物理學前沿第四章原子能及與平利用1

1、 物理學物理學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,貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾鹽的放射現(xiàn)象。貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾鹽的放射現(xiàn)象。這是人類歷史上第一次在實驗室里觀察到這是人類歷史上第一次在實驗室里觀察到原子核現(xiàn)象，是核物理學的開端。原子核現(xiàn)象，是核物理學的開端。獲獲1903年度諾貝爾物理學獎年度諾貝爾物理學獎A.H.貝克勒爾貝克勒爾（法）（法）1852-1908倫琴發(fā)現(xiàn)倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后射線后,彭加勒彭加勒(法法)認為認為“X射線可能射線可能跟熒光屬于同一機理跟熒光屬于同一機理”,在他的建議下在他的建議下,貝克勒爾著貝克勒爾著手驗證手驗證,終于發(fā)現(xiàn)鈾鹽有預期效果終于發(fā)現(xiàn)鈾鹽有預期效果.

2、同時發(fā)現(xiàn)這種射同時發(fā)現(xiàn)這種射線跟熒光不一樣線跟熒光不一樣,不需要外來激發(fā)不需要外來激發(fā).進一步的研究表進一步的研究表明這是有別于明這是有別于X射線的輻射射線的輻射,他稱之為他稱之為“鈾輻射鈾輻射”.貝克勒爾得到的第一張鈾輻射照片貝克勒爾得到的第一張鈾輻射照片 1.關于原子核的歷史回顧關于原子核的歷史回顧貝克勒爾是貝克勒爾是研究熒光和磷光現(xiàn)象的世家子弟，研究熒光和磷光現(xiàn)象的世家子弟，于于18921892年年擔任巴黎自然歷史博物館教授擔任巴黎自然歷史博物館教授 ,而此職位是他祖父和父親曾而此職位是他祖父和父親曾擔任過的擔任過的偶然？必然？偶然？必然？ 物理學物理學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湯姆遜，英，湯姆遜，英，1856-19401856-194018971897年年,J.J,J.J湯姆遜通過對陰湯姆遜通過對陰極射線的研究測定了電子的荷極射線的研究測定了電子的荷質比從而在實驗上發(fā)現(xiàn)了電子質比從而在實驗上發(fā)現(xiàn)了電子. .19251925年年,G.P,G.P湯姆遜證實電子的波動性湯姆遜證實電子的波動性. .與戴維遜同獲與戴維遜同獲19371937年度諾貝爾物理學獎年度諾貝爾物理學獎. .J.J.湯姆孫曾師從瑞利湯姆孫曾師從瑞利,并于并于1884年（時年（時年年28歲）接替瑞利任卡文迪許實驗室主任歲）接替瑞利任卡文迪許實驗室主任（長達（長達35年），

4、經(jīng)他培養(yǎng)的研究人員中有年），經(jīng)他培養(yǎng)的研究人員中有7人獲過諾貝爾獎人獲過諾貝爾獎.獲獲1906年度諾貝爾物理學獎年度諾貝爾物理學獎在在1919世紀末物理學的三大發(fā)現(xiàn)中，如果說世紀末物理學的三大發(fā)現(xiàn)中，如果說X X射線和放射性的發(fā)現(xiàn)具有某射線和放射性的發(fā)現(xiàn)具有某種偶然性種偶然性, , 那么，電子的發(fā)現(xiàn)卻充分顯示了科學發(fā)展的必由之路，它是那么，電子的發(fā)現(xiàn)卻充分顯示了科學發(fā)展的必由之路，它是許多人經(jīng)過大量實驗和理論研究，進行了長期的科學爭論之后的產物。許多人經(jīng)過大量實驗和理論研究，進行了長期的科學爭論之后的產物。比起前兩件來，電子的發(fā)現(xiàn)更有意義，它打破了原子不可分的傳統(tǒng)觀念。比起前兩件來，電子的發(fā)現(xiàn)

5、更有意義，它打破了原子不可分的傳統(tǒng)觀念。打開了通向原子物理學的大門。打開了通向原子物理學的大門。1.關于原子核的歷史回顧關于原子核的歷史回顧 物理學物理學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皮埃爾皮埃爾. .居里（法）（居里（法）（1859-19061859-1906）瑪麗瑪麗. .居里（法籍波蘭）（居里（法籍波蘭）（1867-19341867-1934）1897年年,居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素性元素 釙釙(Po)和鐳和鐳(Ra) 共同獲共同獲1903年度諾貝爾物理學獎年度諾貝爾物理學獎貝克勒爾的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了居里夫婦的興貝克勒爾的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了居里夫婦的興趣趣.他們

6、發(fā)現(xiàn)有多種元素會自發(fā)輻射他們發(fā)現(xiàn)有多種元素會自發(fā)輻射,并著手尋找新的輻射元素并著手尋找新的輻射元素.1898年年7月月,他們發(fā)現(xiàn)瀝青鈾礦分離物的他們發(fā)現(xiàn)瀝青鈾礦分離物的放射性比同質量的鈾強放射性比同質量的鈾強400倍倍. 確證放射性確證放射性來自分離物內的一種微量元素來自分離物內的一種微量元素.最終找到了最終找到了特別強的放射性物質特別強的放射性物質.居里夫婦建議稱之為居里夫婦建議稱之為釙（釙（Polonium）,為的是紀念祖國波蘭為的是紀念祖國波蘭. 1.關于原子核的歷史回顧關于原子核的歷史回顧 物理學物理學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她們的女兒她們的女兒(18

7、97-1956)和女婿和女婿(1900-1958)因發(fā)現(xiàn)人工放射因發(fā)現(xiàn)人工放射性獲性獲1934年諾貝爾獎年諾貝爾獎.進一步的分離實驗發(fā)現(xiàn)鋇鹽有更強的放射性進一步的分離實驗發(fā)現(xiàn)鋇鹽有更強的放射性,認為還有第二種認為還有第二種放射性更強的物質放射性更強的物質,他們命名為鐳他們命名為鐳.最終得到放射性比鈾強最終得到放射性比鈾強10萬倍萬倍的鐳的化合物結晶的鐳的化合物結晶.后來他們用后來他們用4年時間從年時間從8噸礦渣中提取了噸礦渣中提取了0.1g純鐳鹽用于實驗純鐳鹽用于實驗.1902年測得鐳的原子量為年測得鐳的原子量為225,找到兩根明亮的找到兩根明亮的特征譜線特征譜線.至此至此,鐳的存在得到公認鐳

8、的存在得到公認.1.關于原子核的歷史回顧關于原子核的歷史回顧 物理學物理學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居里夫婦在工作中遭受了大劑量的輻射。居里夫人后來長期患惡性貧居里夫婦在工作中遭受了大劑量的輻射。居里夫人后來長期患惡性貧血癥。弗列德利克血癥。弗列德利克約里奧曾檢驗過她當年的實驗記錄本，發(fā)現(xiàn)全都嚴重約里奧曾檢驗過她當年的實驗記錄本，發(fā)現(xiàn)全都嚴重沾染了放射物。她當年用過的烹調書，沾染了放射物。她當年用過的烹調書，5050年后再檢查，還有放射性。年后再檢查，還有放射性。19341934年居里夫人在經(jīng)過長期惡性貧血折磨后去世。她的女兒年居里夫人在經(jīng)過長期惡性貧血折磨后去

9、世。她的女兒伊倫伊倫和女和女婿婿弗列德利克弗列德利克約里奧約里奧也因惡性貧血癥相繼于也因惡性貧血癥相繼于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人獲諾貝爾物理獎，做出了巨大貢獻，他們自己卻被鐳奪去了人獲諾貝爾物理獎，做出了巨大貢獻，他們自己卻被鐳奪去了寶貴的生命。寶貴的生命。1.關于原子核的歷史回顧關于原子核的歷史回顧 物理學物理學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盧瑟福盧瑟福(E.Rutherford(E.Rutherford）英英國物理學家，國物理學家，(1871-1937),(1871-1937),新西蘭人新西蘭人,1

10、908,1908年獲得諾貝爾年獲得諾貝爾獎。證實了獎。證實了射線為射線為, ,射線為電子射線為電子; ; 提出了原子的核提出了原子的核式模型式模型; ;首次實現(xiàn)人工核反應首次實現(xiàn)人工核反應; ;培養(yǎng)了培養(yǎng)了1010位諾貝爾獎獲得者位諾貝爾獎獲得者. .He2查德威克（查德威克（J.ChadwickJ.Chadwick）英國物理學家英國物理學家(1891-1974)(1891-1974)，盧，盧瑟福的助手。瑟福的助手。19351935年因發(fā)現(xiàn)了中年因發(fā)現(xiàn)了中子獲得諾貝爾獎。中子的發(fā)現(xiàn)被子獲得諾貝爾獎。中子的發(fā)現(xiàn)被認為是原子核物理的誕生。認為是原子核物理的誕生。1.關于原子核的歷史回顧關于原子核的

11、歷史回顧 物理學物理學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費米（費米（E.Fermi）意大利物理學家意大利物理學家(1901-1954)，1938年獲得諾貝爾獎。發(fā)明了年獲得諾貝爾獎。發(fā)明了熱中子鏈式反應堆。熱中子鏈式反應堆。丁肇中，丁肇中，(1936)與與 B.里克特分別發(fā)現(xiàn)里克特分別發(fā)現(xiàn)J、粒粒子，找到了美夸克存在的證據(jù)，子，找到了美夸克存在的證據(jù)，1976年獲諾貝爾獎。年獲諾貝爾獎。1.關于原子核的歷史回顧關于原子核的歷史回顧 物理學物理學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發(fā)現(xiàn)了

12、鈾發(fā)現(xiàn)了鈾(U)(U)放射現(xiàn)象放射現(xiàn)象; ; 1897 1897：居里夫婦發(fā)現(xiàn)釙：居里夫婦發(fā)現(xiàn)釙(Po)(Po)和鐳和鐳( (Ra);Ra); 1899 1899：盧盧瑟福發(fā)現(xiàn)瑟福發(fā)現(xiàn) , , 射線；射線； 19001900：維拉德發(fā)現(xiàn)：維拉德發(fā)現(xiàn)射線射線; ; 1903 1903：盧盧瑟福證實瑟福證實射線為射線為 , ,射線為電子；射線為電子； 19111911：盧盧瑟福提出原子的核式模型；瑟福提出原子的核式模型； 19191919：盧盧瑟福首次實現(xiàn)人工核反應，發(fā)現(xiàn)了質子。瑟福首次實現(xiàn)人工核反應，發(fā)現(xiàn)了質子。 19321932：J.ChadwickJ.Chadwick發(fā)現(xiàn)了中子發(fā)現(xiàn)了中子;

13、; 1934 1934：F.&I.Joliot-CurieF.&I.Joliot-Curie發(fā)現(xiàn)人工放射性；發(fā)現(xiàn)人工放射性； 19391939：O.HahnO.Hahn等人發(fā)現(xiàn)重核裂變；等人發(fā)現(xiàn)重核裂變； 19391939：N.BohrN.Bohr等提出液滴模型等提出液滴模型; ; 1942 1942：E.FermiE.Fermi發(fā)明熱中子鏈式反應堆；發(fā)明熱中子鏈式反應堆； 19451945：在奧本海默在奧本海默(美美)領導下領導下,原子彈試爆成功；（廣島）原子彈試爆成功；（廣島） 19521952：在泰勒在泰勒(美籍匈牙利人美籍匈牙利人)領導下，領導下，氫彈試爆成功；氫彈試爆

14、成功； 19521952：前蘇聯(lián)建成第一個核電站：前蘇聯(lián)建成第一個核電站. .He421.關于原子核的歷史回顧關于原子核的歷史回顧 物理學物理學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：我國建成第一座重水型原子反應堆：我國建成第一座重水型原子反應堆; ; 1964 1964：我國第一顆原子彈試爆成功；：我國第一顆原子彈試爆成功； 19671967：我國第一顆氫彈試爆成功；我國第一顆氫彈試爆成功； 19691969：我國首次成功地下核實驗；：我國首次成功地下核實驗； 19841984：我國受控熱核聚變實驗裝置順利啟動；：我國受控熱核聚變實驗裝置順利啟動； 19

15、881988：北京正負電子對撞機首次對撞成功；：北京正負電子對撞機首次對撞成功； 19911991：秦山核電站發(fā)電成功：秦山核電站發(fā)電成功; ; 最早發(fā)現(xiàn)原子核一分為三的錢三強“兩彈元勛”鄧稼先1.關于原子核的歷史回顧關于原子核的歷史回顧 物理學物理學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 電電子子、夸夸克克：質質子子：原原子子核核：原原子子：分分子子： 原子核由質子和中子組成原子核由質子和中子組成,質子和中子由夸克質子和中子由夸克組成組成. 目前已經(jīng)明確夸克有目前已經(jīng)明確夸克有6種種,它們和電子等它們和電子等6種種

16、輕子被認為是物質最基本的組成單元輕子被認為是物質最基本的組成單元.核的線度只有原子的萬分之一核的線度只有原子的萬分之一,但質量卻占原但質量卻占原子質量的子質量的99%以上以上. 物理學物理學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原子核對原子性質起主要貢獻的是核的質量和電荷原子核對原子性質起主要貢獻的是核的質量和電荷。元素的物理、化學性質或光譜特性主要與核外電子有元素的物理、化學性質或光譜特性主要與核外電子有關，而放射性現(xiàn)象則歸因于原子核。關，而放射性現(xiàn)象則歸因于原子核。核外電子的行為對原子核的影響甚微核外電子的行為對原子核的影響甚微,可不予考慮?？刹挥杩紤]。同位素同位素

17、原子質量的原子質量的1/12C12kggu27231066. 112110022. 6121 原子核質量數(shù)原子核質量數(shù)A原子的質量都接近于一個整數(shù)原子的質量都接近于一個整數(shù),這個整數(shù)稱為這個整數(shù)稱為核子核子中子和質子統(tǒng)稱核子中子和質子統(tǒng)稱核子 MeVumMeVumpn2796.938007277. 15731.939008665. 1610 原子核的質量一般可用質譜儀測定，其測量精度可達原子核的質量一般可用質譜儀測定，其測量精度可達2.原子核的組成原子核的組成 物理學物理學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核素及其標記核素及其標記元素元素:質子數(shù)相同的一類原子質子數(shù)相

18、同的一類原子.核素核素:具有相同質子數(shù)和相同具有相同質子數(shù)和相同中子數(shù)的一類原子核中子數(shù)的一類原子核.核素符號核素符號NAZXUU238235,eHH3221,A:質量數(shù)質量數(shù)(核子數(shù)核子數(shù))Z:質子數(shù)質子數(shù)(原子序數(shù)原子序數(shù))NA-Z:中子數(shù)中子數(shù)同位素同位素:Z相同但相同但N不同的核素不同的核素.同中子異位素同中子異位素:N相同但相同但Z不同的核素不同的核素.同量異位素同量異位素:A相同但相同但Z不同的核素不同的核素.KAr40194018,同質異能素同質異能素:A和和Z均相同但能量狀態(tài)不同的核素均相同但能量狀態(tài)不同的核素.CoCom6060,迄今為止發(fā)現(xiàn)的迄今為止發(fā)現(xiàn)的2000多個核素中

19、，有多個核素中，有300多個天然核素多個天然核素(280多個穩(wěn)定核素，多個穩(wěn)定核素，60多個放射性核素多個放射性核素)，其余，其余1600多個是自多個是自1934年以來人工合成的放射性核素。年以來人工合成的放射性核素。3.核素及其標記核素及其標記 物理學物理學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核素圖核素圖核素的穩(wěn)定區(qū)：穩(wěn)定核素幾乎全落在核素的穩(wěn)定區(qū)：穩(wěn)定核素幾乎全落在一條光滑曲線上或緊靠其兩側一條光滑曲線上或緊靠其兩側,此區(qū)域稱核素的穩(wěn)定區(qū)此區(qū)域稱核素的穩(wěn)定區(qū).對于輕核對于輕核,這條曲線與直這條曲線與直線線NZ重合重合,當當N、Z增大至一定數(shù)值后增大至一定數(shù)值后,穩(wěn)定

20、線逐漸向穩(wěn)定線逐漸向 位于穩(wěn)定線位于穩(wěn)定線 NZ的方的方 上側的為缺中子上側的為缺中子向偏離向偏離. 核區(qū)核區(qū),下側為豐中子核區(qū)下側為豐中子核區(qū). 中子數(shù)和質子數(shù)過多或過少中子數(shù)和質子數(shù)過多或過少 的核素都不穩(wěn)定的核素都不穩(wěn)定.中科院近物所中科院近物所.新核素圖新核素圖.114種元素種元素.3070個核素個核素3.核素及其標記核素及其標記 物理學物理學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質量質量虧損虧損mNmZmmnp )(原子核的質量與組成它的核子質量之和的差值原子核的質量與組成它的核子質量之和的差值. .用原子質量可表示為用原子質量可表示為MNmZMMnH )(氫原

21、子的質量氫原子的質量核的結合能核的結合能B結合能：核子結合為某種核時釋放的能量結合能：核子結合為某種核時釋放的能量. .2)(cMNmZMBnH 表明表明:虧損的質量轉化為能量的釋放虧損的質量轉化為能量的釋放. or:核能的釋放以質量虧損為代價核能的釋放以質量虧損為代價.通過實驗測出原子的質量通過實驗測出原子的質量M,M,即可由上式求出各種核素的結合能即可由上式求出各種核素的結合能, ,反之反之亦然亦然. .因此因此, ,核的質量和結合能兩詞經(jīng)?？傻葍r使用核的質量和結合能兩詞經(jīng)?？傻葍r使用. .但至今仍無法從第一但至今仍無法從第一性原理導出核質量性原理導出核質量(或結合能或結合能)公式公式,以

22、算出其它核素的質量以算出其它核素的質量(或結合能或結合能).平均結合能平均結合能( (比結合能比結合能) )AB 原子核中每個核子結合能的貢獻原子核中每個核子結合能的貢獻,標志核子結合的松緊程度標志核子結合的松緊程度.4.核的基本特性之一：核質量核的基本特性之一：核質量 物理學物理學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減少的質量減少的質量 質量虧損質量虧損m2mcE 核的結合能核的結合能B 4.核的基本特性之一：核質量核的基本特性之一：核質量 物理學物理學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核的結合能圖核的結合能圖 核素圖和核

23、的結合能圖是原子核核素圖和核的結合能圖是原子核物理學中最重要的兩個圖物理學中最重要的兩個圖 2)A=40-120的中等核的中等核較高較高,幾乎為一常量幾乎為一常量.3)輕核和重核的輕核和重核的較中等核低。較中等核低。8.6MeV1)1)當當A A3030時時, ,曲線有起伏的上升曲線有起伏的上升. .其中其中, ,偶偶核偶偶核( (奇奇核奇奇核) )的的有極大有極大( (小小) )值值, ,具有較高具有較高( (低低) )的穩(wěn)定性的穩(wěn)定性;偶偶核偶偶核( (奇奇核奇奇核):Z):Z、N N均為偶均為偶( (奇奇) )數(shù)數(shù) 原子能（核能）原子能（核能）原子核結合能發(fā)生原子核結合能發(fā)生變化時釋放的

24、能量變化時釋放的能量獲得核能的兩個途徑獲得核能的兩個途徑1)1)重核裂變重核裂變2)2)輕核聚變輕核聚變4.核的基本特性之一：核質量核的基本特性之一：核質量 物理學物理學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：核子緊密結合形成高密度核的力核力：核子緊密結合形成高密度核的力 核的半徑核的半徑(由實驗規(guī)律給出由實驗規(guī)律給出):3/10ArR fm.r210 經(jīng)驗常數(shù)經(jīng)驗常數(shù)核的質量密度：核的質量密度：314303/1023434cmkgArAuRNmZmnp 5.核力核力 物理學物理學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)核力是具有飽和性的短程力

25、核力是具有飽和性的短程力核力是一種短程強相互作用力核力是一種短程強相互作用力,只作用于相鄰的核子只作用于相鄰的核子.核的結核的結合能近似與合能近似與A成正比成正比,比結合能比結合能B/A近似為常數(shù)近似為常數(shù),表明核力是具表明核力是具有明顯飽和性的交換力有明顯飽和性的交換力.核的結合能正比于核的體積核的結合能正比于核的體積,這與液體這與液體相像相像.2)核力是與電荷無關的強相互作用核力是與電荷無關的強相互作用 核力強度約為庫侖力的核力強度約為庫侖力的100倍倍.海森堡于海森堡于1932年假設：年假設：a)電荷對稱性電荷對稱性:質子間、中子間的核力質子間、中子間的核力相等相等;b)核力與電荷無關核

26、力與電荷無關:質子和中子間的核質子和中子間的核力相等力相等. 此假設于此假設于1937年為實驗初步證明年為實驗初步證明,1946-1955年間為更精確的年間為更精確的核力的兩個重要特性核力的兩個重要特性:短程性短程性飽和性飽和性實驗確證實驗確證5.核力核力 物理學物理學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)核力在極短程表現(xiàn)為斥力核力在極短程表現(xiàn)為斥力核子的作用勢：由核子的作用勢：由p-pp-p、n-pn-p的散射實驗得出的散射實驗得出ppVr0npVr0r/fm0 0.8 2 10核力表現(xiàn)為核力表現(xiàn)為“斥力斥力”核力表現(xiàn)為核力表現(xiàn)為“強引力強引力”核力消失核力消失核子

27、間距核子間距2fm范圍內范圍內,還有很多問題有待解決。還有很多問題有待解決。因無法制備純中子靶而因無法制備純中子靶而無法進行無法進行n-n散射實驗散射實驗,但但間接實驗證明有相似的大間接實驗證明有相似的大致規(guī)律致規(guī)律)。4)核力與自旋有關核力與自旋有關兩核子自旋平行時總自旋為兩核子自旋平行時總自旋為1,此時作用力較強此時作用力較強.(核子自旋平行和自旋相反時散射截面也不同核子自旋平行和自旋相反時散射截面也不同)5.核力核力 物理學物理學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重核裂變重核裂變 從結合能圖知從結合能圖知, ,重核裂變?yōu)閮蓚€中等核時重核裂變?yōu)閮蓚€中等核時, ,平

28、均結合能將平均結合能將增加增加1MeV1MeV左右左右, ,即每個核子平均貢獻即每個核子平均貢獻1MeV1MeV左右的能量左右的能量. .U235平均來看平均來看, ,每個裂變時將釋放的能量約為每個裂變時將釋放的能量約為200 MeV200 MeV。釋放的能量表。釋放的能量表現(xiàn)為碎片、放出的中子及相伴發(fā)生的現(xiàn)為碎片、放出的中子及相伴發(fā)生的衰變產物的動能衰變產物的動能. . 一個鈾核能提供的能量幾乎是化學反應中一個原子提供能量一個鈾核能提供的能量幾乎是化學反應中一個原子提供能量( (一般不到一般不到10MeV10MeV的能量的能量) )的的一億倍一億倍. .最重要的一點是鈾核裂變平最重要的一點是

29、鈾核裂變平均要放出均要放出2.52.5個中子個中子, ,而這些中子是維持鏈式反應所必需的而這些中子是維持鏈式反應所必需的, ,即即“中子的再生率中子的再生率1 1” 物理學物理學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 裂變裂變釋放的能量釋放的能量U235 MeVMeVMeVMeV10170：相伴的與能量：粒子和放出中子的動能：碎片的動能： 155E.Fermi,意大利，意大利，1901-1954獲獲1938年度年度諾貝爾物理學獎諾貝爾物理學獎費米的主要貢獻：費米的主要貢獻：用中子輻照產生新用中子輻照產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應慢中子引起核反應的有

30、關發(fā)現(xiàn)的有關發(fā)現(xiàn) 物理學物理學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核裂變原料核裂變原料U238占天然鈾的占天然鈾的99.27%，可用來生產核原料：可用來生產核原料： U238 )35. 2( ,min)24( ,239239239239239238dTePuNpTeNpUUUnee 1939年發(fā)現(xiàn)裂變時年發(fā)現(xiàn)裂變時,世界上沒有濃縮鈾，當時還世界上沒有濃縮鈾，當時還未發(fā)現(xiàn)钚未發(fā)現(xiàn)钚 Pu2391945年美試爆的第一顆原子彈原料：年美試爆的第一顆原子彈原料：Pu239U235U235占天然鈾的占天然鈾的0.72%，自然界，自然界僅有的能由熱中子引起裂變僅有的能由熱中子引起裂

31、變的核素的核素, 物理學物理學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臨界體積臨界體積在純鈾中在純鈾中,中子易從其表面逃逸而使反應中中子易從其表面逃逸而使反應中止。只有當其體積大于止。只有當其體積大于“臨界體積臨界體積”時才能時才能發(fā)生鏈式反應。發(fā)生鏈式反應。軼事軼事斯羅達博士：用手阻止核爆炸的人斯羅達博士：用手阻止核爆炸的人二戰(zhàn)期間的一天二戰(zhàn)期間的一天,加拿大核物理學家斯羅達博士在實驗室主加拿大核物理學家斯羅達博士在實驗室主持原子彈引爆臨界試驗工作持原子彈引爆臨界試驗工作,研究兩塊被放在軌道上的濃縮鈾研究兩塊被放在軌道上的濃縮鈾對合的臨界質量對合的臨界質量.撥動鈾塊的螺絲

32、刀突然滑落撥動鈾塊的螺絲刀突然滑落,兩塊鈾在軌道上相向滑動兩塊鈾在軌道上相向滑動.就在就在兩塊鈾即將滑到一起的關鍵時刻兩塊鈾即將滑到一起的關鍵時刻,斯羅達奮不顧身地用雙手把斯羅達奮不顧身地用雙手把它們阻隔開它們阻隔開,避免了一起核爆炸避免了一起核爆炸.斯羅達受到高劑量的致命輻射斯羅達受到高劑量的致命輻射,出事之后的第九天他離開了人世出事之后的第九天他離開了人世.加拿大政府和人民為了表彰加拿大政府和人民為了表彰這位優(yōu)秀科學家對人類所做的貢獻這位優(yōu)秀科學家對人類所做的貢獻,把他譽為把他譽為“用雙手掰開原用雙手掰開原子彈的人子彈的人”. 物理學物理學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 臨界體積critical volume，物質處于臨界狀態(tài)時的體積。通常用單位質量所占的體積（即比容）表示。為了維持裂變鏈式反應，要求裂變過程得到的中子數(shù)（即后一代中子數(shù)）同引起裂變的中子數(shù)（即前一代中子數(shù)）的比值，稱為中子增殖系數(shù)，k1。相應于k1的核燃料或反應堆的體積就是臨界體積。 物理學物理學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減減速速劑劑欲使裂變反應持續(xù)欲使裂變反應持續(xù),關鍵在于使中子減速關鍵在于使中子減速. 目前常用的減速劑是目前常用的減速劑是重水和石墨重水和石墨.1942年世界第一年世界第一個反應堆用個反應堆用石墨石墨為減速劑為減速劑.我國我國1958年

34、建成的反應堆年建成的反應堆用用重水重水為減速劑。為減速劑。 反應堆的控制棒用吸收中子很強的鎘或硼制成反應堆的控制棒用吸收中子很強的鎘或硼制成。 鏈式反應大約鏈式反應大約1秒鐘可產生秒鐘可產生1000代中子代中子，解決的辦法是靠，解決的辦法是靠“緩發(fā)中子緩發(fā)中子” 。在設計反應堆時。在設計反應堆時,要使緩發(fā)中子放出后才達到要使緩發(fā)中子放出后才達到臨界臨界,才能使鏈式反應進行才能使鏈式反應進行.因此有足夠的時間來控制反應速度因此有足夠的時間來控制反應速度. 物理學物理學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 物理學物理學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 此類重原子核在中子的轟擊后，通常會此類重原子核在中子的轟擊后，通常會分裂變成兩個中等質量的核，同時再放出分裂變成兩個中等質量的核，同時再放出2到到3個中子和能個中子和能量。量。 裂變時放出裂變時放出201兆電子伏的能量。在裂變中兆電子伏的能量。在裂變中放出的中子，一些在裂變系統(tǒng)中損耗了，而一些則繼續(xù)進放出的中子，一些在裂變系統(tǒng)中損耗了，而一些則繼續(xù)進行重核裂變（繼續(xù)轟擊重原子核）反應。只要在每一次的行重核裂變（繼續(xù)轟擊重原子核）反應。只要在每一次的核裂變中所裂變出的中子數(shù)平均多余一個（即中子的增值核裂變中所裂變出的中子數(shù)平均多余一個（即中子的增值系數(shù)大于系數(shù)大于1），那么核裂變即可以繼續(xù)

36、進行，一次一次的），那么核裂變即可以繼續(xù)進行，一次一次的反應后，裂變出的中子總數(shù)以指數(shù)形式增長，而產生的能反應后，裂變出的中子總數(shù)以指數(shù)形式增長，而產生的能量也隨之劇增。如果不加控制，最終，這個裂變系統(tǒng)會變量也隨之劇增。如果不加控制，最終，這個裂變系統(tǒng)會變?yōu)橐粋€距離的鏈式裂變反應。為一個距離的鏈式裂變反應。Pu239U235U235原子彈原子彈 物理學物理學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是一種烈性炸藥，呈黃色粉末或魚鱗片狀，難溶于水是一種烈性炸藥，呈黃色粉末或魚鱗片狀，難溶于水TNT ，可用于水下爆破。由于威力大，常

37、用來做副起爆藥。爆，可用于水下爆破。由于威力大，常用來做副起爆藥。爆炸后呈負氧平衡，產生有毒的一氧化碳，故三硝基甲苯是炸后呈負氧平衡，產生有毒的一氧化碳，故三硝基甲苯是一種帶苯環(huán)的有機化合物，溶點為攝氏一種帶苯環(huán)的有機化合物，溶點為攝氏81度。度。TNT炸藥的炸藥的數(shù)量有被使用作為能量單位，每公斤可產生數(shù)量有被使用作為能量單位，每公斤可產生420萬焦耳的萬焦耳的能量，能量，1000噸噸TNT相等于相等于4.2兆焦耳，一百萬噸相等于兆焦耳，一百萬噸相等于4200兆焦耳。兆焦耳。TNT 物理學物理學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 此類重核裂變反應中，系統(tǒng)可以在極短的時間內釋

38、放此類重核裂變反應中，系統(tǒng)可以在極短的時間內釋放出大量的能量。當出大量的能量。當“下一代下一代”中子數(shù)為兩個時，在不到一中子數(shù)為兩個時，在不到一微秒的時間內，一千克的鈾或钚中會有微秒的時間內，一千克的鈾或钚中會有24個原子核發(fā)生裂個原子核發(fā)生裂變反應，而就在這不到一微秒的時間內，此反應所在產生變反應，而就在這不到一微秒的時間內，此反應所在產生出能量相當于出能量相當于2萬噸萬噸TNT當量。這也是原子彈那極具破壞當量。這也是原子彈那極具破壞性威力的來源。而在原子彈的實際使用及爆炸中，需要提性威力的來源。而在原子彈的實際使用及爆炸中，需要提高爆炸的威力，為了利用高爆炸的威力，為了利用“快中子裂變體系

39、快中子裂變體系”，需要使用，需要使用高濃度的裂變物質作為裝藥，同時裝藥量必須遠遠超過臨高濃度的裂變物質作為裝藥，同時裝藥量必須遠遠超過臨界質量，使得中子的增值系數(shù)遠遠大于一。界質量，使得中子的增值系數(shù)遠遠大于一。 物理學物理學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舉例來說，鈾裂變有時產生氪和鋇，反應方程式為舉例來說，鈾裂變有時產生氪和鋇，反應方程式為 放出放出201Mev能量，能量， 這個能量差不多能使你肉這個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。相比之下一個碳一下了。相比之下一個碳原子燃燒產生的能量只有原子燃燒產生的能量只有4.1eV，僅是裂變能量的，僅是裂變能量的5千萬分之一。千萬分之一。 物理學物理學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 這只是一個原子裂變放出的能量，這只是一個原子裂變放出的能量，1摩爾鈾摩爾鈾-235里面有里面有 個原子，也就是超過個原子，也就是超過6千萬億億個鈾原子，總重千萬億億個鈾原子，總重235克。鈾的比重克。鈾的比重和黃金差不多，所以和黃金差不多，所以1摩爾的鈾也就和摩爾的鈾也就和250克的金條差不多大，可以放在手心里。這克的金條差不多大，可以放在手心里。這些原子如果全部裂變的

41、話，能量相當驚人些原子如果全部裂變的話，能量相當驚人，差不多相當于，差不多相當于600噸煤完全燃燒所釋放的噸煤完全燃燒所釋放的能量。能量。1kg的鈾的鈾-235或钚或钚-239完全裂變，釋完全裂變，釋放出的能量大約等于放出的能量大約等于2萬噸烈性的萬噸烈性的TNT炸藥炸藥爆炸的威力。爆炸的威力。231002.6 物理學物理學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是一種烈性炸藥，呈黃色粉末或魚鱗片狀，難溶是一種烈性炸藥，呈黃色粉末或魚鱗片狀，難溶于水于水 ，可用于水下爆破。由于威力，產生有毒的，可用于水下爆破。由于威力，產生有

42、毒的一氧化碳。一氧化碳。TNT炸藥的數(shù)量有被作為能量單位使炸藥的數(shù)量有被作為能量單位使用，每公斤用，每公斤TNT可產生可產生420萬焦耳的能量，萬焦耳的能量，1000噸噸TNT相等于相等于4.2兆焦耳，一百萬噸相等于兆焦耳，一百萬噸相等于4200兆兆焦耳。焦耳。TNT 物理學物理學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 的原子核裂變時，還會放出中子，平均有的原子核裂變時，還會放出中子，平均有2個。這就個。這就是說，一個中子引起的核裂變，會放出是說，一個中子引起的核裂變，會放出2個中子。而這些個中子。而這些中子又會引起周圍原子核的裂變，于是就會象雪崩一樣中子又會引起周圍原子核的裂

43、變，于是就會象雪崩一樣引起一連串的原子核裂變，這個過程就叫鏈式反應。但引起一連串的原子核裂變，這個過程就叫鏈式反應。但是這些中子未必都會引起新的裂變，譬如由于原子核十是這些中子未必都會引起新的裂變，譬如由于原子核十分微小，所以中子不一定能接觸到鈾核，如果鈾塊不夠分微小，所以中子不一定能接觸到鈾核，如果鈾塊不夠大的話，有些中子就會飛出鈾塊，不能引起新的裂變。大的話，有些中子就會飛出鈾塊，不能引起新的裂變。當然，鈾塊中的雜質也會吸收中子，使新的裂變不能進當然，鈾塊中的雜質也會吸收中子，使新的裂變不能進行。能使裂變材料的鏈式反應能持續(xù)進行的最小的體積行。能使裂變材料的鏈式反應能持續(xù)進行的最小的體積稱

44、之為稱之為臨界體積臨界體積，這時它的質量成為，這時它的質量成為臨界質量臨界質量。臨界質。臨界質量和裂變材料的種類、純度、密度以及幾何形狀密切相量和裂變材料的種類、純度、密度以及幾何形狀密切相關，如果材料包裹以中子反射材料的話，還可以降低臨關，如果材料包裹以中子反射材料的話，還可以降低臨界質量。界質量。 U235 物理學物理學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 钚比起鈾來，具有更小的臨界質量，因此可以實現(xiàn)核武器钚比起鈾來，具有更小的臨界質量，因此可以實現(xiàn)核武器小型化。由于天然鈾當中，鈾小型化。由于天然鈾當中，鈾-235只有只有0.7%，而制造原，而制造原子彈必須要使用濃度達到

45、子彈必須要使用濃度達到90%以上的鈾以上的鈾-235。所以提煉鈾。所以提煉鈾-235絕非易事，一般提煉鈾絕非易事，一般提煉鈾-235是先將礦石加工成含鈾是先將礦石加工成含鈾75%的的“黃餅黃餅”（1000噸礦石僅能生產噸礦石僅能生產1.21.5噸黃餅）噸黃餅），再提純制得高純度的二氧化鈾，最后制造成氣體六氟化，再提純制得高純度的二氧化鈾，最后制造成氣體六氟化鈾（鈾（ ，室溫下是固體，室溫下是固體，65時升華）。然后再通過氣時升華）。然后再通過氣體擴散法、電磁分離法、噴嘴分離法以及最新的激光分離體擴散法、電磁分離法、噴嘴分離法以及最新的激光分離法等等提取制備出高濃度的鈾法等等提取制備出高濃度的鈾

46、-235。而制備钚。而制備钚-239的則要的則要簡單一些，一般用化學分離法，現(xiàn)在也用離子交換樹脂來簡單一些，一般用化學分離法，現(xiàn)在也用離子交換樹脂來實現(xiàn)鈾和钚的分離。因此，事實上原子彈更多采用钚實現(xiàn)鈾和钚的分離。因此，事實上原子彈更多采用钚-239做為裂變材料。做為裂變材料。6UF 物理學物理學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 原子彈就是將亞臨界狀態(tài)的裂變材料變原子彈就是將亞臨界狀態(tài)的裂變材料變成超臨界狀態(tài)，同時提供一些中子，使裂成超臨界狀態(tài)，同時提供一些中子，使裂變鏈式反應能持續(xù)進行，從而發(fā)出巨大的變鏈式反應能持續(xù)進行，從而發(fā)出巨大的能量。能量。 有兩種實現(xiàn)的方法：有兩

47、種實現(xiàn)的方法： 槍法槍法內爆法內爆法 物理學物理學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 顧名思義就是象打顧名思義就是象打槍一樣，利用普通炸藥槍一樣，利用普通炸藥爆炸，把一塊亞臨界狀爆炸，把一塊亞臨界狀態(tài)的鈾迅速射向另一塊態(tài)的鈾迅速射向另一塊，兩塊鈾結合在一起質，兩塊鈾結合在一起質量就超過了臨界質量。量就超過了臨界質量。這很象是鈾塊的互相射這很象是鈾塊的互相射擊。事實上，鈾塊外還擊。事實上，鈾塊外還包有中子反射層，原子包有中子反射層，原子彈內部還有導向槽保證彈內部還有導向槽保證鈾塊能準確射到另一塊鈾塊能準確射到另一塊。槍法槍法 物理學物理學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 這種原子彈制造技術簡單，這種原子彈制造技術簡單，1945年年8月月6日美國日美國投擲在廣島的原子彈投擲在廣島的原子彈“小男孩小男孩” （The little boy）就是這種。用于技術簡單，連核試驗都沒做，）就是這種。用于技術簡單，連核試驗都沒做，直接就使用了。但是，這種原子彈的核材料利用直接就使用了。但是，這種原子彈的核材料利用率很低，率很低，“小男孩小男孩”用了超過用了超過60kg的鈾，爆炸的的鈾，爆炸的TNT當量為當量為1.41.5萬噸，利用率僅為萬噸，利用率僅為1.2%，現(xiàn)，現(xiàn)在通過技術改進利用率也僅能達到在通過技術改進利用率也僅能達到10%左右。另左右。另外，钚外，

49、钚-239不能用槍法，因為钚更容易裂變，使不能用槍法，因為钚更容易裂變，使用槍法會造成點火過早，一些钚裂變產生的熱量用槍法會造成點火過早，一些钚裂變產生的熱量會使材料膨脹而達不到臨界狀態(tài)。會使材料膨脹而達不到臨界狀態(tài)。 物理學物理學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 內爆法內爆法 是利用普通炸藥爆炸產生的沖擊波，壓縮裂變材是利用普通炸藥爆炸產生的沖擊波，壓縮裂變材料，使材料密度增加。這樣單位體積內的原子核數(shù)量增加料，使材料密度增加。這樣單位體積內的原子核數(shù)量增加，和中子碰撞的概率也就增加；而且壓縮后表面積減小，和中子碰撞的概率也就增加；而且壓縮后表面積減小，中子泄漏也就減少

50、了。一般普通炸藥是多點起爆，造成向中子泄漏也就減少了。一般普通炸藥是多點起爆，造成向內匯聚的球面波，這樣能將核材料壓成密度盡可能高的球內匯聚的球面波，這樣能將核材料壓成密度盡可能高的球形，使材料達到超臨界狀態(tài)。但這多點同時起爆控制很難形，使材料達到超臨界狀態(tài)。但這多點同時起爆控制很難，比如雷管的控制，起爆點是否夠密集，多點炸藥的密度，比如雷管的控制，起爆點是否夠密集，多點炸藥的密度是否均勻，結構部件加工的誤差等等。因此制造原子彈絕是否均勻，結構部件加工的誤差等等。因此制造原子彈絕對是對一個國家的綜合考驗。使用內爆法的好處是能提高對是對一個國家的綜合考驗。使用內爆法的好處是能提高材料的利用率，一

51、開始這種原子彈的核材料利用率為材料的利用率，一開始這種原子彈的核材料利用率為10%左右，現(xiàn)在通過技術改進已能達到左右，現(xiàn)在通過技術改進已能達到20%以上了。以上了。1945年年美國第一次核試驗（也是人類的首次核試驗）使用的就是美國第一次核試驗（也是人類的首次核試驗）使用的就是這種原子彈，后來投擲到長崎的原子彈這種原子彈，后來投擲到長崎的原子彈“胖子胖子”也是這種也是這種。內爆法內爆法 物理學物理學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時時24分，美國在新墨西哥州阿拉莫分，美國在新墨西哥州阿拉莫戈多的戈多的“三一三一”試驗場內試驗場內30米高

52、的鐵塔上，進行了人類有米高的鐵塔上，進行了人類有史以來的第一次核試驗用的是內爆法。史以來的第一次核試驗用的是內爆法?！癟he Gadget ” “小玩意兒小玩意兒”钚裝藥重钚裝藥重6.1千克，千克，TNT當量當量2.2萬噸，試驗中萬噸，試驗中產生了上千萬度的高溫和數(shù)百億個大氣壓，致使一座產生了上千萬度的高溫和數(shù)百億個大氣壓，致使一座30米米高的鐵塔被熔化為氣體，并在地面上形成一個巨大的彈坑高的鐵塔被熔化為氣體，并在地面上形成一個巨大的彈坑。 在半徑為在半徑為400米的范圍內，沙石被熔化成了黃綠色的玻璃米的范圍內，沙石被熔化成了黃綠色的玻璃狀物質，半徑為狀物質，半徑為1600米的范圍內，所有的動

53、物全部死亡米的范圍內，所有的動物全部死亡。 物理學物理學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，我國的第一顆原子彈就是內爆法原子彈，值得一提得是，我國的第一顆原子彈就是內爆法原子彈，而且我國使用的核材料是生產難度大的鈾而且我國使用的核材料是生產難度大的鈾-235，而且還是，而且還是在較短時間內研制的，這絕對令國人感到自豪。在較短時間內研制的，這絕對令國人感到自豪。 物理學物理學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時時, ,中國中國在本國西在本國西部地區(qū)試部地區(qū)試爆成功一爆成功一顆原子彈顆原

54、子彈蘑菇云發(fā)展圖蘑菇云發(fā)展圖 物理學物理學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 不管是哪種原子彈，都有兩次爆炸點火過程，先是不管是哪種原子彈，都有兩次爆炸點火過程，先是雷管引爆普通炸藥，利用這次爆炸的能量使核材料達到超雷管引爆普通炸藥，利用這次爆炸的能量使核材料達到超臨界狀態(tài)，再是超臨界狀態(tài)下中子點火，引起核爆炸。這臨界狀態(tài)，再是超臨界狀態(tài)下中子點火，引起核爆炸。這兩步雖然很短暫，但步驟分明。兩步雖然很短暫，但步驟分明。 物理學物理學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 美國原子彈突襲廣島和長崎造成了巨大的毀傷。美國原子彈突襲廣島和長崎造成了巨大的毀傷

55、。 廣島市區(qū)廣島市區(qū)80%的建筑化為灰燼，的建筑化為灰燼，6.4萬人喪生，萬人喪生，7.2萬人受傷，萬人受傷，傷亡總人數(shù)占全市總人口的傷亡總人數(shù)占全市總人口的53%。在長崎投擲的原子彈爆炸后。在長崎投擲的原子彈爆炸后形成的蘑菇狀云團，爆炸產生的氣流、煙塵直沖云天，高達形成的蘑菇狀云團，爆炸產生的氣流、煙塵直沖云天，高達12英里多。長崎市英里多。長崎市60%的建筑物被摧毀，傷亡的建筑物被摧毀，傷亡8.6萬人，占全市萬人，占全市總人口的總人口的37%。許多幸存者飽受輻射后遺癥的折磨，包括癌癥、。許多幸存者飽受輻射后遺癥的折磨，包括癌癥、白血病和皮膚灼傷。白血病和皮膚灼傷。這是美國在日本投擲的兩顆原

56、子彈這是美國在日本投擲的兩顆原子彈U235“小男孩小男孩”4.5t1945.8.6投至廣島投至廣島槍法鈾彈槍法鈾彈“胖子胖子” 5t1945.8.8投至長崎投至長崎Pu239內爆钚彈內爆钚彈 物理學物理學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痛苦的痛苦的回憶回憶原子彈在日本造成的原子彈在日本造成的瘡瘡滿滿目目痍痍 物理學物理學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 某些輕核結合成質量較大的核的核反應過某些輕核結合成質量較大的核的核反應過程，同時放出大量的核能。程，同時放出大量的核能。例：例：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

57、熱加熱高溫高溫熱核反應熱核反應幾百萬幾百萬度高溫度高溫輕核聚變輕核聚變nHeHH10422131 物理學物理學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 根據(jù)所給數(shù)據(jù)根據(jù)所給數(shù)據(jù), 可計算核反應放出的能量可計算核反應放出的能量:nHeHH10423121氘核的質量：氘核的質量：mD2.014102u氚核的質量：氚核的質量：mT3.016050u氦核的質量：氦核的質量：m4.002603u中子的質量：中子的質量：mn=1.008665u 物理學物理學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計算表明，這個核反應釋放的能量是計算表明，這個核反應

58、釋放的能量是17.6MeV 。這個量值雖然。這個量值雖然比一個鈾核裂變產生的能量（比一個鈾核裂變產生的能量（201MeV）少，但平均每個核子）少，但平均每個核子產生的能量產生的能量= = 3.52MeV= = 0.852MeV的約的約4倍。倍。卻是鈾裂變卻是鈾裂變 物理學物理學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 使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離十分接近，達使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離十分接近，達到到10-15m的距離。的距離。為了克服巨大的庫侖力，需要使原子核有極大的動為了克服巨大的庫侖力，需要使原子核有極大的動能。能。一般的辦法是把它們加熱到很高的溫度。通常需要一般的

59、辦法是把它們加熱到很高的溫度。通常需要幾百萬度以上的高溫。幾百萬度以上的高溫。例如：氫彈是利用核聚變原理制造的大規(guī)模殺傷性武器例如：氫彈是利用核聚變原理制造的大規(guī)模殺傷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“引子引子”。所以，原。所以，原子彈可以作為氫彈的子彈可以作為氫彈的“雷管雷管”。作業(yè)：定量計算作業(yè)：定量計算條件、應用條件、應用 物理學物理學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 氫彈氫彈世界第一顆氫彈世界第一顆氫彈麥克麥克“麥克麥克”爆炸成爆炸成功功我國第一顆氫彈爆炸生成的蘑菇云我國第一顆氫彈爆炸生成的蘑菇云 物理學物理學前沿前沿第四

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，在當時由美國政府托管的馬紹爾群島上，一個日，在當時由美國政府托管的馬紹爾群島上，一個巨大的蘑菇云從地面升起。由美國制造的、人類第一枚氫彈巨大的蘑菇云從地面升起。由美國制造的、人類第一枚氫彈“麥克麥克”試爆成功了。這個武器的威力遠遠超過了其設計者們的預計，頃刻間試爆成功了。這個武器的威力遠遠超過了其設計者們的預計，頃刻間將附近的一些小島化為灰燼。但將附近的一些小島化為灰燼。但60年來，試爆地點年來，試爆地點恩尼威托克島恩尼威托克島上的居民一直受到核武器殘留物不斷釋放出來的射線的輻射，健康大上的居民一直受到核武器殘留物不斷釋放出來的射線的輻射，