第二節(jié)+核能 核技術(shù)（教學課件）-【中職專用】高中物理（高教版）

物理第二節(jié)

核能

核技術(shù)主題六

核能及其應用通用類高等教育出版社核電站要安裝圓球形的穹頂，你知道是為什么嗎？輕核聚變34主要內(nèi)容1重核裂變2原子核的人工轉(zhuǎn)變

原子核的組成核能

質(zhì)量虧損19世紀30年代初，中子被發(fā)現(xiàn)以后，科學家就利用它去轟擊各種元素研究核反應。1934年意大利物理學家費米發(fā)現(xiàn)，用慢中子轟擊靶物質(zhì)，更容易引起核反應。這一發(fā)現(xiàn)很快被各國科學家采用，也為核能的利用創(chuàng)造了條件。1原子核的人工轉(zhuǎn)變原子核的組成

盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核的實驗

一、原子核的人工轉(zhuǎn)變

（1）用化學反應、加溫、加壓或加電磁場的方法，都無法改變原子核。盧瑟福用鐳放射出的α粒子當“炮彈”去轟擊氮原子核，第一次使原子核人為地發(fā)生轉(zhuǎn)變。

（2）用α

粒子轟擊其他元素，也發(fā)現(xiàn)有質(zhì)子被驅(qū)逐出來，由此可知，質(zhì)子是原子核的組成部分。質(zhì)子

（3）原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象叫做核反應。用人為的方法使原子核發(fā)生了轉(zhuǎn)變，這樣的過程稱為人工核反應。

二、核反應方程式

2.用α

粒子轟擊氮原子核的核反應方程式：

核反應前后的質(zhì)量數(shù)和核電荷數(shù)都是守恒的。

1.核反應常用核反應方程式來表示。用表示原子核，其中X表示某元素，A表示原子核的質(zhì)量數(shù)，Z表示核電荷數(shù)。

例如，鈾核用表示，則鈾核的核電荷數(shù)為92，質(zhì)量數(shù)為238。

推斷它是一種中性粒子流。

原子核中除了質(zhì)子外，還有一種質(zhì)量與質(zhì)子相近不帶電的中性粒子存在，并稱為中子。

1.1920年盧瑟福預言：

三、中子的發(fā)現(xiàn)

2.1930年德國物理學家博特用α

粒子轟擊鈹時，產(chǎn)生了一種射線，有極強的貫穿力，認為是高能量的γ射線。

3.1932年英國物理學家查德威克對這種射線進行了深入地研究

（1）這種射線在磁場中不偏轉(zhuǎn)，

推斷它是一種中性粒子流。（3）測出這種射線粒子的質(zhì)量與質(zhì)子幾乎相等。

因此查德威克認為：這種粒子就是盧瑟福預言的中子。4.中子的質(zhì)量數(shù)為1，電荷數(shù)為0，用表示。

用

粒子轟擊鈹核生成中子的核反應方程是：

（2）測出這種射線的速度不到光速的十分之一，

在原子核里，存在著一種比庫侖力強得多的吸引力，叫做核力，它把核子緊緊地束縛在原子核內(nèi)。

四、原子核的組成

1.

原子核的組成

原子核是由質(zhì)子和中子組成的。

2.核子

質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。

質(zhì)子數(shù)＝核電荷數(shù)＝原子序數(shù)

質(zhì)量數(shù)＝質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)

3.

核力

核力存在于核內(nèi)所有核子之間。

核力只在

2.0×10-15m

的短距離內(nèi)起作用，超過這個距離，核力就不復存在。

1.

同位素

具有相同質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的原子互稱為同位數(shù)。

具有相同質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的原子，它們核外電子數(shù)相同，因而具有相同的化學性質(zhì)，屬于同一種元素。

五、同位素2.放射性同位素

具有放射性的同位素叫做放射性同位素。

用質(zhì)子、氘、中子和

光子轟擊原子核都可以獲得放射性同位素。目前人工制造的放射性同位素已近2000種。放射性同位素在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和科研等方面都得到廣泛的應用。2

核能

質(zhì)量虧損

一、核能

鈾核受到中子的轟擊后，分裂成兩個質(zhì)量相近的“碎塊”，同時還放出兩個或三個中子。

伴隨著鈾核的裂變，將有大量的能量放出。還有些核反應的發(fā)生，需要吸收巨大的能量。

發(fā)生核反應時，伴隨著巨大的能量變化，這種能量叫做核反應能，簡稱核能。

二、質(zhì)能方程質(zhì)量虧損

1.質(zhì)能方程

愛因斯坦的相對論指出：一定質(zhì)量的物體，對應一定的能量。物體的能量跟它的質(zhì)量成正比，即

這個公式叫做愛因斯坦質(zhì)能方程，簡稱質(zhì)能方程。

2.質(zhì)量虧損

原子核的質(zhì)量比組成它的各個核子的質(zhì)量之和要小，組成原子核的各個核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差，叫做核的質(zhì)量虧損。

核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)了質(zhì)量虧損

m，正表明它們在互相結(jié)合過程中放出了能量

E。例如，中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核時，質(zhì)量虧損

m=0.002388u。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程可知核反應時釋放的能量為3重核裂變一般情況下，鈾核裂變時總要釋放出2~3個中子，這些中子又會引起其他鈾核的裂變，這樣裂變反應就會不斷地進行下去，釋放出越來越多的能量，這就是鏈式反應，如右圖所示。重核裂變1964年10月16日15時，我國第一顆原子彈在新疆羅布泊爆炸成功（右圖）。我國是繼美、蘇、英、法之后，第五個擁有原子彈的國家。一、重核裂變?nèi)鐖D所示，核反應堆一般用鈾棒作為核燃料，用石墨、重水或輕水等作為中子的減速劑，用易于吸收中子的銀、銦、鎘合金制成控制棒，控制裂變反應的快慢。原子彈爆炸時鏈式反應的快慢是無法控制的，為了用人工方法控制鏈式反應的速度，使核能比較平緩地釋放出來，人們制成了核反應堆。重核裂變用于發(fā)電的反應堆中，壓水反應堆是當前應用最廣泛的堆型，其主要結(jié)構(gòu)示意圖如右圖所示。我國的核能開發(fā)已進入規(guī)?；l(fā)展的新時期，截至2020年底，已擁有浙江秦山、廣東大亞灣、廣東嶺澳、江蘇田灣、遼寧紅沿河等19座核電站。48座在運反應堆，在運核電機組總裝機容量約4800萬千瓦，年發(fā)電量位列全球第三。在建核電機組21臺，裝機容量約為2000萬千瓦，在建核電機組規(guī)模居世界第一。還有30座核電站正在籌建。預計到2030年，我國核電裝機容量將達到1.5億千瓦，成為全球最大的核能國家。重核裂變我國已經(jīng)成功研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)和獨立出口權(quán)的全球最大的裝機容量為1400MW的非能動壓水堆機組——CAP1400，目前2臺機組正在山東榮成安裝建設中。重核裂變我國具有自主三代核電技術(shù)的“華龍一號”各有2臺機組正分別在福建福清核電站、廣西防城港核電站安裝建設中，并且有2臺機組已經(jīng)走出國門，正在巴基斯坦卡拉奇核電站安裝建設中（下圖）。重核裂變

安全殼既要內(nèi)部容積巨大，可以容納殼內(nèi)各種設備的布置和運行，又要承受反應堆發(fā)生意外事故時產(chǎn)生的巨大壓力，因此穹頂常被設計成蛋形樣式。與水電、風電、太陽能發(fā)電相比，核電也具有核電單機容量大，運行穩(wěn)定，利用小時數(shù)高，可以作為電網(wǎng)基荷運行等明顯的優(yōu)勢。。相比核電站消耗的燃料很少，比如：一座百萬千瓦級的核電站，每年只需要消耗30t左右的濃縮鈾，而同樣功率的火電站，每年卻要消耗250萬噸左右的煤。與火電相比，核電戰(zhàn)對環(huán)境的污染很小，所以說核能是一種清潔能源。4

輕核聚變

人們還發(fā)現(xiàn)，當把某些輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核時，能釋放出比裂變更多的能量，人們把這樣的反應稱為輕核聚變，簡稱聚變。若想讓輕核發(fā)生聚變，必須要使它們之間的距離小于10－10m。由于原子核都是帶正電的，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的電磁斥力。這就需要使原子核具有很大的動能。只有當物質(zhì)達到1000萬攝氏度以上的高溫時，劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能，才可以克服相互間的電磁斥力，發(fā)生碰撞，產(chǎn)生聚變反應。因此，聚變反應又稱熱核反應。人們利用輕核聚變制造出了比原子的彈威力更大的核武器——氫彈。氫彈是利用‘了原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫引起熱核反應，其威力往往相當于數(shù)百個原子彈。1967年6月17日，如圖是我國第一顆氫彈爆炸成功的圖片。我國是世界上第四個擁有氫彈的國家，也是世界上研制時間最短的國家。熱核反應在宇宙中是很普遍的。太陽內(nèi)部和許多恒星內(nèi)部的溫度高達1000萬攝氏度以上，熱核反應在那里激烈地進行著。受控核聚變具有極其誘人的應用前景。與核裂變相比，核聚變幾乎不會帶來放射性污染等環(huán)境問題，而且核聚變所需的原料——氫的同位素氘可以從海水中提取，原料豐富。要利用核聚變產(chǎn)生的巨大能量為人類服務，則必須設法控制核聚變反應的速度，使能量緩慢地釋放，這就是受控核聚變。“人造太陽”——“