原子与原子核能

1、上海交通大学 2010年 原子核 中子 质子 电子 (电子云) 电子 (电子云) + + + 原子 原子的尺寸：10-10m原子核的尺寸：10-15m 电子 质子 中子 原子核 132 质量数 质子数 中子数=质量数-质子数 核素 ：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素 核素是原子核的一种统称 同 位 素 同一个元素家族，带有不同的中 子数，就是同位素。 同位素具有相同的化学特性，但 可能有不同的物理特性 同位素中有的会放出射线，称为 放射性同位素或放射性核素，其 余叫做稳定同位素 1H2H3H 氘氚 235U238U233U 132 2D3D 电子电子 m me e = 9.1 = 9.1

2、1010-31 -31 kg kg = 5.48 = 5.481010-4 -4 u = 0.511 MeV/c u = 0.511 MeV/c2 2 质子质子 m mp p = 1.007276 u = 938.256 MeV/c = 1.007276 u = 938.256 MeV/c2 2 中子中子 m mn n = 1.008665 u = 939.550 MeV/c = 1.008665 u = 939.550 MeV/c2 2 原子核质量原子核质量 = = 原子质量原子质量 全部电子的质量全部电子的质量 M MN N(Z,A) = M(Z,A) = Ma a(Z,A) Z m(Z,

3、A) Z me e 忽略了电子的结合能忽略了电子的结合能 （ eV eV 量级）量级） 原子的质量可以用质谱计精确测量原子的质量可以用质谱计精确测量( (有表可查有表可查) ) 原子核质量可以精确原子核质量可以精确确确定定 1.0086651.008665 0 0 n n中中 子子 1.0072761.007276 +1 +1 p p质质 子子 0 0 0 0 5.4865.4861010-4 -4 1 1 e e 4.002794.00279 +2 +2 4 4He He 质质 量量 ( u )( u ) 电荷电荷 （e)e) 符号符号种类种类 原子核自发地放射各种射线自发地放射各种射线的现

4、象 放射性放射性 主要射线种类主要射线种类 衰变 衰变 衰变 例如，核素X的衰变用下式表示 上式中Y为新产生的核素。 4 2 4-A 2-Z A Z HeYX 产生新核素 + + + + + + + + + 从母核中射出 的4He原子核 粒子得到大部分衰变能 238U4He + 234Th 放射性母核! + + + + + + + + + 发生原因发生原因：母核中子或质子过多母核中子或质子过多 质子转变成中子，并且 带走一个单位的正电荷 中子转变成质子，并且 带走一个单位的负电荷 + 反中微子 中微子 中子 质子 + + + + + + + + + 中微子 光子 l从原子核中发射出光子 l常常

5、在 或 衰变后核子从激发态退 激时发生 l产生的射线能量不连续 l可以通过测量光子能量来鉴定核素种类 类别 衰变衰变 - - 衰变衰变 + + 衰变衰变 衰变衰变 1 指数衰减规律 N = N0e-t N0: （t = 0）时放射性原子 核的数目 N: 经过t时间后未发生衰变的 放射性原子核数目 :放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质 有关，与外界条件无关; 数值越大衰变越快 N dt dN 经过n个半衰期后，未发生衰变的放 射性原子核数目是原有的 1/2n 核素核素氮氮-16-16镭镭-224-224钚钚-239-239氚氚-3-3钴钴-60-60 半衰期半衰期7.37.3秒秒3.6

6、53.65天天2400024000年年12.412.4年年5.25.2年年 定义定义：放射性核素在单位时间(dt)内发生核衰变 的数目(dN) A=dN/dt 单位：单位： SI: Becquerel(Bq) 贝克勒尔贝克勒尔 1Bq=1s-1 居里居里 1Ci=3.71010Bq 实际上实际上1Ci就相当于就相当于1克镭与它的子系氡在平衡时克镭与它的子系氡在平衡时 的放射性的放射性 。 。 。 。原子原子。 n n 光电效应示意图 改良品种 X-rayX-ray X 射线射线 快中子（快中子（0.1Mev） 99.3%99.3% 瞬发中子瞬发中子 0.65%0.65% 缓发中子缓发中子 慢中

7、子慢中子 (0.1ev) 裂变后几分钟的时间 内逐渐释放出来 平均能量约在0.5兆电 子伏左右 质子 中子 粒子，氦原子核 原子核的尺寸：10-15m 原子的尺寸：10-10m 是一种特别强大的，是 目前知道的最强大的作 用力。它是核能的起源 核力与电荷无关，质子和质子、 中子和中子、质子和中子之间， 都存在相互吸引的核力 质量能量 比结合能最大 结合时质量亏损大 铀-235,平均每次裂 变放出2.42.4个中子， 同时放出大约200200兆兆 电子伏电子伏的能量 图2-7 液滴裂变机制示意图 原子核液滴分裂模型原子核液滴分裂模型 裂变临界能 核裂变是中子轰击 原子核，原子核接 受中子后变得不

8、稳不稳 定定，从而分裂 复合核从变形到分 裂需要能量，所需 的最小能量称为裂裂 变临界能量变临界能量 易裂变的 材料 外部入射的 自由中子 材料的裂变临界 能量小于入射中 子的能量 复合核复合核 图2-7 液滴裂变机制示意图 原子核液滴分裂模型原子核液滴分裂模型 裂变临界能 靶原子核 复合核的临界裂变能(Mev) 中子的结合能（Mev） 钍-2326.55.1 铀-2385.54.9 铀-2355.36.4 铀-2334.66.6 钚-2394.06.4 几种核素的临界裂变能 易 裂 变 材 料 天然的核燃料 可转换核素 可转换核素 天然铀天然铀 UPaThnTh 233 92 233 91

9、233 90 232 90 PuNpUnU 239 94 239 93 239 92 238 92 反应堆能实现控制 的决定性条件！ 快中子（快中子（0.1Mev） 99.3%99.3% 瞬发中子瞬发中子 0.65%0.65% 缓发中子缓发中子 慢中子慢中子 (0.1ev) 裂变后几分钟的时间 内逐渐释放出来 平均能量约在0.5兆 电子伏左右 nBaKrUnU2 139 56 95 36 236 92 235 92 裂变前裂变前质量质量(u)裂变后裂变后质量质量(u) 235U 235. .124 95Kr 94. .945 n1. .00867 139Ba 138. .955 2n2. .0

10、1734 总计总计236. .13267 235. .917 质量亏损质量亏损：236.132 67-235.9170.215（u） 比较比较 : 裂变能裂变能 n + 235U X + Y+ E 200 MeV 化学能化学能 C + O2 CO2 + E 4 ev 汽油与氧的爆炸，一个分子释放汽油与氧的爆炸，一个分子释放 40-50 eV TNT 爆炸自身释放能量，每个分子爆炸自身释放能量，每个分子 30 eV 如何才能使链 式反应不变成 原子弹似的在 瞬间倍增，而 是维持不变的 核反应速率？ 必须保证每次裂变放 出的中子只有一个用 于其它核素的裂变 办法是：设法用非裂 变方法将裂变放出的

11、多余中子抢走 一定要维持 一定量的中一定量的中 子数子数，才能 保证链式反 应延续 中子的产生 其它材料 中子的吸收 结构材料 裂变材料 临界体临界体 积积 核电站主控室 氘氘 氚氚 氦氦 中子中子 比结合能最大 结合时质量亏损大 1 0 4 2 3 1 2 1 nHeHH nHeHH 4 2 3 1 2 1 分子气体 原子气体 部分等离子气体 温度升高 完全等离子气体 10万度 10千度 只有使用更大的力才能使两者 互相接近 库仑力 只有当两个原子核相互 接近达到约万亿分之三 毫米时核力核力才能起作用， 氢的各种同位素的质子 数最少，所以互相间静 电斥力最小最小，在人工的 条件下最容易聚变最容易聚变。 磁瓶或磁笼磁瓶或磁笼 利用激光使氘氚小球聚变， 相当于引爆了一个微型氢弹微型氢弹 为了使激光加热靶丸产生聚 变的能量达到可以实用的规 模，必须使激光的能量达到 几千万到几十亿焦耳几千万到几十亿焦耳。要想 得到如此大的激光能量，是 难以想象的。因此激光聚变 虽然是可行的，却使科学家 们望而生畏 惯性约束惯性约束 聚爆理论聚爆理论 为使激光聚变达到点火条件点火条件，