核裂变核聚变讲解课件

19.6重核的裂变19.6重核的裂变核核反反应应吸收能量吸收能量放出能量核子结合成原子核核子结合成原子核使较重的核分裂成中等大小的核使较重的核分裂成中等大小的核把较小的核合并成中等大小的核把较小的核合并成中等大小的核核反应吸收能量放出能量核子结合成原子核使较重的核分裂成中等大比结合能比结合能核子的比结合能随质量数的变化核子的比结合能随质量数的变化A核子平均质量核子平均质量核子的平均质量随原子序数的变化核子的平均质量随原子序数的变化比结合能核子的比结合能随质量数的变化A核子平均质量核子的平均一、核裂变一、核裂变19381938年底，德国物理学年底，德国物理学哈恩哈恩和他的助手和他的助手斯特拉斯特拉斯曼斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现，生成物在用中子轰击铀核的实验中发现，生成物中有原子序数为中有原子序数为5656的元素钡。的元素钡。奥地利物理学家奥地利物理学家迈特纳迈特纳和和弗里施弗里施对此做出了解对此做出了解释：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不释：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。多的碎块。弗里斯弗里斯把这类核反应定名为把这类核反应定名为核裂变核裂变。1 1、核裂变、核裂变一、核裂变1938年底，德国物理学哈恩和他的助手斯特拉斯曼在铀核裂变的产物是多样的。铀核裂变的产物是多样的。一种典型的裂变是：一种典型的裂变是：一、核裂变一、核裂变铀核裂变的产物是多样的。一、核裂变一、核裂变一、核裂变2 2、链式反应、链式反应由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一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，叫核裂变的代继续下去的过程，叫核裂变的链式反应链式反应。动画一、核裂变2、链式反应由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一一、核裂变一、核裂变3 3、临界体积、临界体积和和临界质量临界质量铀块的铀块的大小大小是链式反应能否进行的重要因素。是链式反应能否进行的重要因素。原子原子核的体积非常小核的体积非常小，原子内部的，原子内部的空隙很大空隙很大，如果铀，如果铀块块不够大不够大，中子在铀块中通过时，就有可能，中子在铀块中通过时，就有可能碰不到碰不到铀铀核而跑到铀块外面去，链式反应不能继续。只有当铀核而跑到铀块外面去，链式反应不能继续。只有当铀块块足够大足够大时，裂变产生的中子才有时，裂变产生的中子才有足够的概率足够的概率打中某打中某个铀核，使链式反应进行下去。个铀核，使链式反应进行下去。通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的叫做它的临界体积，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。一、核裂变3、临界体积和临界质量铀块的大小是链式反应能否进行一、核裂变一、核裂变4 4、裂变核能、裂变核能铀核裂变时如果生成物不同，释放的能量也有差铀核裂变时如果生成物不同，释放的能量也有差异。异。请计算：请计算：一个铀核一个铀核235235裂变时释放的能量如果按裂变时释放的能量如果按200MeV200MeV估算，估算，1kg1kg铀铀235235全部裂变时放出的能量就全部裂变时放出的能量就相当于相当于2800t2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能。标准煤完全燃烧时释放的化学能。1t1t标准煤燃烧时发出标准煤燃烧时发出2.932.9310101010J J的热量。的热量。一、核裂变4、裂变核能铀核裂变时如果生成物不同，释放的能量也一、核裂变一、核裂变STS STS 原子弹与科学家的责任原子弹与科学家的责任一、核裂变STS 原子弹与科学家的责任一、核裂变一、核裂变STS STS 原子弹与科学家的责任原子弹与科学家的责任一、核裂变STS 原子弹与科学家的责任一、核裂变一、核裂变STS STS 原子弹与科学家的责任原子弹与科学家的责任一、核裂变STS 原子弹与科学家的责任二、核电站二、核电站原子核的链式反应也可以在原子核的链式反应也可以在人工控制人工控制下进行。下进行。在第一个原子弹制成以前，科学家们已经实在第一个原子弹制成以前，科学家们已经实现了核能的可控释放。现了核能的可控释放。19421942年，年，费米费米就主持建立了世界上第一个称就主持建立了世界上第一个称为为“核反应堆核反应堆”的装置，首次通过可控制的的装置，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放。链式反应实现了核能的释放。二、核电站原子核的链式反应也可以在人工控制下进行。慢化剂：中子的速度中子的速度不能太快不能太快，否则会与铀，否则会与铀235235原子核原子核“擦肩而过擦肩而过”，铀核，铀核不能不能“捉捉”住它，不能发生核裂住它，不能发生核裂变。实验证明，速度与变。实验证明，速度与热运动速热运动速度度相当的中子最适于引发裂变。相当的中子最适于引发裂变。这样的中子就是这样的中子就是“热中子热中子”，或，或称称慢中子慢中子。但是，裂变产生的是。但是，裂变产生的是速度很大的速度很大的快中子快中子，因此还要设，因此还要设法使快中子减速。为此，在铀棒法使快中子减速。为此，在铀棒周围要放周围要放“慢化剂慢化剂”，快中子跟，快中子跟慢化剂中的原子核慢化剂中的原子核碰撞碰撞后，中子后，中子能量减少，变为慢中子。能量减少，变为慢中子。常用的慢化剂有石墨、重水和普通水（也叫轻水）慢化剂二、核电站二、核电站慢化剂：慢化剂二、核电站控制棒：为了为了调节中子数目调节中子数目以以控控制反应速度制反应速度，还需要，还需要在铀棒之间插进一些在铀棒之间插进一些镉棒。镉棒镉棒。镉棒吸收中子吸收中子的能力很强的能力很强，当反应，当反应过于过于激烈激烈时，将镉棒时，将镉棒插入插入深深一些，让它一些，让它多多吸收吸收一些中子，链式一些中子，链式反应的速度就会反应的速度就会慢慢一一些。些。这种镉棒叫做控制棒。慢化剂二、核电站二、核电站控制棒：慢化剂二、核电站核燃料裂变核燃料裂变释放的能释放的能量量使反应区温度升使反应区温度升高。水或液态的金高。水或液态的金属钠等属钠等流体流体在反应在反应堆堆内外循环流动内外循环流动，把反应堆内的把反应堆内的热量热量传输出去，用于传输出去，用于发发电电，同时也使反应，同时也使反应堆堆冷却冷却。反应堆放出的热使反应堆放出的热使水水变成变成水蒸气水蒸气，这些，这些高温高压的蒸汽推高温高压的蒸汽推动汽轮发电机动汽轮发电机发电发电。二、核电站二、核电站核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高。水或液态的金属钠等流体二、核电站二、核电站二、核电站7 核聚变7 核聚变比结合能比结合能核子的比结合能随质量数的变化核子的比结合能随质量数的变化A核子平均质量核子平均质量核子的平均质量随原子序数的变化核子的平均质量随原子序数的变化比结合能核子的比结合能随质量数的变化A核子平均质量核子的平均一、核聚变一、核聚变一、核聚变1、轻核的聚变（热核反应）轻核的聚变（热核反应）某些轻核能够结合在一起，生成一个较某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，大的原子核，同时放出大量的核能。同时放出大量的核能。这种核这种核反应叫做反应叫做核聚变核聚变。一、核聚变一、核聚变1、轻核的聚变（热核反应）某些轻核能够结2 2、聚变核能、聚变核能比裂变反应中平均每个核子放出的能量大比裂变反应中平均每个核子放出的能量大34倍倍2、聚变核能比裂变反应中平均每个核子放出的能量大34倍3、发生聚变的条件、发生聚变的条件:要使原子核间的距离达到要使原子核间的距离达到10-15m4、实现的方法有、实现的方法有:1）用加速器加速原子核；）用加速器加速原子核；2）把原子核）把原子核加热加热到很高的温度；到很高的温度；不经济不经济如何能使轻如何能使轻核具有较大核具有较大的动能呢？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，因此必须因此必须让轻核具有很大的动能。让轻核具有很大的动能。几百万几百万K高温高温聚变反应又聚变反应又叫热核反应叫热核反应3、发生聚变的条件:4、实现的方法有:不经济如何能使轻核具核聚变的利用核聚变的利用氢弹氢弹核聚变的利用氢弹世界第一颗氢弹世界第一颗氢弹麦克麦克世界第一颗氢弹麦克我国第一颗氢弹爆炸成功我国第一颗氢弹爆炸成功我国第一颗氢弹爆炸成功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进行热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳的中心温度达着，太阳的中心温度达1.51.510107 7 K K，因而，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为的能量约为3.8103.8102626 J J，地球只接受了，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧核燃烧”的过程中的过程中“体重体重”不断减轻。它每秒不断减轻。它每秒有亿吨原子核参与碰撞，辐射出的能有亿吨原子核参与碰撞，辐射出的能量与量与400400万吨的物质相当。科学家估计，万吨的物质相当。科学家估计，太阳的这种太阳的这种“核燃烧核燃烧”还能维持几十亿还能维持几十亿年。当然，与人类历史相比，这个时间年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！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，能量，这个这个天然的天然的核聚核聚变过程已经发变过程已经发生生了好了好几几十十亿亿年年太阳是一个巨大的热核反应堆。热核反应在宇宙中时时刻刻（1 1）轻核聚变产能）轻核聚变产能效率高效率高1.1.聚变与裂变相比的聚变与裂变相比的优点优点：（2 2）地球上聚变燃料的）地球上聚变燃料的储量丰富储量丰富（3 3）轻核聚变）轻核聚变更安全、清洁更安全、清洁（4 4）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的能量约的能量约3.3MeV3.3MeV，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1MeV1MeV。1L海水中大约有海水中大约有0.03g氘，大约有氘，大约有40多万亿吨氘。锂的储量有多万亿吨氘。锂的储量有2000亿吨，用来制取氚足以满足聚变的需要。亿吨，用来制取氚足以满足聚变的需要。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。氘和氚聚变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氘和氚聚变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成的放射性物质，比裂变所生成的废物聚变时高速中子、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。的数量少，容易处理。二、二、受控热核反应受控热核反应核聚变的利用核聚变的利用（1）轻核聚变产能效率高1.聚变与裂变相比的优点：（2）地球磁约束磁约束 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。2.2.实现核聚变的实现核聚变的难点难点：地球上没有任何容器能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，科学够经受如此高的温度。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案：家设想了两种方案：1.1.磁约束磁约束 2.2.惯性约束惯性约束磁约束 带电粒子运动时在均匀磁场中会洛伦兹力的作用而不惯性约束惯性约束 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“挤挤”在一起发生反应。在一起发生反应。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例例例例1 1、已知氘核质量为、已知氘核质量为、已知氘核质量为、已知氘核质量为2.0136u2.0136u，中子质量为，中子质量为，中子质量为，中子质量为1.0087u1.0087u核的质量为核的质量为核的质量为核的质量为3.0150u3.0150u。求：。求：。求：。求：（1 1）写出两个氘核聚变成）写出两个氘核聚变成）写出两个氘核聚变成）写出两个氘核聚变成的核反应方程式的核反应方程式的核反应方程式的核反应方程式（2 2）计算上述核反应中释放的核能。）计算上述核反应中释放的核能。）计算上述核反应中释放的核能。）计算上述核反应中释放的核能。23He23He【分析分析】算出核反应中的质量亏损，利用爱因斯坦算出核反应中的质量亏损，利用爱因斯坦质能方程即可求出反应释放的核能。质能方程即可求出反应释放的核能。解答：解答：（1）（2 2）由题给条件可求得质量亏损为：）由题给条件可求得质量亏损为：m=2.01362(3.0150+1.0087)=0.0035u释放的核能为释放的核能为E=mc2 2=931.50.0035=3.26MeV例1、已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u静止在匀强磁场中的静止在匀强磁场中的原子核，俘获一个原子核，俘获一个速度为速度为7.7104m/s的中子而发生核反应放出的中子而发生核反应放出粒子后变粒子后变成一个新原子核，已知中子速度方向与磁场方向垂直，成一个新原子核，已知中子速度方向与磁场方向垂直，测得测得粒子速度为：粒子速度为：2104m/s，方向与中子速度方向相，方向与中子速度方向相同，求：同，求：（1）生成的新核是什么？写出核反应方程式。）生成的新核是什么？写出核反应方程式。（2）生成的新核的速度大小和方向。）生成的新核的速度大小和方向。（3）若）若粒子与新核间相互作用不计，则二者在磁场粒子与新核间相互作用不计，则二者在磁场中运动轨道半径之比及周期之比各为多少？中运动轨道半径之比及周期之比各为多少？6Li3解：解：（1）写出核反应方程式写出核反应方程式生成的新核是氚核生成的新核是氚核例2、静止在匀强磁场中的 （2）由动量守恒定律由动量守恒定律mnvn=mv+mHvHvn=7.7104m/sv=2104m/sVH=(mnvn-mv)/mH=(17.7104-42104)3=-1.0103m/s方向与中子方向相反方向与中子方向相反（3）由由r=mv/qBmv/qr:rH=mv/q：mHvH/qH=（422）:（30.1）=40:3T=2m/qBm/qT:TH=4/2:3/1=2:3（2）由动量守恒定律 mn vn=m v+