现“链式反应是一种很常见的现象，比如一张纸的燃烧就是一种链式反应。你用火柴点燃了纸的一角，很快火就蔓延开去，火柴提供了纸开始燃烧所需的热量，一旦纸开始燃烧后，它就能依靠最初的燃烧发出的热量，提供继续燃烧所需要的热量，并把火焰散布开去。燃烧本身就能使燃烧的规模逐渐扩大。原子核链式反应中所发生的情况也正是这样。当哈恩的实验结果和迈特纳的理论传到美国时，在美国工作的费米一方面懊悔自己错过了发现重核裂变的机会，一方面又抓紧时机继续他的研究工作。他想，要获得巨大能量的关键在于使大量铀核在短时间内发生裂变，如果在裂变过程中同时有若干个中子也蜂涌而出，那么是否新的中子也能引起下一代更多的原子核的裂变呢？假使能这样一代比一代极快地“繁殖”下去，就会在一刹那时间的链式反应中“繁殖”几百代，费米注意到铀235分裂时不仅分为大致相同的两半，同时还放出中子，这些中子又有可能引起其它铀核分裂。假定一个中子使一个铀核分裂，从而放出两个中子，这两个中子可使两个铀核发生裂变（即两个中子产生两次裂变）并放出四个中子，这四个中子又能使四个铀核裂变，产生更多的中子，这样一变二，二变四，四变八，一环接一环地变化下去，铀核裂变就将自发地继续进行，形成了“链式反应”。 在链式反应中，第一个铀核裂变产生20亿电子伏的能量，释放的能量微乎其微，；在第二阶段则有两个铀核裂变，总共放出40亿电子伏的能量；第三阶段则放出80亿电子伏能量大约要进行1300多亿次裂变，放出的能量才能使1克水的温度升高10C，要进行914.9万次裂变，才能产生相当于1克标准煤燃烧发出的热。但是，1克铀235有5.6万万亿个原子，而两相邻阶段只相隔50万亿分之一秒，因此要是能够实现链式反应，一瞬间就会有千万个铀核分裂，它们几乎同时放出的能量将巨大无比，会形成强烈的爆炸。例如，一克铀裂变所产生的爆炸力，相当于二十吨TNT炸药的爆炸力。就在费米做出这些设想的同时，约里奥居里夫妇和流亡在美国的匈牙利籍物理学家西拉德也有类似的设想，他们通过各自的研究都独立地论证了实现链式反应的可能性，并且也都在1939年的春天发表了他们的研究成果。4.原子弹的产生链式反应的直接应用就是原子弹。原子弹又名核弹，裂变弹。其形状同普通的重磅炸弹差不多，而构造却完全不同。其主要由核装料（核燃料）、引爆装置、中子反应层、中子源和弹壳组成，核燃料是分成小块的高浓度裂变物质。原子弹先用高效炸药，将两块或多块处于临界状态的高浓度核燃料，在极短的时间内从两面或四面八方压缩到一起，达到瞬发的高度超临界状态。原子弹里没有中子慢化剂，链式反应中每一代中子的寿命可以短到一亿分之一秒内，传种接代的速度非常快，从而可以在核燃料来不及分散的百万分之一秒内，使大量的原子核发生裂变，释放出巨大能量，达到爆炸的目的。5核潜艇由于核燃料的能量非常集中，很小的一块铀235，就会放出巨大的能量，所以，很少重量的核燃料就可以实现长距离的航行和运行。而且由于燃料轻，占体积小，因而可以大大提高运载工具的有效的负载。用核反应堆作动力，核动力潜艇可以在没有氧气的海底正常运行，长期地在一定深度海底航行而不必浮于海面，便于隐蔽和对敌人实施突然袭击。核能与核技术在军事上的运用还有核动力航空母舰和核动力火箭。以核能为动力的航空母舰，可以长期在海洋游弋而不需靠岸补充燃料；以核能为动力的火箭则可以飞的更远，燃料与有效载荷的质量比更小。6核反应堆及核电站核能发电所需要的材料是高纯度的铀等放射性原料(元素)。自然界中的铀称为天然铀，有3种同位素：铀238，占99.7%；铀234，占0.06%。这三种同位素的核特性相差很大，只有铀235原子核才容易裂变。70年代初，我国地质学家侯德封教授等，断言世界上出现过铀235的天然链式反应，并认为各种裂变和衰变放出的核能，是地壳早期演化的动力，因此，过去的地球曾是一片核能世界。1972年，法国科学家在考察从加蓬共和国奥克洛矿区运来的矿石中，发现铀235的含量比正常的偏低，这引起了他们的注意，因为铀的分布含量是很恒定的，即使从月球上采回来的岩石样本的铀235含量也和地球上岩石的含量接近，因此他们进行了现场勘测。他们发现远在人类诞生前约18亿年前，由于大自然的巧妙安排，在非洲加蓬共和国境内的奥克洛矿区，曾出现过天然核反应堆，至少有6座反应堆，断断续续地运行了几十万年，释放出相当于两千多万吨煤燃烧放出的热量。核电站具有节约能源、不受交通条件限制、不受空气稀薄程度限制以及不污染环境等优点。核电是一种经济、清洁和安全的能源。一般发电站的综合成本要比核电站高出38%，法国的核电成本只是燃煤火电的52%。燃煤火电站会向大气排放大量化学污染物，而核电站却不排放任何化学污染。此外，核电站还可以产生新的裂变材料钚239，它是比铀235更好的核燃料，而且是制造高效力核武器的材料，也可用于核电池等用途。核电站已经在一些先进国家成为主要的能量来源之一，所产生的电能约占全世界发电总量的1/6，并且还在快速地增长。1995年时，全世界共有432座核电站在运转发电，还有100余座正在建设中。我国自行设计制造的第一座核电站泰山30万千瓦压水碓核电站已于1991年12月15日并网发电成功，它不仅是我国核电事业的重要里程碑，还标志着我国大陆无核电历史的结束，标志着我国已具备设计和制造核电站的能力。目前，由我们自行设计建造的广东的大窑湾核电站也已经正式并网发电。世界各国中，法国的核电站发展最快，有57座核电站，总装机容量为6200万千瓦，核电占发电总量的77.8%，今后我国还将架设数座核电站，到2010年核电总量将达到2000万千瓦。世界上的核电站到目前为止，只发生过两次放射性物质外泄事故，而且都是由于操作失误引起的。自1988年前苏联切尔诺贝利核电站事故后（见图5-8），世界各国已不再使用本身不安全的石墨堆，而且增加了安全壳保障措施，我国核电站采用的就是较为先进的压水碓，因此要比以前安全可靠。三、受控核聚变取之不尽的清洁能源1. 轻核聚变（热核反应）当两个或两个以上的较轻原子核如氢的两种同位素氘(D)和氚(T)，在极高的温度和极大的压力下非常靠近时，它们聚合在一起而形成一个较重的新原子核（如氦，）同时释放出巨大的能量，这就是“轻核聚变”。因为这种反应必须在极高的温度下（15亿或107K以上）才会发生，所以也叫热核反应。2.热核反应的应用与裂变反应相比较，热核反应除了原料来源极端丰富外，还具有如下几个独特的优点：在热核反应中所释放的能量比核裂变大得多，一公斤氘氚混合物聚变时所产生的能量大约相当于1.16万吨标准煤燃烧时所释放的热量；热核反应之后最后生成物是粒了与中子，其放射性少，放射性寿命短，比裂变过程要干净得多；从热核反应中得到大量中子,它们可以用来生产核武器中的重要原料“钚”。既然核聚变所释放的能量比核裂变大得多，自然人们会想到如何利用核聚变能的问题。由于参与聚变的原子核带有正电荷，它们之间的静电排斥力很强，只有我们使两个粒子或其中的一个粒子具有很高的速度（即具有很高的温度），才能克服静电斥力使核靠近而发生数量可观的核反应，这速度据计算，差不多需要每秒几百公里至一千公里，怎样才能获