核裂变、核聚

1、核裂变核裂变核核反反应应吸收能量吸收能量放出能量核子结合成原子核核子结合成原子核有些重核分裂成中等质量的核有些重核分裂成中等质量的核有些轻核结合成中等质量的核有些轻核结合成中等质量的核OZABCDEFFe核子平均质量核子平均质量OFe平均结合能平均结合能DEFABCz一、重核裂变一、重核裂变19381938年底，德国物理学年底，德国物理学哈恩哈恩和他的助手和他的助手斯特拉斯特拉斯曼斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现，生成物在用中子轰击铀核的实验中发现，生成物中有原子序数为中有原子序数为5656的元素钡。的元素钡。奥地利物理学家奥地利物理学家迈特纳迈特纳和和弗里施弗里施对此做出了解对此做出了解释：

2、铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不释：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。多的碎块。弗里斯弗里斯把这类核反应定名为把这类核反应定名为核裂变核裂变。1 1、核裂变、核裂变（1）发现）发现重核分裂成较轻的核的反应叫做重核分裂成较轻的核的反应叫做核裂核裂变变一一.重核裂变重核裂变1.核裂变核裂变裂变裂变铀核的裂变铀核的裂变U23592n10+Ba14156Kr9236+n310n2nU105983391451023592 SrXe 235113690192054380U+ nXe+Sr+10 n 铀核裂变的产物是多样的。一种典型的裂变是：铀核裂变的产物是多样的。一种典型的裂变是：产物不唯

3、一产物不唯一我国科学家我国科学家钱三强钱三强、何泽慧何泽慧夫夫妇于妇于1947年在实验中观察到铀年在实验中观察到铀核也可能分裂为核也可能分裂为三部分三部分或者或者四四部分部分，其概率大约是分裂为两，其概率大约是分裂为两部分的概率的部分的概率的千分之三千分之三kgmu27103139.390kgmn27106749. 1kgmBa27100016.234kgmkr27106047.152已知铀核裂变的反应：已知铀核裂变的反应：U23592n10+Ba14156Kr9236+n310求：（求：（1）该核反应释放的能量）该核反应释放的能量 （2）平均每个核子释放的能量）平均每个核子释放的能量;-27

4、Um = 390.3139 10kg-27nm = 1.674910kg;-27Bam=234.0016 10kg-27krm= 152.604710kg 235114192192056360U+ nBa+Kr+3 n 2E = mc= 201MeV平均每个核子释放的能量？平均每个核子释放的能量？nXeSrUn1013954953823592102已知 、 、 、 的质量分别是235.0439u 、 93.9154u 、 138.9178u 、 1.0087u求一个铀核裂变时放出的能量（1u相当于931.5MeV)U23592Sr9538Xe13954n10)0087. 129178.1389

5、154.93()0439.2350087. 1 (uuuuumu2020. 1MeVMeVE7 .11195 .9312020. 1解:放出的能量已知 、 、 、 的质量分别是235.0439u 、140.9139u 、 91.8973u 、 1.0087u求一个铀核裂变时放出的能量（1u相当于931.5MeV)U23592Ba14156Kr9236n10nKrBaUn1092361415623592103)0087. 138973.919139.140()0439.2350087. 1 (uuuuumu2153. 0MeVMeVE6 .2005 .9312153. 0解:放出的能量2000t

6、2106kg煤煤1kg铀铀2351kg1kg铀全部裂变，它放出的能量超过铀全部裂变，它放出的能量超过20002000t t优质煤完全燃烧时释放的能量优质煤完全燃烧时释放的能量裂变的特点：裂变的特点：1、裂变过程中能放出巨大的能量（、裂变过程中能放出巨大的能量（200MeV）2、裂变的同时能放出、裂变的同时能放出2到到3个（或更多）中子个（或更多）中子3、裂变的产物不是唯一的、裂变的产物不是唯一的链式反应nKrBan1089361445610235923U由裂变重核裂变产生的中子使反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应3 3、链式反应、链式反应链式反应的条件链式反应的条件：（以下条件

7、满足一个即可）：（以下条件满足一个即可）1 1、裂变物质的体积、裂变物质的体积大于大于临界体积临界体积。2 2、裂变物质的质量、裂变物质的质量大于大于临界质量临界质量。原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块通过时，就有可能碰不到铀块不够大，中子在铀块通过时，就有可能碰不到铀核而跑到铀块外面去，链式反应不能继续，只有铀核而跑到铀块外面去，链式反应不能继续，只有当铀块足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率当铀块足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个铀核，使链式反应继续进行下去，能够发打中某个铀核，使链式反应继续进行下去

8、，能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积临界体积。相应的质量叫做相应的质量叫做临界质量临界质量。重核的裂变能够自发的进行吗？重核的裂变能够自发的进行吗？35种种元元素素的的200多种多种位素位素同同发生链式反应发生链式反应爆爆炸炸 裂变反应堆：它是能维持和控制核裂变的装置它包含：堆芯、中子反射层、控制系统和防护层1、堆芯：U235燃料棒：浓缩铀（丰度为燃料棒：浓缩铀（丰度为90%的的 ）减速剂：重水或石墨。作用让快中子变为慢中子减速剂：重水或石墨。作用让快中子变为慢中子冷却剂：水等冷却剂：水等2、控制棒：镉或硼钢等。 作用是吸收慢中子，以控制链式反应

9、的速度内内爆爆式式原原子子弹弹枪枪式式原原子子弹弹原子弹原子弹利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸。 在山田须磨子（一位当年的爆炸目击在山田须磨子（一位当年的爆炸目击者）的一幅画：在遥远的广岛上空，者）的一幅画：在遥远的广岛上空，原子弹爆炸后发出彩虹一般绚丽的光原子弹爆炸后发出彩虹一般绚丽的光芒。芒。 中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图原子弹之父原子弹之父奥本海默奥本海默在在核爆观测站里感到十分核爆观测站里感到十分震惊，他想起了印度一震惊，他想起了印度一首古诗首古诗漫天奇光异彩漫天奇光异彩有如圣灵逞威有如圣灵逞威只有一千个太阳只

10、有一千个太阳才能与其争辉才能与其争辉我是死神我是死神我是世界的毁灭者我是世界的毁灭者核聚变核聚变22311120H + HHe+ n23411120H + HHe+ nDTnm=m +m -(m +m )= 0.018884u2E = mc=17.59MeV23411120H +HHe +n= 0.01884931.5MeV17.6= 3.52+ 32MeV201235+1太阳太阳是一个巨大的是一个巨大的热核反应堆。热核反应堆。 热核反应在宇宙中时时刻刻地进行热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达着，太阳和很多恒星的内部温度高达10107 7 K K以上，因而在那里进行

11、着激烈的热核反以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。应，不断向外界释放着巨大的能量。太太阳每秒释放的能量约为阳每秒释放的能量约为3.83.810102626 J J，地，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在在“核燃烧核燃烧”的过程中的过程中“体重体重”不断减不断减轻。它每秒有亿吨原子核参与碰撞，轻。它每秒有亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是转化为能量的物质是400400万吨。科学家估万吨。科学家估计，太阳的这种计，太阳的这种“核燃烧核燃烧”还能维持还能维持9090亿亿 100100亿年。当然，与人类历史相比，亿年。当然，与人类

12、历史相比，这个时间很长很长！这个时间很长很长！ 太太阳阳的中心的中心发生发生核聚核聚变变，放出巨大放出巨大能量，太能量，太阳阳；这个这个天然的的核聚天然的的核聚变过变过程已经发生程已经发生了好了好几几十十亿亿年年磁约束磁约束 带电粒子运动时在均匀带电粒子运动时在均匀磁场中会洛伦兹力的磁场中会洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。加反应的物质。4.4.实现核聚变的实现核聚变的难点难点：惯性约束惯性约束 由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下

13、，可性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤挤”在一起发生反应。在一起发生反应。23411120H + HHe+ n（1 1）轻核聚变产能）轻核聚变产能效率高效率高1.1.聚变与裂变相比的聚变与裂变相比的优点优点：（2 2）地球上聚变燃料的）地球上聚变燃料的储量丰富储量丰富（3 3）轻核聚变）轻核聚变更安全、清洁更安全、清洁（4 4）常见的聚变反应平均每个核子放出常见的聚变反应平均每个核子放出的能量约的能量约3.3MeV3.3MeV，而裂变时平均每个核子释放的能量约为，而裂变时平均每个核子释放的能

14、量约为1MeV1MeV。 1L海水中大约有海水中大约有0.03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧燃烧300L汽油汽油,轻核聚变是能源危机的终结者。轻核聚变是能源危机的终结者。 实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。反应就自动终止了。 氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的

15、放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。的数量少，容易处理。 核能的利用与环境保护核能的利用与环境保护核电站秦山核电站秦山核电站利用可控链式反应释利用可控链式反应释放出能量发电。核心放出能量发电。核心设备是设备是核反应堆核反应堆。思考：在电站工作过程中，能是如何转化的？思考：在电站工作过程中，能是如何转化的？ 核能核能内能内能机械能机械能电能电能 核电站的发电原理核电站的发电原理核电站放射性气态废物和液态废物的处理：核电站放射性气态废物和液态废物的处理：采取贮存衰变等方法进行稀释，再排放到指定采取贮存衰变等方法进行稀释，再排放到指定的区域。的区域。核电站固体废物的处理：核电站固体废物的处理：先在核电站内专用的废物库暂存，然后送到人先在核电站内专用的废物库暂存，然后送到人烟稀少、地质稳定、地下水位低又远离天然水烟稀少、地质稳定、地下水位低又远离天然水源的放置场永久贮存，一般要存放几百年。源的放置场永久贮存，一般要存放几百年。核反应堆的防护措施：核反应堆的防护措施：第一道屏障第一道屏障耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块可以把可以把98%98%以上的裂变产物滞留在芯块内。以