物理学前沿第四章原子能及与平利用1

1、 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 1896年年,贝克勒尔发现铀盐的放射现象。贝克勒尔发现铀盐的放射现象。这是人类历史上第一次在实验室里观察到这是人类历史上第一次在实验室里观察到原子核现象，是核物理学的开端。原子核现象，是核物理学的开端。获获1903年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖A.H.贝克勒尔贝克勒尔（法）（法）1852-1908伦琴发现伦琴发现X射线后射线后,彭加勒彭加勒(法法)认为认为“X射线可能射线可能跟荧光属于同一机理跟荧光属于同一机理”,在他的建议下在他的建议下,贝克勒尔着贝克勒尔着手验证手验证,终于发现铀盐有预期效果终于发现铀盐有预期效果.

2、同时发现这种射同时发现这种射线跟荧光不一样线跟荧光不一样,不需要外来激发不需要外来激发.进一步的研究表进一步的研究表明这是有别于明这是有别于X射线的辐射射线的辐射,他称之为他称之为“铀辐射铀辐射”.贝克勒尔得到的第一张铀辐射照片贝克勒尔得到的第一张铀辐射照片 1.关于原子核的历史回顾关于原子核的历史回顾贝克勒尔是贝克勒尔是研究荧光和磷光现象的世家子弟，研究荧光和磷光现象的世家子弟，于于18921892年年担任巴黎自然历史博物馆教授担任巴黎自然历史博物馆教授 ,而此职位是他祖父和父亲曾而此职位是他祖父和父亲曾担任过的担任过的偶然？必然？偶然？必然？ 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平

3、利用原子能及和平利用 J.JJ.J汤姆逊，英，汤姆逊，英，1856-19401856-194018971897年年,J.J,J.J汤姆逊通过对阴汤姆逊通过对阴极射线的研究测定了电子的荷极射线的研究测定了电子的荷质比从而在实验上发现了电子质比从而在实验上发现了电子. .19251925年年,G.P,G.P汤姆逊证实电子的波动性汤姆逊证实电子的波动性. .与戴维逊同获与戴维逊同获19371937年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖. .J.J.汤姆孙曾师从瑞利汤姆孙曾师从瑞利,并于并于1884年（时年（时年年28岁）接替瑞利任卡文迪许实验室主任岁）接替瑞利任卡文迪许实验室主任（长达（长达35年），

4、经他培养的研究人员中有年），经他培养的研究人员中有7人获过诺贝尔奖人获过诺贝尔奖.获获1906年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖在在1919世纪末物理学的三大发现中，如果说世纪末物理学的三大发现中，如果说X X射线和放射性的发现具有某射线和放射性的发现具有某种偶然性种偶然性, , 那么，电子的发现却充分显示了科学发展的必由之路，它是那么，电子的发现却充分显示了科学发展的必由之路，它是许多人经过大量实验和理论研究，进行了长期的科学争论之后的产物。许多人经过大量实验和理论研究，进行了长期的科学争论之后的产物。比起前两件来，电子的发现更有意义，它打破了原子不可分的传统观念。比起前两件来，电子的发现

5、更有意义，它打破了原子不可分的传统观念。打开了通向原子物理学的大门。打开了通向原子物理学的大门。1.关于原子核的历史回顾关于原子核的历史回顾 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 3皮埃尔皮埃尔. .居里（法）（居里（法）（1859-19061859-1906）玛丽玛丽. .居里（法籍波兰）（居里（法籍波兰）（1867-19341867-1934）1897年年,居里夫妇发现放射居里夫妇发现放射性元素性元素 钋钋(Po)和镭和镭(Ra) 共同获共同获1903年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖贝克勒尔的发现引发了居里夫妇的兴贝克勒尔的发现引发了居里夫妇的兴趣趣.他们

6、发现有多种元素会自发辐射他们发现有多种元素会自发辐射,并着手寻找新的辐射元素并着手寻找新的辐射元素.1898年年7月月,他们发现沥青铀矿分离物的他们发现沥青铀矿分离物的放射性比同质量的铀强放射性比同质量的铀强400倍倍. 确证放射性确证放射性来自分离物内的一种微量元素来自分离物内的一种微量元素.最终找到了最终找到了特别强的放射性物质特别强的放射性物质.居里夫妇建议称之为居里夫妇建议称之为钋（钋（Polonium）,为的是纪念祖国波兰为的是纪念祖国波兰. 1.关于原子核的历史回顾关于原子核的历史回顾 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 4她们的女儿她们的女儿(18

7、97-1956)和女婿和女婿(1900-1958)因发现人工放射因发现人工放射性获性获1934年诺贝尔奖年诺贝尔奖.进一步的分离实验发现钡盐有更强的放射性进一步的分离实验发现钡盐有更强的放射性,认为还有第二种认为还有第二种放射性更强的物质放射性更强的物质,他们命名为镭他们命名为镭.最终得到放射性比铀强最终得到放射性比铀强10万倍万倍的镭的化合物结晶的镭的化合物结晶.后来他们用后来他们用4年时间从年时间从8吨矿渣中提取了吨矿渣中提取了0.1g纯镭盐用于实验纯镭盐用于实验.1902年测得镭的原子量为年测得镭的原子量为225,找到两根明亮的找到两根明亮的特征谱线特征谱线.至此至此,镭的存在得到公认镭

8、的存在得到公认.1.关于原子核的历史回顾关于原子核的历史回顾 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 5居里夫妇在工作中遭受了大剂量的辐射。居里夫人后来长期患恶性贫居里夫妇在工作中遭受了大剂量的辐射。居里夫人后来长期患恶性贫血症。弗列德利克血症。弗列德利克约里奥曾检验过她当年的实验记录本，发现全都严重约里奥曾检验过她当年的实验记录本，发现全都严重沾染了放射物。她当年用过的烹调书，沾染了放射物。她当年用过的烹调书，5050年后再检查，还有放射性。年后再检查，还有放射性。19341934年居里夫人在经过长期恶性贫血折磨后去世。她的女儿年居里夫人在经过长期恶性贫血折磨后去

9、世。她的女儿伊伦伊伦和女和女婿婿弗列德利克弗列德利克约里奥约里奥也因恶性贫血症相继于也因恶性贫血症相继于19561956年和年和19581958年去世。居里年去世。居里的一家有的一家有4 4人获诺贝尔物理奖，做出了巨大贡献，他们自己却被镭夺去了人获诺贝尔物理奖，做出了巨大贡献，他们自己却被镭夺去了宝贵的生命。宝贵的生命。1.关于原子核的历史回顾关于原子核的历史回顾 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 6卢瑟福卢瑟福(E.Rutherford(E.Rutherford）英英国物理学家，国物理学家，(1871-1937),(1871-1937),新西兰人新西兰人,1

10、908,1908年获得诺贝尔年获得诺贝尔奖。证实了奖。证实了射线为射线为, ,射线为电子射线为电子; ; 提出了原子的核提出了原子的核式模型式模型; ;首次实现人工核反应首次实现人工核反应; ;培养了培养了1010位诺贝尔奖获得者位诺贝尔奖获得者. .He2查德威克（查德威克（J.ChadwickJ.Chadwick）英国物理学家英国物理学家(1891-1974)(1891-1974)，卢，卢瑟福的助手。瑟福的助手。19351935年因发现了中年因发现了中子获得诺贝尔奖。中子的发现被子获得诺贝尔奖。中子的发现被认为是原子核物理的诞生。认为是原子核物理的诞生。1.关于原子核的历史回顾关于原子核的

11、历史回顾 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 7费米（费米（E.Fermi）意大利物理学家意大利物理学家(1901-1954)，1938年获得诺贝尔奖。发明了年获得诺贝尔奖。发明了热中子链式反应堆。热中子链式反应堆。丁肇中，丁肇中，(1936)与与 B.里克特分别发现里克特分别发现J、粒粒子，找到了美夸克存在的证据，子，找到了美夸克存在的证据，1976年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。1.关于原子核的历史回顾关于原子核的历史回顾 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 8 18961896：H.BecquerelH.Becquerel发现了

12、铀发现了铀(U)(U)放射现象放射现象; ; 1897 1897：居里夫妇发现钋：居里夫妇发现钋(Po)(Po)和镭和镭( (Ra);Ra); 1899 1899：卢卢瑟福发现瑟福发现 , , 射线；射线； 19001900：维拉德发现：维拉德发现射线射线; ; 1903 1903：卢卢瑟福证实瑟福证实射线为射线为 , ,射线为电子；射线为电子； 19111911：卢卢瑟福提出原子的核式模型；瑟福提出原子的核式模型； 19191919：卢卢瑟福首次实现人工核反应，发现了质子。瑟福首次实现人工核反应，发现了质子。 19321932：J.ChadwickJ.Chadwick发现了中子发现了中子;

13、; 1934 1934：F.&I.Joliot-CurieF.&I.Joliot-Curie发现人工放射性；发现人工放射性； 19391939：O.HahnO.Hahn等人发现重核裂变；等人发现重核裂变； 19391939：N.BohrN.Bohr等提出液滴模型等提出液滴模型; ; 1942 1942：E.FermiE.Fermi发明热中子链式反应堆；发明热中子链式反应堆； 19451945：在奥本海默在奥本海默(美美)领导下领导下,原子弹试爆成功；（广岛）原子弹试爆成功；（广岛） 19521952：在泰勒在泰勒(美籍匈牙利人美籍匈牙利人)领导下，领导下，氢弹试爆成功；氢弹试爆

14、成功； 19521952：前苏联建成第一个核电站：前苏联建成第一个核电站. .He421.关于原子核的历史回顾关于原子核的历史回顾 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 9 19581958：我国建成第一座重水型原子反应堆：我国建成第一座重水型原子反应堆; ; 1964 1964：我国第一颗原子弹试爆成功；：我国第一颗原子弹试爆成功； 19671967：我国第一颗氢弹试爆成功；我国第一颗氢弹试爆成功； 19691969：我国首次成功地下核实验；：我国首次成功地下核实验； 19841984：我国受控热核聚变实验装置顺利启动；：我国受控热核聚变实验装置顺利启动； 19

15、881988：北京正负电子对撞机首次对撞成功；：北京正负电子对撞机首次对撞成功； 19911991：秦山核电站发电成功：秦山核电站发电成功; ; 最早发现原子核一分为三的钱三强“两弹元勋”邓稼先1.关于原子核的历史回顾关于原子核的历史回顾 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 10cmcmcmcmcm161312871010101010 电电子子、夸夸克克：质质子子：原原子子核核：原原子子：分分子子： 原子核由质子和中子组成原子核由质子和中子组成,质子和中子由夸克质子和中子由夸克组成组成. 目前已经明确夸克有目前已经明确夸克有6种种,它们和电子等它们和电子等6种种

16、轻子被认为是物质最基本的组成单元轻子被认为是物质最基本的组成单元.核的线度只有原子的万分之一核的线度只有原子的万分之一,但质量却占原但质量却占原子质量的子质量的99%以上以上. 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 11原子核对原子性质起主要贡献的是核的质量和电荷原子核对原子性质起主要贡献的是核的质量和电荷。元素的物理、化学性质或光谱特性主要与核外电子有元素的物理、化学性质或光谱特性主要与核外电子有关，而放射性现象则归因于原子核。关，而放射性现象则归因于原子核。核外电子的行为对原子核的影响甚微核外电子的行为对原子核的影响甚微,可不予考虑。可不予考虑。同位素同位素

17、原子质量的原子质量的1/12C12kggu27231066. 112110022. 6121 原子核质量数原子核质量数A原子的质量都接近于一个整数原子的质量都接近于一个整数,这个整数称为这个整数称为核子核子中子和质子统称核子中子和质子统称核子 MeVumMeVumpn2796.938007277. 15731.939008665. 1610 原子核的质量一般可用质谱仪测定，其测量精度可达原子核的质量一般可用质谱仪测定，其测量精度可达2.原子核的组成原子核的组成 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 12核素及其标记核素及其标记元素元素:质子数相同的一类原子质子数相

18、同的一类原子.核素核素:具有相同质子数和相同具有相同质子数和相同中子数的一类原子核中子数的一类原子核.核素符号核素符号NAZXUU238235,eHH3221,A:质量数质量数(核子数核子数)Z:质子数质子数(原子序数原子序数)NA-Z:中子数中子数同位素同位素:Z相同但相同但N不同的核素不同的核素.同中子异位素同中子异位素:N相同但相同但Z不同的核素不同的核素.同量异位素同量异位素:A相同但相同但Z不同的核素不同的核素.KAr40194018,同质异能素同质异能素:A和和Z均相同但能量状态不同的核素均相同但能量状态不同的核素.CoCom6060,迄今为止发现的迄今为止发现的2000多个核素中

19、，有多个核素中，有300多个天然核素多个天然核素(280多个稳定核素，多个稳定核素，60多个放射性核素多个放射性核素)，其余，其余1600多个是自多个是自1934年以来人工合成的放射性核素。年以来人工合成的放射性核素。3.核素及其标记核素及其标记 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 13核素图核素图核素的稳定区：稳定核素几乎全落在核素的稳定区：稳定核素几乎全落在一条光滑曲线上或紧靠其两侧一条光滑曲线上或紧靠其两侧,此区域称核素的稳定区此区域称核素的稳定区.对于轻核对于轻核,这条曲线与直这条曲线与直线线NZ重合重合,当当N、Z增大至一定数值后增大至一定数值后,稳定

20、线逐渐向稳定线逐渐向 位于稳定线位于稳定线 NZ的方的方 上侧的为缺中子上侧的为缺中子向偏离向偏离. 核区核区,下侧为丰中子核区下侧为丰中子核区. 中子数和质子数过多或过少中子数和质子数过多或过少 的核素都不稳定的核素都不稳定.中科院近物所中科院近物所.新核素图新核素图.114种元素种元素.3070个核素个核素3.核素及其标记核素及其标记 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 14质量质量亏损亏损mNmZmmnp )(原子核的质量与组成它的核子质量之和的差值原子核的质量与组成它的核子质量之和的差值. .用原子质量可表示为用原子质量可表示为MNmZMMnH )(氢原

21、子的质量氢原子的质量核的结合能核的结合能B结合能：核子结合为某种核时释放的能量结合能：核子结合为某种核时释放的能量. .2)(cMNmZMBnH 表明表明:亏损的质量转化为能量的释放亏损的质量转化为能量的释放. or:核能的释放以质量亏损为代价核能的释放以质量亏损为代价.通过实验测出原子的质量通过实验测出原子的质量M,M,即可由上式求出各种核素的结合能即可由上式求出各种核素的结合能, ,反之反之亦然亦然. .因此因此, ,核的质量和结合能两词经常可等价使用核的质量和结合能两词经常可等价使用. .但至今仍无法从第一但至今仍无法从第一性原理导出核质量性原理导出核质量(或结合能或结合能)公式公式,以

22、算出其它核素的质量以算出其它核素的质量(或结合能或结合能).平均结合能平均结合能( (比结合能比结合能) )AB 原子核中每个核子结合能的贡献原子核中每个核子结合能的贡献,标志核子结合的松紧程度标志核子结合的松紧程度.4.核的基本特性之一：核质量核的基本特性之一：核质量 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 150.0023893u减少的质量减少的质量 质量亏损质量亏损m2mcE 核的结合能核的结合能B 4.核的基本特性之一：核质量核的基本特性之一：核质量 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 16核的结合能图核的结合能图 核素图和核

23、的结合能图是原子核核素图和核的结合能图是原子核物理学中最重要的两个图物理学中最重要的两个图 2)A=40-120的中等核的中等核较高较高,几乎为一常量几乎为一常量.3)轻核和重核的轻核和重核的较中等核低。较中等核低。8.6MeV1)1)当当A A3030时时, ,曲线有起伏的上升曲线有起伏的上升. .其中其中, ,偶偶核偶偶核( (奇奇核奇奇核) )的的有极大有极大( (小小) )值值, ,具有较高具有较高( (低低) )的稳定性的稳定性;偶偶核偶偶核( (奇奇核奇奇核):Z):Z、N N均为偶均为偶( (奇奇) )数数 原子能（核能）原子能（核能）原子核结合能发生原子核结合能发生变化时释放的

24、能量变化时释放的能量获得核能的两个途径获得核能的两个途径1)1)重核裂变重核裂变2)2)轻核聚变轻核聚变4.核的基本特性之一：核质量核的基本特性之一：核质量 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 17核力：核子紧密结合形成高密度核的力核力：核子紧密结合形成高密度核的力 核的半径核的半径(由实验规律给出由实验规律给出):3/10ArR fm.r210 经验常数经验常数核的质量密度：核的质量密度：314303/1023434cmkgArAuRNmZmnp 5.核力核力 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 181)核力是具有饱和性的短程力

25、核力是具有饱和性的短程力核力是一种短程强相互作用力核力是一种短程强相互作用力,只作用于相邻的核子只作用于相邻的核子.核的结核的结合能近似与合能近似与A成正比成正比,比结合能比结合能B/A近似为常数近似为常数,表明核力是具表明核力是具有明显饱和性的交换力有明显饱和性的交换力.核的结合能正比于核的体积核的结合能正比于核的体积,这与液体这与液体相像相像.2)核力是与电荷无关的强相互作用核力是与电荷无关的强相互作用 核力强度约为库仑力的核力强度约为库仑力的100倍倍.海森堡于海森堡于1932年假设：年假设：a)电荷对称性电荷对称性:质子间、中子间的核力质子间、中子间的核力相等相等;b)核力与电荷无关核

26、力与电荷无关:质子和中子间的核质子和中子间的核力相等力相等. 此假设于此假设于1937年为实验初步证明年为实验初步证明,1946-1955年间为更精确的年间为更精确的核力的两个重要特性核力的两个重要特性:短程性短程性饱和性饱和性实验确证实验确证5.核力核力 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 193)核力在极短程表现为斥力核力在极短程表现为斥力核子的作用势：由核子的作用势：由p-pp-p、n-pn-p的散射实验得出的散射实验得出ppVr0npVr0r/fm0 0.8 2 10核力表现为核力表现为“斥力斥力”核力表现为核力表现为“强引力强引力”核力消失核力消失核子

27、间距核子间距2fm范围内范围内,还有很多问题有待解决。还有很多问题有待解决。因无法制备纯中子靶而因无法制备纯中子靶而无法进行无法进行n-n散射实验散射实验,但但间接实验证明有相似的大间接实验证明有相似的大致规律致规律)。4)核力与自旋有关核力与自旋有关两核子自旋平行时总自旋为两核子自旋平行时总自旋为1,此时作用力较强此时作用力较强.(核子自旋平行和自旋相反时散射截面也不同核子自旋平行和自旋相反时散射截面也不同)5.核力核力 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 20重核裂变重核裂变 从结合能图知从结合能图知, ,重核裂变为两个中等核时重核裂变为两个中等核时, ,平

28、均结合能将平均结合能将增加增加1MeV1MeV左右左右, ,即每个核子平均贡献即每个核子平均贡献1MeV1MeV左右的能量左右的能量. .U235平均来看平均来看, ,每个裂变时将释放的能量约为每个裂变时将释放的能量约为200 MeV200 MeV。释放的能量表。释放的能量表现为碎片、放出的中子及相伴发生的现为碎片、放出的中子及相伴发生的衰变产物的动能衰变产物的动能. . 一个铀核能提供的能量几乎是化学反应中一个原子提供能量一个铀核能提供的能量几乎是化学反应中一个原子提供能量( (一般不到一般不到10MeV10MeV的能量的能量) )的的一亿倍一亿倍. .最重要的一点是铀核裂变平最重要的一点是

29、铀核裂变平均要放出均要放出2.52.5个中子个中子, ,而这些中子是维持链式反应所必需的而这些中子是维持链式反应所必需的, ,即即“中子的再生率中子的再生率1 1” 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 21 裂变裂变释放的能量释放的能量U235 MeVMeVMeVMeV10170：相伴的与能量：粒子和放出中子的动能：碎片的动能： 155E.Fermi,意大利，意大利，1901-1954获获1938年度年度诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖费米的主要贡献：费米的主要贡献：用中子辐照产生新用中子辐照产生新放射性元素以及用放射性元素以及用慢中子引起核反应慢中子引起核反应的有

30、关发现的有关发现 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 22核裂变原料核裂变原料U238占天然铀的占天然铀的99.27%，可用来生产核原料：可用来生产核原料： U238 )35. 2( ,min)24( ,239239239239239238dTePuNpTeNpUUUnee 1939年发现裂变时年发现裂变时,世界上没有浓缩铀，当时还世界上没有浓缩铀，当时还未发现钚未发现钚 Pu2391945年美试爆的第一颗原子弹原料：年美试爆的第一颗原子弹原料：Pu239U235U235占天然铀的占天然铀的0.72%，自然界，自然界仅有的能由热中子引起裂变仅有的能由热中子引起裂

31、变的核素的核素, 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 23临界体积临界体积在纯铀中在纯铀中,中子易从其表面逃逸而使反应中中子易从其表面逃逸而使反应中止。只有当其体积大于止。只有当其体积大于“临界体积临界体积”时才能时才能发生链式反应。发生链式反应。轶事轶事斯罗达博士：用手阻止核爆炸的人斯罗达博士：用手阻止核爆炸的人二战期间的一天二战期间的一天,加拿大核物理学家斯罗达博士在实验室主加拿大核物理学家斯罗达博士在实验室主持原子弹引爆临界试验工作持原子弹引爆临界试验工作,研究两块被放在轨道上的浓缩铀研究两块被放在轨道上的浓缩铀对合的临界质量对合的临界质量.拨动铀块的螺丝

32、刀突然滑落拨动铀块的螺丝刀突然滑落,两块铀在轨道上相向滑动两块铀在轨道上相向滑动.就在就在两块铀即将滑到一起的关键时刻两块铀即将滑到一起的关键时刻,斯罗达奋不顾身地用双手把斯罗达奋不顾身地用双手把它们阻隔开它们阻隔开,避免了一起核爆炸避免了一起核爆炸.斯罗达受到高剂量的致命辐射斯罗达受到高剂量的致命辐射,出事之后的第九天他离开了人世出事之后的第九天他离开了人世.加拿大政府和人民为了表彰加拿大政府和人民为了表彰这位优秀科学家对人类所做的贡献这位优秀科学家对人类所做的贡献,把他誉为把他誉为“用双手掰开原用双手掰开原子弹的人子弹的人”. 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平

33、利用 临界体积critical volume，物质处于临界状态时的体积。通常用单位质量所占的体积（即比容）表示。为了维持裂变链式反应，要求裂变过程得到的中子数（即后一代中子数）同引起裂变的中子数（即前一代中子数）的比值，称为中子增殖系数，k1。相应于k1的核燃料或反应堆的体积就是临界体积。 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 25减减速速剂剂欲使裂变反应持续欲使裂变反应持续,关键在于使中子减速关键在于使中子减速. 目前常用的减速剂是目前常用的减速剂是重水和石墨重水和石墨.1942年世界第一年世界第一个反应堆用个反应堆用石墨石墨为减速剂为减速剂.我国我国1958年

34、建成的反应堆年建成的反应堆用用重水重水为减速剂。为减速剂。 反应堆的控制棒用吸收中子很强的镉或硼制成反应堆的控制棒用吸收中子很强的镉或硼制成。 链式反应大约链式反应大约1秒钟可产生秒钟可产生1000代中子代中子，解决的办法是靠，解决的办法是靠“缓发中子缓发中子” 。在设计反应堆时。在设计反应堆时,要使缓发中子放出后才达到要使缓发中子放出后才达到临界临界,才能使链式反应进行才能使链式反应进行.因此有足够的时间来控制反应速度因此有足够的时间来控制反应速度. 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 26 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用

35、和和 此类重原子核在中子的轰击后，通常会此类重原子核在中子的轰击后，通常会分裂变成两个中等质量的核，同时再放出分裂变成两个中等质量的核，同时再放出2到到3个中子和能个中子和能量。量。 裂变时放出裂变时放出201兆电子伏的能量。在裂变中兆电子伏的能量。在裂变中放出的中子，一些在裂变系统中损耗了，而一些则继续进放出的中子，一些在裂变系统中损耗了，而一些则继续进行重核裂变（继续轰击重原子核）反应。只要在每一次的行重核裂变（继续轰击重原子核）反应。只要在每一次的核裂变中所裂变出的中子数平均多余一个（即中子的增值核裂变中所裂变出的中子数平均多余一个（即中子的增值系数大于系数大于1），那么核裂变即可以继续

36、进行，一次一次的），那么核裂变即可以继续进行，一次一次的反应后，裂变出的中子总数以指数形式增长，而产生的能反应后，裂变出的中子总数以指数形式增长，而产生的能量也随之剧增。如果不加控制，最终，这个裂变系统会变量也随之剧增。如果不加控制，最终，这个裂变系统会变为一个距离的链式裂变反应。为一个距离的链式裂变反应。Pu239U235U235原子弹原子弹 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 三硝基甲苯三硝基甲苯;trinitrotoluene是一种烈性炸药，呈黄色粉末或鱼鳞片状，难溶于水是一种烈性炸药，呈黄色粉末或鱼鳞片状，难溶于水TNT ，可用于水下爆破。由于威力大，常

37、用来做副起爆药。爆，可用于水下爆破。由于威力大，常用来做副起爆药。爆炸后呈负氧平衡，产生有毒的一氧化碳，故三硝基甲苯是炸后呈负氧平衡，产生有毒的一氧化碳，故三硝基甲苯是一种带苯环的有机化合物，溶点为摄氏一种带苯环的有机化合物，溶点为摄氏81度。度。TNT炸药的炸药的数量有被使用作为能量单位，每公斤可产生数量有被使用作为能量单位，每公斤可产生420万焦耳的万焦耳的能量，能量，1000吨吨TNT相等于相等于4.2兆焦耳，一百万吨相等于兆焦耳，一百万吨相等于4200兆焦耳。兆焦耳。TNT 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 此类重核裂变反应中，系统可以在极短的时间内释

38、放此类重核裂变反应中，系统可以在极短的时间内释放出大量的能量。当出大量的能量。当“下一代下一代”中子数为两个时，在不到一中子数为两个时，在不到一微秒的时间内，一千克的铀或钚中会有微秒的时间内，一千克的铀或钚中会有24个原子核发生裂个原子核发生裂变反应，而就在这不到一微秒的时间内，此反应所在产生变反应，而就在这不到一微秒的时间内，此反应所在产生出能量相当于出能量相当于2万吨万吨TNT当量。这也是原子弹那极具破坏当量。这也是原子弹那极具破坏性威力的来源。而在原子弹的实际使用及爆炸中，需要提性威力的来源。而在原子弹的实际使用及爆炸中，需要提高爆炸的威力，为了利用高爆炸的威力，为了利用“快中子裂变体系

39、快中子裂变体系”，需要使用，需要使用高浓度的裂变物质作为装药，同时装药量必须远远超过临高浓度的裂变物质作为装药，同时装药量必须远远超过临界质量，使得中子的增值系数远远大于一。界质量，使得中子的增值系数远远大于一。 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 30nKrBanUnZrTenU10913614256102359210974013752102359232举例来说，铀裂变有时产生氪和钡，反应方程式为举例来说，铀裂变有时产生氪和钡，反应方程式为 放出放出201Mev能量，能量， 这个能量差不多能使你肉这个能量差不多能使你肉眼能看到的最小的沙粒跳眼能看到的最小的沙粒

40、跳一下了。相比之下一个碳一下了。相比之下一个碳原子燃烧产生的能量只有原子燃烧产生的能量只有4.1eV，仅是裂变能量的，仅是裂变能量的5千万分之一。千万分之一。 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 这只是一个原子裂变放出的能量，这只是一个原子裂变放出的能量，1摩尔铀摩尔铀-235里面有里面有 个原子，也就是超过个原子，也就是超过6千万亿亿个铀原子，总重千万亿亿个铀原子，总重235克。铀的比重克。铀的比重和黄金差不多，所以和黄金差不多，所以1摩尔的铀也就和摩尔的铀也就和250克的金条差不多大，可以放在手心里。这克的金条差不多大，可以放在手心里。这些原子如果全部裂变的

41、话，能量相当惊人些原子如果全部裂变的话，能量相当惊人，差不多相当于，差不多相当于600吨煤完全燃烧所释放的吨煤完全燃烧所释放的能量。能量。1kg的铀的铀-235或钚或钚-239完全裂变，释完全裂变，释放出的能量大约等于放出的能量大约等于2万吨烈性的万吨烈性的TNT炸药炸药爆炸的威力。爆炸的威力。231002.6 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 三硝基甲苯三硝基甲苯;trinitrotoluene是一种烈性炸药，呈黄色粉末或鱼鳞片状，难溶是一种烈性炸药，呈黄色粉末或鱼鳞片状，难溶于水于水 ，可用于水下爆破。由于威力，产生有毒的，可用于水下爆破。由于威力，产生有

42、毒的一氧化碳。一氧化碳。TNT炸药的数量有被作为能量单位使炸药的数量有被作为能量单位使用，每公斤用，每公斤TNT可产生可产生420万焦耳的能量，万焦耳的能量，1000吨吨TNT相等于相等于4.2兆焦耳，一百万吨相等于兆焦耳，一百万吨相等于4200兆兆焦耳。焦耳。TNT 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 的原子核裂变时，还会放出中子，平均有的原子核裂变时，还会放出中子，平均有2个。这就个。这就是说，一个中子引起的核裂变，会放出是说，一个中子引起的核裂变，会放出2个中子。而这些个中子。而这些中子又会引起周围原子核的裂变，于是就会象雪崩一样中子又会引起周围原子核的裂

43、变，于是就会象雪崩一样引起一连串的原子核裂变，这个过程就叫链式反应。但引起一连串的原子核裂变，这个过程就叫链式反应。但是这些中子未必都会引起新的裂变，譬如由于原子核十是这些中子未必都会引起新的裂变，譬如由于原子核十分微小，所以中子不一定能接触到铀核，如果铀块不够分微小，所以中子不一定能接触到铀核，如果铀块不够大的话，有些中子就会飞出铀块，不能引起新的裂变。大的话，有些中子就会飞出铀块，不能引起新的裂变。当然，铀块中的杂质也会吸收中子，使新的裂变不能进当然，铀块中的杂质也会吸收中子，使新的裂变不能进行。能使裂变材料的链式反应能持续进行的最小的体积行。能使裂变材料的链式反应能持续进行的最小的体积称

44、之为称之为临界体积临界体积，这时它的质量成为，这时它的质量成为临界质量临界质量。临界质。临界质量和裂变材料的种类、纯度、密度以及几何形状密切相量和裂变材料的种类、纯度、密度以及几何形状密切相关，如果材料包裹以中子反射材料的话，还可以降低临关，如果材料包裹以中子反射材料的话，还可以降低临界质量。界质量。 U235 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 钚比起铀来，具有更小的临界质量，因此可以实现核武器钚比起铀来，具有更小的临界质量，因此可以实现核武器小型化。由于天然铀当中，铀小型化。由于天然铀当中，铀-235只有只有0.7%，而制造原，而制造原子弹必须要使用浓度达到

45、子弹必须要使用浓度达到90%以上的铀以上的铀-235。所以提炼铀。所以提炼铀-235绝非易事，一般提炼铀绝非易事，一般提炼铀-235是先将矿石加工成含铀是先将矿石加工成含铀75%的的“黄饼黄饼”（1000吨矿石仅能生产吨矿石仅能生产1.21.5吨黄饼）吨黄饼），再提纯制得高纯度的二氧化铀，最后制造成气体六氟化，再提纯制得高纯度的二氧化铀，最后制造成气体六氟化铀（铀（ ，室温下是固体，室温下是固体，65时升华）。然后再通过气时升华）。然后再通过气体扩散法、电磁分离法、喷嘴分离法以及最新的激光分离体扩散法、电磁分离法、喷嘴分离法以及最新的激光分离法等等提取制备出高浓度的铀法等等提取制备出高浓度的铀

46、-235。而制备钚。而制备钚-239的则要的则要简单一些，一般用化学分离法，现在也用离子交换树脂来简单一些，一般用化学分离法，现在也用离子交换树脂来实现铀和钚的分离。因此，事实上原子弹更多采用钚实现铀和钚的分离。因此，事实上原子弹更多采用钚-239做为裂变材料。做为裂变材料。6UF 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 原子弹就是将亚临界状态的裂变材料变原子弹就是将亚临界状态的裂变材料变成超临界状态，同时提供一些中子，使裂成超临界状态，同时提供一些中子，使裂变链式反应能持续进行，从而发出巨大的变链式反应能持续进行，从而发出巨大的能量。能量。 有两种实现的方法：有两

47、种实现的方法： 枪法枪法内爆法内爆法 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 顾名思义就是象打顾名思义就是象打枪一样，利用普通炸药枪一样，利用普通炸药爆炸，把一块亚临界状爆炸，把一块亚临界状态的铀迅速射向另一块态的铀迅速射向另一块，两块铀结合在一起质，两块铀结合在一起质量就超过了临界质量。量就超过了临界质量。这很象是铀块的互相射这很象是铀块的互相射击。事实上，铀块外还击。事实上，铀块外还包有中子反射层，原子包有中子反射层，原子弹内部还有导向槽保证弹内部还有导向槽保证铀块能准确射到另一块铀块能准确射到另一块。枪法枪法 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用

48、原子能及和平利用 这种原子弹制造技术简单，这种原子弹制造技术简单，1945年年8月月6日美国日美国投掷在广岛的原子弹投掷在广岛的原子弹“小男孩小男孩” （The little boy）就是这种。用于技术简单，连核试验都没做，）就是这种。用于技术简单，连核试验都没做，直接就使用了。但是，这种原子弹的核材料利用直接就使用了。但是，这种原子弹的核材料利用率很低，率很低，“小男孩小男孩”用了超过用了超过60kg的铀，爆炸的的铀，爆炸的TNT当量为当量为1.41.5万吨，利用率仅为万吨，利用率仅为1.2%，现，现在通过技术改进利用率也仅能达到在通过技术改进利用率也仅能达到10%左右。另左右。另外，钚外，

49、钚-239不能用枪法，因为钚更容易裂变，使不能用枪法，因为钚更容易裂变，使用枪法会造成点火过早，一些钚裂变产生的热量用枪法会造成点火过早，一些钚裂变产生的热量会使材料膨胀而达不到临界状态。会使材料膨胀而达不到临界状态。 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 内爆法内爆法 是利用普通炸药爆炸产生的冲击波，压缩裂变材是利用普通炸药爆炸产生的冲击波，压缩裂变材料，使材料密度增加。这样单位体积内的原子核数量增加料，使材料密度增加。这样单位体积内的原子核数量增加，和中子碰撞的概率也就增加；而且压缩后表面积减小，和中子碰撞的概率也就增加；而且压缩后表面积减小，中子泄漏也就减少

50、了。一般普通炸药是多点起爆，造成向中子泄漏也就减少了。一般普通炸药是多点起爆，造成向内汇聚的球面波，这样能将核材料压成密度尽可能高的球内汇聚的球面波，这样能将核材料压成密度尽可能高的球形，使材料达到超临界状态。但这多点同时起爆控制很难形，使材料达到超临界状态。但这多点同时起爆控制很难，比如雷管的控制，起爆点是否够密集，多点炸药的密度，比如雷管的控制，起爆点是否够密集，多点炸药的密度是否均匀，结构部件加工的误差等等。因此制造原子弹绝是否均匀，结构部件加工的误差等等。因此制造原子弹绝对是对一个国家的综合考验。使用内爆法的好处是能提高对是对一个国家的综合考验。使用内爆法的好处是能提高材料的利用率，一

51、开始这种原子弹的核材料利用率为材料的利用率，一开始这种原子弹的核材料利用率为10%左右，现在通过技术改进已能达到左右，现在通过技术改进已能达到20%以上了。以上了。1945年年美国第一次核试验（也是人类的首次核试验）使用的就是美国第一次核试验（也是人类的首次核试验）使用的就是这种原子弹，后来投掷到长崎的原子弹这种原子弹，后来投掷到长崎的原子弹“胖子胖子”也是这种也是这种。内爆法内爆法 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 1945年年7月月16日上午日上午5时时24分，美国在新墨西哥州阿拉莫分，美国在新墨西哥州阿拉莫戈多的戈多的“三一三一”试验场内试验场内30米高

52、的铁塔上，进行了人类有米高的铁塔上，进行了人类有史以来的第一次核试验用的是内爆法。史以来的第一次核试验用的是内爆法。“The Gadget ” “小玩意儿小玩意儿”钚装药重钚装药重6.1千克，千克，TNT当量当量2.2万吨，试验中万吨，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座30米米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑。 在半径为在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为状物质，半径为1600米的范围内，所有的动

53、物全部死亡米的范围内，所有的动物全部死亡。 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 值得一提得是，我国的第一颗原子弹就是内爆法原子弹，值得一提得是，我国的第一颗原子弹就是内爆法原子弹，而且我国使用的核材料是生产难度大的铀而且我国使用的核材料是生产难度大的铀-235，而且还是，而且还是在较短时间内研制的，这绝对令国人感到自豪。在较短时间内研制的，这绝对令国人感到自豪。 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 4119641964年年1010月月1616日日1515时时, ,中国中国在本国西在本国西部地区试部地区试爆成功一爆成功一颗原子弹颗原

54、子弹蘑菇云发展图蘑菇云发展图 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 不管是哪种原子弹，都有两次爆炸点火过程，先是不管是哪种原子弹，都有两次爆炸点火过程，先是雷管引爆普通炸药，利用这次爆炸的能量使核材料达到超雷管引爆普通炸药，利用这次爆炸的能量使核材料达到超临界状态，再是超临界状态下中子点火，引起核爆炸。这临界状态，再是超临界状态下中子点火，引起核爆炸。这两步虽然很短暂，但步骤分明。两步虽然很短暂，但步骤分明。 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 43 美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤

55、。 广岛市区广岛市区80%的建筑化为灰烬，的建筑化为灰烬，6.4万人丧生，万人丧生，7.2万人受伤，万人受伤，伤亡总人数占全市总人口的伤亡总人数占全市总人口的53%。在长崎投掷的原子弹爆炸后。在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里多。长崎市英里多。长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡的建筑物被摧毁，伤亡8.6万人，占全市万人，占全市总人口的总人口的37%。许多幸存者饱受辐射后遗症的折磨，包括癌症、。许多幸存者饱受辐射后遗症的折磨，包括癌症、白血病和皮肤灼伤。白血病和皮肤灼伤。这是美国在日本投掷的两颗原

56、子弹这是美国在日本投掷的两颗原子弹U235“小男孩小男孩”4.5t1945.8.6投至广岛投至广岛枪法铀弹枪法铀弹“胖子胖子” 5t1945.8.8投至长崎投至长崎Pu239内爆钚弹内爆钚弹 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 44痛苦的痛苦的回忆回忆原子弹在日本造成的原子弹在日本造成的疮疮满满目目痍痍 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 某些轻核结合成质量较大的核的核反应过某些轻核结合成质量较大的核的核反应过程，同时放出大量的核能。程，同时放出大量的核能。例：例：轻核聚变的条件：轻核聚变的条件：核子要距核子要距离十分近离十分近加

57、热加热高温高温热核反应热核反应几百万几百万度高温度高温轻核聚变轻核聚变nHeHH10422131 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 根据所给数据根据所给数据, 可计算核反应放出的能量可计算核反应放出的能量:nHeHH10423121氘核的质量：氘核的质量：mD2.014102u氚核的质量：氚核的质量：mT3.016050u氦核的质量：氦核的质量：m4.002603u中子的质量：中子的质量：mn=1.008665u 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 17.623201235 1计算表明，这个核反应释放的能量是计算表明，这个核反应

58、释放的能量是17.6MeV 。这个量值虽然。这个量值虽然比一个铀核裂变产生的能量（比一个铀核裂变产生的能量（201MeV）少，但平均每个核子）少，但平均每个核子产生的能量产生的能量= = 3.52MeV= = 0.852MeV的约的约4倍。倍。却是铀裂变却是铀裂变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 使轻核发生聚变，必须使它们的距离十分接近，达使轻核发生聚变，必须使它们的距离十分接近，达到到10-15m的距离。的距离。为了克服巨大的库仑力，需要使原子核有极大的动为了克服巨大的库仑力，需要使原子核有极大的动能。能。一般的办法是把它们加热到很高的温度。通常需要一般的

59、办法是把它们加热到很高的温度。通常需要几百万度以上的高温。几百万度以上的高温。例如：氢弹是利用核聚变原理制造的大规模杀伤性武器例如：氢弹是利用核聚变原理制造的大规模杀伤性武器为了获取高热，常常使用重核裂变作为为了获取高热，常常使用重核裂变作为“引子引子”。所以，原。所以，原子弹可以作为氢弹的子弹可以作为氢弹的“雷管雷管”。作业：定量计算作业：定量计算条件、应用条件、应用 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 氢弹氢弹世界第一颗氢弹世界第一颗氢弹麦克麦克“麦克麦克”爆炸成爆炸成功功我国第一颗氢弹爆炸生成的蘑菇云我国第一颗氢弹爆炸生成的蘑菇云 物理学物理学前沿前沿第四

60、章第四章 原子能及和平利用原子能及和平利用 1952年年11月月1日，在当时由美国政府托管的马绍尔群岛上，一个日，在当时由美国政府托管的马绍尔群岛上，一个巨大的蘑菇云从地面升起。由美国制造的、人类第一枚氢弹巨大的蘑菇云从地面升起。由美国制造的、人类第一枚氢弹“麦克麦克”试爆成功了。这个武器的威力远远超过了其设计者们的预计，顷刻间试爆成功了。这个武器的威力远远超过了其设计者们的预计，顷刻间将附近的一些小岛化为灰烬。但将附近的一些小岛化为灰烬。但60年来，试爆地点年来，试爆地点恩尼威托克岛恩尼威托克岛上的居民一直受到核武器残留物不断释放出来的射线的辐射，健康大上的居民一直受到核武器残留物不断释放出来的射线的辐射，