《重核裂變與輕核聚變》參考課件

1、重核裂變和輕核聚變重核裂變和輕核聚變) (9536138561023592KrBanU) (102121nHH) (2228622688RnRa) (01146eC復(fù)習(xí)復(fù)習(xí):1、完成下列的核反應(yīng)方程式：、完成下列的核反應(yīng)方程式：n103He32He42N1472 2、核反應(yīng)遵循的基本規(guī)律：、核反應(yīng)遵循的基本規(guī)律：質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都守恒質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都守恒3 3、核反應(yīng)的能量來(lái)源分析：、核反應(yīng)的能量來(lái)源分析： 愛(ài)因斯坦的相對(duì)論指出愛(ài)因斯坦的相對(duì)論指出, ,物體的能量物體的能量荷質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系荷質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系. .4 4、質(zhì)量虧損：組成核的核子總質(zhì)量和、質(zhì)量虧損：組成核的核子總質(zhì)

2、量和 原子核的質(zhì)量之差原子核的質(zhì)量之差mm5 5、質(zhì)能方程：、質(zhì)能方程： E Em m c c2 2 E E mm c c2 2一一. .利用核能的途徑利用核能的途徑要質(zhì)量有虧損，是利用核能的先決條件。要質(zhì)量有虧損，是利用核能的先決條件。 核反應(yīng)前物質(zhì)的核子數(shù)和反應(yīng)后的核子數(shù)核反應(yīng)前物質(zhì)的核子數(shù)和反應(yīng)后的核子數(shù)有什么關(guān)系？有什么關(guān)系？ 相等相等 要實(shí)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)“反應(yīng)后的質(zhì)量反應(yīng)前的質(zhì)量反應(yīng)后的質(zhì)量反應(yīng)前的質(zhì)量”，如果我們引進(jìn)如果我們引進(jìn)“核子平均質(zhì)量核子平均質(zhì)量”，則核反應(yīng)前，則核反應(yīng)前核子平均質(zhì)量和反應(yīng)后的核子平均質(zhì)量有什么核子平均質(zhì)量和反應(yīng)后的核子平均質(zhì)量有什么關(guān)系？關(guān)系？ 較大較大 科學(xué)家

3、們經(jīng)過(guò)定量研究，發(fā)現(xiàn)組成各種元素科學(xué)家們經(jīng)過(guò)定量研究，發(fā)現(xiàn)組成各種元素的核子平均質(zhì)量不盡相同，而且已經(jīng)得出各種的核子平均質(zhì)量不盡相同，而且已經(jīng)得出各種元素的核子平均質(zhì)量曲線元素的核子平均質(zhì)量曲線 針對(duì)這個(gè)曲線觀察一下，并總結(jié)：針對(duì)這個(gè)曲線觀察一下，并總結(jié)：a a、誰(shuí)的平均、誰(shuí)的平均質(zhì)量最?。抠|(zhì)量最??？b b、怎樣才能獲得質(zhì)量虧損的核反應(yīng)？、怎樣才能獲得質(zhì)量虧損的核反應(yīng)？c c、哪一類(lèi)核反應(yīng)的質(zhì)虧損比較、哪一類(lèi)核反應(yīng)的質(zhì)虧損比較“快快”？a a、FeFe的平均質(zhì)量最小；的平均質(zhì)量最小；b b、重核裂變；、重核裂變；c c、輕核聚變。輕核聚變。 結(jié)論：結(jié)論： 利用核能的兩大途徑：輕核聚變和重核裂變

4、利用核能的兩大途徑：輕核聚變和重核裂變 重核裂變重核裂變重核俘獲一個(gè)中子后分裂為幾個(gè)中等重核俘獲一個(gè)中子后分裂為幾個(gè)中等質(zhì)量的核的反應(yīng)過(guò)程質(zhì)量的核的反應(yīng)過(guò)程. . 在裂變的同時(shí)在裂變的同時(shí)要放出幾個(gè)中子和大量的核能。要放出幾個(gè)中子和大量的核能。二二. .重核裂變重核裂變-以鈾核的裂變?yōu)槔遭櫤说牧炎優(yōu)槔齅eVKrBanU6 .200_ _ _ _ _+ + + +9 92 23 36 61 14 41 15 56 61 10 02 23 35 59 92 2（1 1）一種典型的鈾核裂變）一種典型的鈾核裂變n103 裂變產(chǎn)物不是唯一確定的，有時(shí)還會(huì)發(fā)生裂變產(chǎn)物不是唯一確定的，有時(shí)還會(huì)發(fā)生三分裂和

5、四分裂。我國(guó)物理學(xué)家錢(qián)三強(qiáng)、何澤三分裂和四分裂。我國(guó)物理學(xué)家錢(qián)三強(qiáng)、何澤慧夫婦慧夫婦19461946年在巴黎首次發(fā)現(xiàn)了鈾的三分裂和年在巴黎首次發(fā)現(xiàn)了鈾的三分裂和四分裂。但是，鈾的的三分裂和四分裂概率是四分裂。但是，鈾的的三分裂和四分裂概率是相當(dāng)小的相當(dāng)小的. . 介紹介紹27u27B a27K r27nm390.313910kgm234.001610kgm152.604710kgm1.674910kgm =(mm =(mu u + m + mn n) )(m(mBaBa + m + mKrKr + 3m + 3mn n)= )= 0.35780.357810102727kgkg計(jì)算計(jì)算“質(zhì)量虧

6、損質(zhì)量虧損” ：E = mCE = mC2 2 = 201MeV = 201MeV1kg1kg鈾完全裂變，釋放的核能為：鈾完全裂變，釋放的核能為： AmENEM23810006.02 102.01 1023532135.15 108.24 10eVJ 對(duì)應(yīng)常規(guī)能源：合對(duì)應(yīng)常規(guī)能源：合2.512.51106kg106kg（即（即25102510噸）煤炭燃燒噸）煤炭燃燒 （2 2）鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：）鏈?zhǔn)椒磻?yīng)： 鈾核裂變時(shí)放出幾個(gè)中子，再引起其鈾核裂變時(shí)放出幾個(gè)中子，再引起其他鈾核裂變而使裂變反應(yīng)不斷進(jìn)行下去稱(chēng)他鈾核裂變而使裂變反應(yīng)不斷進(jìn)行下去稱(chēng)為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的示意圖：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的示意圖：

7、(3)(3)重核裂變的應(yīng)用重核裂變的應(yīng)用核電站核電站核心設(shè)施：核反應(yīng)堆核心設(shè)施：核反應(yīng)堆 濃縮鈾制成的鈾棒濃縮鈾制成的鈾棒減速劑：減速劑：石墨、重水或普通水，用于減石墨、重水或普通水，用于減小中子的速度小中子的速度控制棒：鎘，用于控制棒：鎘，用于 吸收中子，控制吸收中子，控制核反應(yīng)的快慢。核反應(yīng)的快慢。原子彈：原子彈： 不可控的核反應(yīng)不可控的核反應(yīng)原子彈爆炸時(shí)的蘑菇云原子彈爆炸時(shí)的蘑菇云“小男孩小男孩”（前）和（前）和“胖子胖子”三、輕核聚變?nèi)?、輕核聚變 某些輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的核反應(yīng)過(guò)某些輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的核反應(yīng)過(guò)程，同時(shí)放出大量的核能。程，同時(shí)放出大量的核能。 MeVnHeHH6

8、 .1710422131例：例：1 1、輕核聚變的條件：、輕核聚變的條件：核子要距核子要距離十分近離十分近加熱加熱高溫高溫?zé)岷朔磻?yīng)熱核反應(yīng)幾百萬(wàn)幾百萬(wàn)度高溫度高溫17.623201235 1計(jì)算表明，這個(gè)核反應(yīng)釋放的能量是計(jì)算表明，這個(gè)核反應(yīng)釋放的能量是17.6MeV 17.6MeV 。這個(gè)量值雖然比一個(gè)鈾核裂變產(chǎn)生的能量這個(gè)量值雖然比一個(gè)鈾核裂變產(chǎn)生的能量（201MeV201MeV）少，但平均每個(gè)核子產(chǎn)生的能量）少，但平均每個(gè)核子產(chǎn)生的能量= 3.52MeV= 3.52MeV卻是鈾裂變（卻是鈾裂變（= 0.852MeV= 0.852MeV）的約）的約4 4倍。倍。條件、應(yīng)用條件、應(yīng)用使輕核發(fā)

9、生聚變，必須使它們的距離十分使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離十分接近，達(dá)到接近，達(dá)到1010-15-15mm的距離。的距離。為了克服巨大的庫(kù)侖力，需要使原子核有為了克服巨大的庫(kù)侖力，需要使原子核有極大的動(dòng)能。極大的動(dòng)能。一般的辦法是把它們加熱到很高的溫度。一般的辦法是把它們加熱到很高的溫度。通常需要幾百萬(wàn)度以上的高溫。通常需要幾百萬(wàn)度以上的高溫。例如：氫彈是利用核聚變?cè)碇圃斓拇笠?guī)模殺傷例如：氫彈是利用核聚變?cè)碇圃斓拇笠?guī)模殺傷性武器性武器為了獲取高熱，常常使用重核裂變作為為了獲取高熱，常常使用重核裂變作為“引引子子”。所以，原子彈可以作為氫彈的。所以，原子彈可以作為氫彈的“雷管雷管”。氫彈氫

10、彈世界第一顆氫彈世界第一顆氫彈麥克麥克“麥克麥克”爆炸爆炸成功成功我國(guó)第一顆氫彈爆炸生成的蘑菇云我國(guó)第一顆氫彈爆炸生成的蘑菇云四、熱核反應(yīng)四、熱核反應(yīng)1.1.學(xué)生閱讀解決學(xué)生閱讀解決(1)(1)什么是熱核反應(yīng)什么是熱核反應(yīng)(2)(2)太陽(yáng)的能源來(lái)自熱核反應(yīng)太陽(yáng)的能源來(lái)自熱核反應(yīng)(3)(3)什么是可控?zé)岷朔磻?yīng)什么是可控?zé)岷朔磻?yīng)(4)(4)氘核氘核, ,氚核的來(lái)源氚核的來(lái)源2 2、 熱核反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)：熱核反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)：（1 1）熱核反應(yīng)釋放的能量比裂變大得多。）熱核反應(yīng)釋放的能量比裂變大得多。（2 2）反應(yīng)后的廢物較易處理。）反應(yīng)后的廢物較易處理。（3 3）原料易得。）原料易得。例題例題 1.1.兩個(gè)

11、中子和兩個(gè)質(zhì)子可以結(jié)合成一個(gè)氦兩個(gè)中子和兩個(gè)質(zhì)子可以結(jié)合成一個(gè)氦核核, , 已知中子的質(zhì)量是已知中子的質(zhì)量是1.0086651.008665u u, , 質(zhì)子的質(zhì)量是質(zhì)子的質(zhì)量是1.0072761.007276u u, , 氦核的質(zhì)量是氦核的質(zhì)量是4.00264.0026u u, , 求此核反應(yīng)求此核反應(yīng)的質(zhì)量虧損和結(jié)合能的質(zhì)量虧損和結(jié)合能, (, (1 1u u=1.66=1.661010-27-27千克千克, , c c=3=310108 8米秒米秒) )解：解：mm0.0292820.029282u u E E mcmc2 2=931.5 =931.5 0.029282 0.029282

12、= = 27.327.3MeVMeV或或 E E mcmc2 2 0.029282 0.029282 1.66 1.661010-27 -27 (3 (310108 8 ) )2 2 4.37 4.37 10101212J J27.327.3MeVMeV例例1 1、已知氘核質(zhì)量為、已知氘核質(zhì)量為2.0136u2.0136u，中子質(zhì)量為，中子質(zhì)量為1.0087u 1.0087u 核的質(zhì)量為核的質(zhì)量為3.0150u3.0150u。求：。求：（1 1）寫(xiě)出兩個(gè)氘核聚變成）寫(xiě)出兩個(gè)氘核聚變成 的核反應(yīng)方程式的核反應(yīng)方程式（2 2）計(jì)算上述核反應(yīng)中釋放的核能。）計(jì)算上述核反應(yīng)中釋放的核能。23 He23

13、 He【分析分析】算出核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，利用愛(ài)因斯坦質(zhì)能方算出核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，利用愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程即可求出反應(yīng)釋放的核能。程即可求出反應(yīng)釋放的核能。解答：解答： （1）nHeHH10322121（2 2）由題給條件可求得質(zhì)量虧損為：）由題給條件可求得質(zhì)量虧損為：m=2.01362(3.0150+1.0087)=0.0035u釋放的核能為釋放的核能為E=mc2 2=931.50.0035=3.26MeV19941994年年 全國(guó)全國(guó) 2. 2. 一個(gè)鈾核衰變?yōu)殁Q核時(shí)釋放出一個(gè)一個(gè)鈾核衰變?yōu)殁Q核時(shí)釋放出一個(gè) 粒子，粒子，已知鈾核的質(zhì)量為已知鈾核的質(zhì)量為3.8531313.8531311010

14、-25-25 kg kg，釷核質(zhì)，釷核質(zhì)量為量為3.7865673.7865671010-25-25 kg kg， 粒子的質(zhì)量為粒子的質(zhì)量為6.646726.646721010-27-27 kg kg，在這個(gè)衰變過(guò)程中釋放出，在這個(gè)衰變過(guò)程中釋放出來(lái)的能量等于來(lái)的能量等于 J J（保留兩位二位數(shù)字（保留兩位二位數(shù)字） 8.710 -13 3. 3. 中子質(zhì)量為中子質(zhì)量為1.0087u1.0087u，質(zhì)子質(zhì)量為，質(zhì)子質(zhì)量為1.0073u1.0073u，氘核的質(zhì)量為，氘核的質(zhì)量為2.0136u2.0136u，中子和質(zhì)子結(jié)合為，中子和質(zhì)子結(jié)合為氘核時(shí)釋放的能量為氘核時(shí)釋放的能量為 J J。 （198

15、9年年 全國(guó)全國(guó)）3.710 -1320002000年高考試題年高考試題4.4.裂變反應(yīng)是目前利用中常用的反應(yīng)，以原子核裂變反應(yīng)是目前利用中常用的反應(yīng)，以原子核 為燃料的反應(yīng)堆中，當(dāng)為燃料的反應(yīng)堆中，當(dāng) 俘獲一個(gè)慢中子后發(fā)生的俘獲一個(gè)慢中子后發(fā)生的裂變反應(yīng)可以有多種方式，其中一種可表示為裂變反應(yīng)可以有多種方式，其中一種可表示為 反應(yīng)方程下方的數(shù)字為中子及有關(guān)原子的靜止質(zhì)量（以反應(yīng)方程下方的數(shù)字為中子及有關(guān)原子的靜止質(zhì)量（以原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位u u為單位）。已知為單位）。已知1u 1u 的質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量為的質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量為9.39.310102 2MeVMeV，此裂變反應(yīng)釋放出的能量是，此

16、裂變反應(yīng)釋放出的能量是 _MeV。235.0439 1.0087 93.9154 138.9178 235U92 92 0 38 54 0 235 U + 1 n 9494 Sr + Sr + 139139Xe+ 3 Xe+ 3 1 1 n n 235U92解：解：m=0.1933um=0.1933u E=931.5 E=931.50.1933=1.8 0.1933=1.8 10102 2 MeV MeV1.8 10220022002年廣東高考年廣東高考5.5.如下一系列核反應(yīng)是在恒星內(nèi)部發(fā)生的，如下一系列核反應(yīng)是在恒星內(nèi)部發(fā)生的， CNpeNOONpNCpeCNNCp126157157158158147147136136137137126 其中其中p p為質(zhì)子，為質(zhì)子，為為粒子，粒子，e e+ + 為正電子，為正電子，為一種中微子。為一種中微子。已知質(zhì)子的質(zhì)量為已知質(zhì)子的質(zhì)量為m mp p =1.672648 =1.67264810 10 -27-27kgkg， 粒子的質(zhì)量為粒子的質(zhì)量為m m=6.644929=6.64492910 10 -27-27kgkg，正電子的質(zhì)量為，正電子的質(zhì)量為m me e=9.11=9.111010-31-31kgkg，中，中微子的質(zhì)量可忽略不計(jì)。真空中的光速微子的質(zhì)量可忽略不計(jì)。真空中的光速c=3c