核裂變與核聚變課件高二下學(xué)期物理人教版選擇性

核裂變與核聚變高中物理學(xué)習(xí)目標(biāo)知道核裂變反應(yīng)以及核聚變反應(yīng)；知道鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生條件，知道原子彈的原理；知道裂變反應(yīng)堆的工作原理，知道核電站的工作模式；關(guān)注受控聚變反應(yīng)研究的進(jìn)展，通過核能的利用，思考科學(xué)技術(shù)與社會進(jìn)步的關(guān)系。高中物理知識回顧由于核子間存在強(qiáng)大的核力，要把原子核拆散成核子，要克服核力做功，必須吸收一定的能量。反之，核子結(jié)合成原子核時，也會放出同樣多的能量。這個能量叫做原子核的結(jié)合能。原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱作比結(jié)合能,也叫平均結(jié)合能原子核的比結(jié)合能越大，核子平均質(zhì)量越小，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。中等大小的原子核的比結(jié)合能最大如果使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成中等大小的核，核子的比結(jié)合能都會增加，即核子將發(fā)生新的質(zhì)量虧損，釋放新的結(jié)合能。高中物理新課引入把重核分裂成質(zhì)量較輕的核，釋放出核能的反應(yīng)叫做重核的裂變把輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，釋放出核能的反應(yīng)叫做輕核的聚變高中物理重核的裂變1938

年底，德國物理學(xué)家哈恩（O.

Hahn）和他的助手斯特拉斯曼（F.

Strassmann）在用中子轟擊鈾核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，生成物中有原子序數(shù)為56的元素鋇。奧地利物理學(xué)家邁特納（L.

Meitner）和弗里施（O.

R.

Frisch）對此做出了解釋：鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊。弗里施借用細(xì)胞分裂的生物學(xué)名詞，把這類核反應(yīng)定名為原子核的裂變（fission）。高中物理重核的裂變鈾核裂變的產(chǎn)物是多樣的，一種典型的鈾核裂變是生成鋇和氪，同時放出

3個中子，核反應(yīng)方程是235

U

1n

144

Ba

89

Kr

31

n92 0 56 36 0我國科學(xué)家錢三強(qiáng)、何澤慧夫婦于

1947

年在實(shí)驗(yàn)中觀察到鈾核也可能分裂為三部分或四部分，其概率大約是分裂變?yōu)閮刹糠值母怕实那Х种８咧形锢砗肆炎兡芰酷尫?2 0 56 36235

U

1n

144

Ba

89

Kr

31

n求：該核反應(yīng)釋放的能量和平均每個核子釋放的能量？平均每個核子釋放能量：

27mU

390.3139

10 kg0

27mn

1.6749

10 kgm

234.0016

10

27

kgBa

Krm

152.6047

10

27

kg

3mn)

0.3578

10

27

kg

E

201MeV236201MeV

0.85MeV鈾核裂變時如果生成物不同，釋放的能量也有差異。一個鈾

235

核裂變時釋放的能量如果按

200

MeV估算，1

kg

鈾235全部裂變時放出的能量就相當(dāng)于

2800t

標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時釋放的化學(xué)能！虧損質(zhì)量：

m

（mU

mn

)

(mBa

mKr釋放能量：

E

mc2

3.2202

10-11

J1eV

1.6

10-19

J高中物理鏈?zhǔn)椒磻?yīng)由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（chainreaction）。高中物理臨界體積鏈?zhǔn)椒磻?yīng)要發(fā)生是有條件的！減少裂變物質(zhì)中的雜質(zhì)，要濃縮鈾通常把裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫做它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量。鈾235的臨界體積（球形）直徑只有4.8cm，相應(yīng)的臨界質(zhì)量只有1kg左右。高中物理原子彈原子彈是利用重核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)制成的，在極短時間內(nèi)能夠釋放大量核能，發(fā)生猛烈爆炸。原子彈的燃料是235U

（鈾）或239Pu（钚）。在天然鈾中只有

0.7%

的235U

，剩下的

99.3%

是不易裂變的238U。為得到高濃度的235U，就必須進(jìn)行同位素分離，形成235U

含量較高的濃縮鈾。239Pu

在自然界并不存在，人們利用核反應(yīng)堆中產(chǎn)生的中子打擊238U，生成物衰變后成為239Pu，然后再利用化學(xué)方法將239Pu

從238U中分離出來。高中物理原子彈核燃料一般做成球形，體積小于臨界體積。它的外部安放化學(xué)炸藥，引爆時利用化學(xué)炸藥爆炸的沖擊波將核燃料壓縮至高密度的超臨界狀態(tài)，聚心沖擊波同時壓縮放在核燃料球心的中子源，使它釋放中子，引起核燃料的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。為了降低中子逃逸率以減小臨界質(zhì)量，節(jié)省核燃料，四周用鈾

238做成中子反射層，使逸出燃料區(qū)的部分中子返回。內(nèi)爆式原子彈示意圖槍式原子彈示意圖“槍式”原子彈彈殼里分開放置著一塊球形和一塊圓柱形高濃度鈾235。每一塊的體積都小于臨界體積而大于臨界體

積的一半，在貯存時不會發(fā)生爆炸。這兩塊鈾

235

彼此隔開一段距離，其中球形的被固定，圓柱形的后面安裝普通炸藥和引爆裝置。當(dāng)普通炸藥爆炸時，兩塊鈾壓在一起形成一個整塊，其體積超過臨界體積，立刻發(fā)生鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)而爆炸。高中物理原子彈第二次世界大戰(zhàn)時核裂變的研究已經(jīng)成熟。當(dāng)時法西斯侵略戰(zhàn)爭在蔓延，一些科學(xué)家，特別是那些從法西斯迫害下逃亡出來的科學(xué)家，已經(jīng)預(yù)感到制造原子彈的危險，尤其是風(fēng)傳德國正在加緊鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的研究，又獲悉德國采取了禁止鈾礦石出口等措施，他們更加焦慮萬分。1939

年

7

月，核物理學(xué)家西拉德（L.

Szilard）等人一起找到愛因斯坦，想借助他的名聲敦促美國趕在德國之前造出原子彈。于是愛因斯坦在1939年8月2日簽署了給美國總統(tǒng)羅斯福的著名信件。羅斯?？偨y(tǒng)采納

了他們的建議，下令成立了鈾顧問委員會，開始了代號為“曼哈頓工程”的原子彈研制工作，并于1942年7月委任奧本海默（J.

R.

Oppenheimer，1904

—

1967）為這項工程的技術(shù)負(fù)責(zé)人。1945

年

7

月

16

日，第一顆原子彈在新墨西哥州的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相當(dāng)于1.8萬噸TNT炸藥。爆炸時安放原子彈的鋼塔全部熔化，

在半徑400

m的范圍內(nèi)，沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質(zhì)，半徑1600

m范圍內(nèi)所有動植物全部死亡。高中物理原子彈美國原子彈突襲廣島和長崎造成了巨大的毀傷。在長崎投擲的原子彈爆炸后形成的蘑菇狀云團(tuán)，爆炸產(chǎn)生的氣流、煙塵直沖云天，高達(dá)12英里多．廣島市區(qū)80%的建筑化為灰燼，64000人喪生，

72000人受傷，傷亡總?cè)藬?shù)占全市總?cè)丝诘?3%。長崎市60%的建筑物被摧毀，傷亡86000人，占全市37%

。原子彈的巨大威力震驚了世界，也使反對原子武器的呼聲空前高漲。輿論不僅譴責(zé)下令使用原子彈的人，也要追究科學(xué)家的責(zé)任。大部分原子彈研制的倡議者成了反核戰(zhàn)爭的積極分子，奧本海默本人則辭去了職務(wù)，去進(jìn)行宇宙線的純科學(xué)研究。高中物理原子彈為了打破核壟斷，最終消滅核武器，1964

年

10

月

16

日我國第一顆原子彈爆炸成功。同時，我國政府鄭重承諾：中國在任何時候、任何情況下，都不首先使用核武器，不對無核國家或地區(qū)使用或威脅使用核武器。我國研制成功原子彈，極大地增強(qiáng)了我國的國防力量。1964年10月16日，我國第一顆原子彈爆炸成功。高中物理核反應(yīng)堆在第一個原子彈制成以前，科學(xué)家們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了核能的可控釋放。1942

年，費(fèi)米（E.

Fermi，1901

—

1954）就主持建立了世界上第一個稱為“核反應(yīng)堆”的裝置，首次通過可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)了核能的釋放。中子的速度不能太快，否則會與

鈾

235

原子核“擦肩而過”，鈾核不能“捉”住它，不能發(fā)生核裂變。實(shí)驗(yàn)證明，速度與熱運(yùn)動速度相當(dāng)?shù)闹凶幼钸m于引發(fā)裂變。這樣的中子就是“熱中子”，或稱慢中子。裂變產(chǎn)生的是速度很大的快中子，因此還要設(shè)法使快中子減速。為此，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，快中子跟慢化劑中的原子核碰撞后，中子能量減少，變?yōu)槁凶?。常用的慢化劑有石墨、重水和普通水（也叫輕水）。為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒。鎘吸收中子的能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會慢一些。這種鎘棒叫做控制棒。熱中子（慢中子）核反應(yīng)堆熱中子反應(yīng)堆的核燃料是鈾棒，成分是天然鈾或濃縮鈾（能吸收慢中子的鈾235的含量占2%～4%）。高中物理核電站核反應(yīng)堆可以作為核動力，例如核電站、核潛艇、核艦艇的動力源，還可以用來生產(chǎn)各種放射性同位素，提供中子源和生成裂變材料等。第一回路中的水被泵壓入反應(yīng)堆，通過堆芯時核反應(yīng)放出的熱使水的內(nèi)能增加，水溫升高。第一回路的水進(jìn)入熱交換器，把熱量傳給第二回路的水，然后又被泵壓回反應(yīng)堆里。在熱交換器內(nèi)，第二回路中的水被加熱生成高溫高壓蒸汽，驅(qū)動汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。核反應(yīng)堆高中物理核聚變兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫做聚變（fusion）2

H

3

H

4

He

1n1 1 2 0已知：氘核的質(zhì)量：mD＝2.014102u, 氚核的質(zhì)量：mT＝3.016050u,氦核的質(zhì)量：mα＝4.002603u, 中子的質(zhì)量：mn=1.008665u求：上面核反應(yīng)放出的能量，及平均每個核子釋放的能量？

E

17.6

M

eV虧損質(zhì)量：

m

（mD

mT

)

(mα

mn

)

0.018884u釋放能量：

E

mc2平均每個核子釋放能量：

0.01884

931.5MeV517.6MeV

3.52MeV1

u

相當(dāng)于931.5

MeV一個氘核

與一個氚核結(jié)合成一個氦核時（同時放出一個中子），釋放17.6

MeV的能量，平均每個核子放出的能量在

3

MeV以上，比裂變反應(yīng)中平均每個核子放出的能量大

3～4

倍。高中物理熱核反應(yīng)2

H

3

H

4

He

1n

17.6MeV1 1 2 0要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離達(dá)到

10-15

m以內(nèi)，核力才能起作用。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的庫侖斥力。也就是說，原子核要有很大的動能才會“撞”到一起。什么辦法能使大量原子核獲得足夠的動能來發(fā)生聚變呢？當(dāng)物質(zhì)的溫度達(dá)到幾百萬開爾文時，劇烈的熱運(yùn)動使得一部分原子核具有足夠的動能，可以克服庫侖斥力，碰撞時十分接近，發(fā)生聚變。聚變又叫熱核反應(yīng)太陽內(nèi)部發(fā)生的是氫核的聚變高中物理氫彈氫彈原理圖彈體引爆裝置小型原子彈鈾235外殼氘、氚、重氫化鉀等普通炸藥首先由普通炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸。高中物理受控?zé)岷朔磻?yīng)(一）核聚變的優(yōu)點(diǎn)（相比核裂變）核聚變產(chǎn)能效率高地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富每升水中就含有0.03

g氘，地球上的河流、湖泊、海洋等有138.6億億立方米的水，大約有40多萬億噸氘。反應(yīng)中所用的氚可以利用鋰來制取。地球上鋰的儲量有2

000億噸，用來制取氚足以滿足聚變的需要。輕核聚變更為安全、清潔(二）核聚變的難點(diǎn)地球上沒有任何容器能經(jīng)受如此高的溫度高中物理受控?zé)岷朔磻?yīng)環(huán)流器的結(jié)構(gòu)中國環(huán)流器新一號1.磁約束帶電粒子運(yùn)動時在均勻磁場中會由于洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場來約束參加反應(yīng)的物質(zhì)，這就是磁約束。環(huán)流器（