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235U238U233U1322D3D电子电子 m me e = 9.1= 9.11010-31-31 kg kg = 5.48 = 5.481010-4

2、 -4 u = 0.511 MeV/cu = 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,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）

3、 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

4、素。424-A2-ZAZHeYX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

5、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NdtdN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3.653.65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

6、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-rayX 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

7、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-233

8、4.66.6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UPaThnTh23392233912339023290PuNpUnU23994239932399223892 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nBaKrUnU21395695362369223592裂变前裂变前质量质量(u)裂变后裂变后质量质量(u)235U235. .12495Kr94. .94

9、5n1. .00867139Ba138. .955 2n2. .01734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

10、变办法是：设法用非裂变方法将裂变放出的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10423121nHeHHnHeHH423121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，并