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第十九章 原子核 第六节 核裂变人教版选修人教版选修3-5核反应核反应电子原子核 在核物理学中，在核物理学中，原子核在其他粒子原子核在其他粒子的轰击下产生新原的轰击下产生新原子核的过程，称为子核的过程，称为核反应核反应 研究表明：原子核的质量虽然随着原子序数的研究表明：原子核的质量虽然随着原子序数的增大而增大，但是二者之间并不成正比关系，其核增大而增大，但是二者之间并不成正比关系，其核子的平均质量与原子序数有如图的关系：子的平均质量与原子序数有如图的关系：核子的平均质量是：核子的平均质量是：原子核的质量原子核的质量核子数核子数核子平均质量核子平均质量平均结合能平均结合能核子的平均结合能随质量数的变化核子的平均结合能随质量数的变化z 物理学中把重核分裂成两个较轻的核时，释放物理学中把重核分裂成两个较轻的核时，释放出核能的反应叫做出核能的反应叫做核裂变核裂变一一.核裂变核裂变1.核裂变核裂变2、铀核的裂变、铀核的裂变（1）发现）发现1939年年12月，德国物理学家月，德国物理学家哈恩哈恩和他的助手和他的助手斯特拉斯曼斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。生了裂变。（2）裂变产物）裂变产物多种多样多种多样+链式反应链式反应（1 1 1 1）定义：）定义：）定义：）定义：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代由重核裂变产生的中子使裂变反应一代由重核裂变产生的中子使裂变反应一代由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做接一代继续下去的过程，叫做接一代继续下去的过程，叫做接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应核裂变的链式反应核裂变的链式反应核裂变的链式反应使裂变物资能够发生链式反应的最小体积叫使裂变物资能够发生链式反应的最小体积叫做它的做它的临界体积临界体积，相应的质量叫做，相应的质量叫做临界质量临界质量。35种种元元素素的的200多种多种位素位素同同发生链式反应发生链式反应爆爆炸炸（2）发生链式反应的条件）发生链式反应的条件：铀块的质量铀块的质量大于大于临界质量，或者铀块的临界质量，或者铀块的体积体积大于大于临界体积。临界体积。1kg1kg铀全部裂变，它放出的能量超过铀全部裂变，它放出的能量超过20002000t t优优质煤完全燃烧时释放的能量质煤完全燃烧时释放的能量 足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量界质量界质量界质量(critical mass)(critical mass)。铀铀铀铀-235-235 的临界质量约的临界质量约的临界质量约的临界质量约为为为为 1 kg1 kg，质量超过，质量超过，质量超过，质量超过1 kg 1 kg 则发生爆炸。则发生爆炸。则发生爆炸。则发生爆炸。任何有核反应任何有核反应任何有核反应任何有核反应堆的国家都不难得堆的国家都不难得堆的国家都不难得堆的国家都不难得到爆炸级的裂变材到爆炸级的裂变材到爆炸级的裂变材到爆炸级的裂变材料，原子弹的基本料，原子弹的基本料，原子弹的基本料，原子弹的基本设计又如此简单，设计又如此简单，设计又如此简单，设计又如此简单，从而为防止核武器从而为防止核武器从而为防止核武器从而为防止核武器扩散带来了困难。扩散带来了困难。扩散带来了困难。扩散带来了困难。美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12121212英里多英里多英里多英里多广岛市区广岛市区广岛市区广岛市区80%80%80%80%的建筑化为灰烬，的建筑化为灰烬，的建筑化为灰烬，的建筑化为灰烬，64000640006400064000人丧生，人丧生，人丧生，人丧生，72000720007200072000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的人受伤，伤亡总人数占全市总人口的人受伤，伤亡总人数占全市总人口的人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%53%53%53%长崎市长崎市长崎市长崎市60%60%60%60%的建筑物被摧毁，伤亡的建筑物被摧毁，伤亡的建筑物被摧毁，伤亡的建筑物被摧毁，伤亡86000860008600086000人，占全人，占全人，占全人，占全市市市市37%37%37%37%原子弹原子弹中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图解决能源危机根本途径核能 可开发的核裂变燃料资源可使用上可开发的核裂变燃料资源可使用上千年。千年。二、核电站二、核电站水泥防护层水泥防护层控制棒控制棒镉棒镉棒燃料棒燃料棒铀棒铀棒减速剂减速剂二、核电站二、核电站慢中子反应堆慢中子反应堆核电站核电站核心设施：核反应堆核心设施：核反应堆 浓缩铀制成的浓缩铀制成的铀棒铀棒减速剂：减速剂：石墨石墨、重水重水或或普通水普通水，用于减小中子的速度用于减小中子的速度控制棒：控制棒：镉棒镉棒，用于吸收中子，用于吸收中子，控制核反应的快慢控制核反应的快慢。解决能源危机根本途径解决能源危机根本途径核能。核能。可开发的可开发的核裂变核裂变燃料资源可使用上千年。燃料资源可使用上千年。核聚变核聚变资源可使用几亿年。资源可使用几亿年。核子平核子平均质量均质量原子序数原子序数合成合成1、轻核的聚变 某些轻核能够结合在一起，生成一某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，个较大的原子核，同时放出大量的核能。同时放出大量的核能。这种核反应叫做这种核反应叫做聚变聚变。一、核聚变计算下面核聚变放出的能量:氘核的质量：mD2.014102u氚核的质量：mT3.016050u氦核的质量：m4.002603u中子的质量：mn=1.008665u 计算表明，这个核反应释放的能量是计算表明，这个核反应释放的能量是17.6MeV 17.6MeV。这个量值虽然比一个铀核裂变产生的。这个量值虽然比一个铀核裂变产生的能量（能量（201MeV201MeV）少，但平均每个核子产生的能量）少，但平均每个核子产生的能量是铀裂变是铀裂变（=0.852MeV的约的约4 4倍。倍。2、发生聚变的条件:要使原子核间的距离达到10-15m，核力才能大于电磁力3、实现的方法有:把原子核加热到很高的温度；如何能使轻核具有较大的动能呢？需要克服极大的库仑斥力，需要克服极大的库仑斥力，需要克服极大的库仑斥力，需要克服极大的库仑斥力，因此必须让轻核因此必须让轻核因此必须让轻核因此必须让轻核具有很大的动能。具有很大的动能。具有很大的动能。具有很大的动能。几百万开尔文高温几百万开尔文高温聚变反应又叫聚变反应又叫热核反应热核反应核聚变的利用核聚变的利用氢弹氢弹三种炸药：三种炸药：普通炸药普通炸药235235氘、氚氘、氚爆炸爆炸裂变裂变聚变聚变弹体弹体引爆装置引爆装置小小型型原原子子弹弹氘、氚等热氘、氚等热核燃料核燃料铀铀235235外壳外壳普通炸药普通炸药世界第一颗氢弹麦克氢弹爆炸形成的磨姑云太阳太阳是一个巨大的是一个巨大的热核反应堆热核反应堆。热核反应在宇宙中时时刻刻地热核反应在宇宙中时时刻刻地热核反应在宇宙中时时刻刻地热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温进行着，太阳和很多恒星的内部温进行着，太阳和很多恒星的内部温进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达度高达度高达度高达101010107 7 7 7 K K K K以上，因而在那里进以上，因而在那里进以上，因而在那里进以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界行着激烈的热核反应，不断向外界行着激烈的热核反应，不断向外界行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放释放着巨大的能量。太阳每秒释放释放着巨大的能量。太阳每秒释放释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为的能量约为的能量约为的能量约为3.8103.8103.8103.81026262626 J J J J，地球只，地球只，地球只，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳接受了其中的二十亿分之一。太阳接受了其中的二十亿分之一。太阳接受了其中的二十亿分之一。太阳在在在在“核燃烧核燃烧核燃烧核燃烧”的过程中的过程中的过程中的过程中“体重体重体重体重”不不不不断减轻。它每秒有亿吨原子核参断减轻。它每秒有亿吨原子核参断减轻。它每秒有亿吨原子核参断减轻。它每秒有亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是与碰撞，转化为能量的物质是与碰撞，转化为能量的物质是与碰撞，转化为能量的物质是400400400400万吨。科学家估计，太阳的这种万吨。科学家估计，太阳的这种万吨。科学家估计，太阳的这种万吨。科学家估计，太阳的这种“核燃烧核燃烧核燃烧核燃烧”还能维持还能维持还能维持还能维持90909090亿亿亿亿 100100100100亿年。亿年。亿年。亿年。当然，与人类历史相比，这个时间当然，与人类历史相比，这个时间当然，与人类历史相比，这个时间当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！很长很长！很长很长！很长很长！太太阳阳的中心的中心发生发生核聚核聚变变，放出巨大放出巨大能量，太能量，太阳阳；这个这个天然的的核聚天然的的核聚变过变过程已经发生程已经发生了好了好几几十十亿亿年年（1 1 1 1）轻核聚变产能）轻核聚变产能）轻核聚变产能）轻核聚变产能效率高效率高效率高效率高1.1.1.1.聚变与裂变相比的聚变与裂变相比的聚变与裂变相比的聚变与裂变相比的优点优点优点优点：（2 2 2 2）地球上聚变燃料的）地球上聚变燃料的）地球上聚变燃料的）地球上聚变燃料的储量丰富储量丰富储量丰富储量丰富（3 3 3 3）轻核聚变）轻核聚变）轻核聚变）轻核聚变更安全、清洁更安全、清洁更安全、清洁更安全、清洁（4 4 4 4）反应中反应中反应中反应中放射物质的处理较容易放射物质的处理较容易放射物质的处理较容易放射物质的处理较容易相同的核燃料释放的能量多。相同的核燃料释放的能量多。相同的核燃料释放的能量多。相同的核燃料释放的能量多。常见的聚变反应平均每个核子放出常见的聚变反应平均每个核子放出常见的聚变反应平均每个核子放出常见的聚变反应平均每个核子放出的能量约的能量约的能量约的能量约3.3MeV3.3MeV3.3MeV3.3MeV，而裂变时平均每个核子释放的能量约为，而裂变时平均每个核子释放的能量约为，而裂变时平均每个核子释放的能量约为，而裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV1MeV1MeV1MeV。1L 1L海水中大约有海水中大约有海水中大约有海水中大约有0.03g0.03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于氘，如果发生聚变，放出的能量相当于氘，如果发生聚变，放出的能量相当于氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧燃烧燃烧燃烧300L300L汽油汽油汽油汽油,轻核聚变是能源危机的终结者。轻核聚变是能源危机的终结者。轻核聚变是能源危机的终结者。轻核聚变是能源危机的终结者。实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。反应就自动终止了。反应就自动终止了。反应就自动终止了。氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。二、受控热核反应核聚变的利用磁约束 带电粒子运动时在均匀带电粒子运动时在均匀带电粒子运动时在均匀带电粒子运动时在均匀磁场中会洛伦兹力的磁场中会洛伦兹力的磁场中会洛伦兹力的磁场中会洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。加反应的物质。加反应的物质。加反应的物质。2.2.2.2.实现核聚变的实现核聚变的实现核聚变的实现核聚变的难点难点难点难点：地球上没有任何容器能够地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。为了解决这个难题，科学家经受如此高的温度。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案：设想了两种方案：1.1.磁约束磁约束 2.2.惯性约束惯性约束惯性约束 由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤挤挤挤”在一起发生反应。在一起发生反应。在一起发生反应。在一起发生反应。