高中核物理-核反應：核能、重核裂變

1、) (9536138561023592KrBanU) (102121nHH) (2228622688RnRa) (01146eC復習復習:1、完成下列的核反應方程式：、完成下列的核反應方程式：n103He32He42N1472 2、核反應遵循的基本規(guī)律：、核反應遵循的基本規(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、核反應的能量來源分析：、核反應的能量來源分析： 愛因斯坦的相對論指出愛因斯坦的相對論指出, ,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)量和 原子核的質(zhì)量之差原子核的質(zhì)量之差

2、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。 核反應前物質(zhì)的核子數(shù)和反應后的核子數(shù)核反應前物質(zhì)的核子數(shù)和反應后的核子數(shù)有什么關(guān)系？有什么關(guān)系？ 相等相等 要實現(xiàn)要實現(xiàn)“反應后的質(zhì)量反應前的質(zhì)量反應后的質(zhì)量反應前的質(zhì)量”，如果我們引進如果我們引進“核子平均質(zhì)量核子平均質(zhì)量”，則核反應前，則核反應前核子平均質(zhì)量和反應后的核子平均質(zhì)量有什么核子平均質(zhì)量和反應后的核子平均質(zhì)量有什么關(guān)系？關(guān)系？ 較大較大 科學家們經(jīng)過定量研究，發(fā)現(xiàn)組科學家們經(jīng)過定量研

3、究，發(fā)現(xiàn)組成各種元素的核子平均質(zhì)量不盡相同，成各種元素的核子平均質(zhì)量不盡相同，而且已經(jīng)得出各種元素的核子平均質(zhì)而且已經(jīng)得出各種元素的核子平均質(zhì)量曲線量曲線 見教材見教材P74圖圖22-13 針對這個曲線觀察一下，并總結(jié)：針對這個曲線觀察一下，并總結(jié)：a a、誰的平、誰的平均質(zhì)量最小？均質(zhì)量最小？b b、怎樣才能獲得質(zhì)量虧損的核、怎樣才能獲得質(zhì)量虧損的核反應？反應？c c、哪一類核反應的質(zhì)虧損比較、哪一類核反應的質(zhì)虧損比較“快快”？a a、FeFe的平均質(zhì)量最??；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利用核

4、能的兩大途徑：輕核聚變和重核裂變 重核重核裂變裂變重核俘獲一個中子后分裂為幾個中等重核俘獲一個中子后分裂為幾個中等質(zhì)量的核的反應過程質(zhì)量的核的反應過程. . 在裂變的同時在裂變的同時要放出幾個中子和大量的核能。要放出幾個中子和大量的核能。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_+ + + +9292363614114156561 10 02352359292（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，有時還會發(fā)生裂變產(chǎn)物不是唯一確定的，有時還會發(fā)生三分裂和四分裂。我國物理學家錢三強、何澤三分裂和四分裂。我國物

5、理學家錢三強、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小的相當小的. . 介紹介紹27u27Ba27K r27nm390.313910kgm234.001610kgm152.604710kgm1.674910kgmm =( =(mmu u + + mmn n) )( (mmBaBa + + mmKrKr + 3m + 3mn n)= )= 0.35780.357810102727kgkg計算“質(zhì)量虧損” E = mCE = mC2 2 = 201MeV = 2

6、01MeV1kg1kg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 對應常規(guī)能源：合對應常規(guī)能源：合2.512.51106kg106kg（即（即25102510噸）煤炭燃燒噸）煤炭燃燒 （2 2）鏈式反應鏈式反應： 鈾核裂變時放出幾個中子，再引鈾核裂變時放出幾個中子，再引起其他鈾核裂變而使裂變反應不斷進起其他鈾核裂變而使裂變反應不斷進行下去稱為鏈式反應。行下去稱為鏈式反應。鏈式反應的示意圖：鏈式反應的示意圖：(3)重核裂變的應用重核裂變的應用核電站核電站核心設施：核反應堆核心設施：核

7、反應堆 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，吸收中子，控制控制核反應的快慢核反應的快慢。原子彈：原子彈：不可控的核反應不可控的核反應原子彈爆炸時的蘑菇原子彈爆炸時的蘑菇云云“小男孩小男孩”（前）和（前）和“胖胖子子” 1.1.兩個中子和兩個質(zhì)子可以結(jié)合成一個兩個中子和兩個質(zhì)子可以結(jié)合成一個氦核氦核, , 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)量質(zhì)子的質(zhì)量是是1.0072761.007276u u, , 氦核的質(zhì)量是氦

8、核的質(zhì)量是4.00264.0026u u, , 求此核反求此核反應的質(zhì)量虧損和結(jié)合能應的質(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= = 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.

9、3MeVMeV19941994年年 全國全國 2. 2. 一個鈾核衰變?yōu)殁Q核時釋放出一個一個鈾核衰變?yōu)殁Q核時釋放出一個 粒子，粒子，已知鈾核的質(zhì)量為已知鈾核的質(zhì)量為3.8531313.8531311010-25-25 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，在這個衰變過程中釋放出在這個衰變過程中釋放出來的能量等于來的能量等于 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，

10、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)合為氘核時釋放的能量為氘核時釋放的能量為 J J。 （1989年年 全國全國）3.710 -1320002000年高考試題年高考試題4.4.裂變反應是目前利用中常用的反應，以原子核裂變反應是目前利用中常用的反應，以原子核 為燃料的反應堆中，當為燃料的反應堆中，當 俘獲一個慢中子后發(fā)生的俘獲一個慢中子后發(fā)生的裂變反應可以有多種方式，其中一種可表示為裂變反應可以有多種方式，其中一種可表示為 反應方程下方的數(shù)字為中子及有關(guān)原子的靜止質(zhì)量（以反應方程下方的數(shù)字為中子及有關(guān)

11、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)量對應的能量為的質(zhì)量對應的能量為9.39.310102 2MeVMeV，此裂變反應釋放出的能量是此裂變反應釋放出的能量是 _MeV。235.0439 1.0087 93.9154 138.9178 235U92 92 0 38 54 0 235 U + 1 n 9494 SrSr + + 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 MeVMeV1.8

12、 10220022002年廣東高考年廣東高考5.5.如下一系列核反應是在恒星內(nèi)部發(fā)生的，如下一系列核反應是在恒星內(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， 為一種為一種中微子。已知質(zhì)子的質(zhì)量為中微子。已知質(zhì)子的質(zhì)量為mmp p =1.672648 =1.67264810 10 -27-27kgkg， 粒子的質(zhì)量為粒子的質(zhì)量為mm =6.644929=6.64492910 10 -27-27kgkg，正電子的質(zhì)量正電子的質(zhì)量為為mme e=9.11=9.111010-31-31kgkg，中微子的質(zhì)量可忽略不計。真空中微子的質(zhì)量可忽略不計。真空中的光速中的光速c=3c=310108 8 m/sm/s。試計算該系列核反應完成后釋試計算該系列核反應完成后釋放的能量。放的能量。CNpeNOONpNCpeCNNC