核裂變與核聚變 一、核裂變的發(fā)現(xiàn)費(fèi)米出生于意大利羅馬，自幼天資聰慧，1922年21歲時(shí)獲得博士學(xué)位，25歲擔(dān)任羅馬大學(xué)理論物理學(xué)教授。主要貢獻(xiàn)：費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)、原子核β衰變理論、證明元素受中子轟擊發(fā)生嬗變。費(fèi)米榮獲1938年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。（因發(fā)現(xiàn)用中子轟擊產(chǎn)生的新放射性元素以及原子核吸收慢中子所引起的有關(guān)核反應(yīng)）費(fèi)米的中子實(shí)驗(yàn) 一、核裂變的發(fā)現(xiàn)1934年，約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)粒子轟擊鋁片首次制造出人工放射性同位素。費(fèi)米得知后，想到用中子作為入射粒子比粒子有效得多。費(fèi)米與其合作者使用中子按照周期表的順序依次轟擊各種元素，輻照了有68種元素，其中47種產(chǎn)生新的放射性產(chǎn)物。費(fèi)米的中子實(shí)驗(yàn) 一、核裂變的發(fā)現(xiàn)費(fèi)米用中子轟擊當(dāng)時(shí)最重的元素238U，得到一種半衰期為13分鐘的一種放射性產(chǎn)物。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)不屬于從鉛到鈾之間的重元素。1934年5月，費(fèi)米以《原子序數(shù)高于92的元素可能生成》為題，報(bào)道可能產(chǎn)生超鈾元素（費(fèi)米的解釋是錯(cuò)誤的，實(shí)際上是核裂變現(xiàn)象）?！?3分鐘的放射性與很多重元素等同的否定證據(jù)，提示了這樣的可能性：元素的原子序數(shù)也許大于92。如果它是93號(hào)元素，它應(yīng)在化學(xué)上與錳及錸類似?！卑l(fā)現(xiàn)“超鈾元素”？ 一、核裂變的發(fā)現(xiàn)德國(guó)女化學(xué)家諾達(dá)克（F.Noddack）針對(duì)費(fèi)米的發(fā)現(xiàn)在1934年9月發(fā)表《論第93號(hào)元素》，認(rèn)為費(fèi)米等人采用“排除其他可能性的方法”來(lái)證明第93號(hào)元素的存在是“決非成功的”，并設(shè)想一種“全新的核反應(yīng)”圖像：“可以想象，當(dāng)重核被中子轟擊時(shí)，該核可能分裂成幾大塊，這些裂片無(wú)疑將是已知元素的同位素，而不是被輻照元素的近鄰。”然而，諾達(dá)克的論文沒(méi)有得到重視。發(fā)現(xiàn)“超鈾元素”？ 一、核裂變的發(fā)現(xiàn)費(fèi)米認(rèn)為：石蠟或水中的質(zhì)子與中子的質(zhì)量相近，放射源發(fā)射的中子與質(zhì)子碰撞后，速度大大減慢。中子速度低，被原子核俘獲的機(jī)會(huì)增大，核反應(yīng)概率增大，發(fā)射性的生成大大增加。慢中子作用的發(fā)現(xiàn)，大大增強(qiáng)了中子轟擊的效果，對(duì)重核裂變的發(fā)現(xiàn)提供了重要前提。發(fā)現(xiàn)“超鈾元素”？ 一、核裂變的發(fā)現(xiàn)1.核裂變：物理學(xué)中把重核分裂成兩個(gè)較輕的核時(shí)，釋放出核能的反應(yīng)叫做核裂變。 一、核裂變的發(fā)現(xiàn)2.鈾核的裂變1939年12月，德國(guó)物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)，用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核發(fā)生了裂變。鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，一種典型的反映是裂變?yōu)殇^和氪，同時(shí)放出三個(gè)中子，其核反應(yīng)方程是：裂變中釋放出巨大的能量，在上述裂變中，裂變后的總質(zhì)量小于裂變前的總質(zhì)量，質(zhì)量虧損：。釋放出的能量為：。 1kg鈾235全部裂變時(shí)放出的能量就相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能！一、核裂變的發(fā)現(xiàn)2.鈾核的裂變 （1）定義：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(guò)程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。一、核裂變的發(fā)現(xiàn)3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng) （2）發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量，或者鈾塊的體積大于臨界體積。一、核裂變的發(fā)現(xiàn)3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（1）定義：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(guò)程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 一、核裂變的發(fā)現(xiàn)原子彈是利用重核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)制成的，在極短時(shí)間內(nèi)能夠釋放大量核能，發(fā)生猛烈爆炸。原子彈試驗(yàn)中產(chǎn)生了上千萬(wàn)度的高溫和數(shù)百億個(gè)大氣壓，致使一座30米高的鐵塔被熔化為氣體，并在地面上形成一個(gè)巨大的彈坑。在半徑為400米的范圍內(nèi)，沙石被熔化成了黃綠色的玻璃狀物質(zhì)，半徑為1600米的范圍內(nèi)，所有的動(dòng)物全部死亡。“原子彈之父”奧本海默在核爆觀測(cè)站里感到十分震驚，他想起了印度一首古詩(shī)：“漫天奇光異彩，有如圣靈逞威，只有一千個(gè)太陽(yáng)，才能與其爭(zhēng)輝。我是死神，我是世界的毀滅者?！? 一、核裂變的發(fā)現(xiàn)美國(guó)原子彈突襲廣島和長(zhǎng)崎造成了巨大的毀傷。在長(zhǎng)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(zhǎng)崎市60%的建筑物被摧毀，傷亡86000人，占全市37%。原子彈 一、核裂變的發(fā)現(xiàn)中國(guó)第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖原子彈 一、核裂變的發(fā)現(xiàn)1.核爆炸瞬時(shí)效應(yīng)防護(hù)（1）利用工事進(jìn)行掩蔽。（2）在開(kāi)闊地面上的人員，發(fā)現(xiàn)核爆閃光時(shí)，立即背向爆心臥倒，可減輕傷害。2.放射性沾染防護(hù)（1）避開(kāi)在沾染區(qū)或高照射量率的地區(qū)行動(dòng)。（3）人員通過(guò)沾染區(qū)時(shí)盡量乘坐車輛，在沾染區(qū)作業(yè)時(shí)要盡量縮短時(shí)間。（2）及時(shí)穿戴個(gè)人防護(hù)器材，防止人體受沾染。（4）進(jìn)入沾染區(qū)執(zhí)行任務(wù)的人員，可服用抗輻射藥，減少放射性物質(zhì)在人體內(nèi)的存留。核襲擊的防護(hù) 二、反應(yīng)堆與核電站原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也可以在人工控制下進(jìn)行。這樣，釋放的核能就可以為人類的和平建設(shè)服務(wù)。其實(shí)，在第一個(gè)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，美籍意大利物理學(xué)家費(fèi)米就主持建立了世界上第一個(gè)稱為“核反應(yīng)堆”的裝置，首次通過(guò)可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)了核能的釋放。 反應(yīng)堆核心設(shè)施：濃縮鈾制成的鈾棒減速劑：石墨、重水或普通水，用于減小中子的速度?？刂瓢簦烘k棒，用于吸收中子，控制核反應(yīng)的快慢。二、反應(yīng)堆與核電站 第一回路中的水被泵壓入反應(yīng)堆，通過(guò)堆芯時(shí)核反應(yīng)放出的熱使水的內(nèi)能增加，水溫升高，進(jìn)入熱交換器后，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(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。建造核電站時(shí)需要特別注意防止放射線和放射性物質(zhì)的泄漏，以避免射線對(duì)人體的傷害和放射性物質(zhì)對(duì)水源、空氣和工作場(chǎng)所造成放射性污染。為此，在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來(lái)屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線。核反應(yīng)堆中的核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。二、反應(yīng)堆與核電站 三、核聚變1.核聚變：兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變。 三、核聚變1.核聚變：兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變。根據(jù)所給數(shù)據(jù)，計(jì)算上面核反應(yīng)放出的能量：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 三、核聚變2.發(fā)生聚變的條件：使原子核間的距離達(dá)到10-15m。（原子核需要很大的動(dòng)能才會(huì)“撞”在一起）實(shí)現(xiàn)的方法有：1.用加速器加速原子核；2.把原子核加熱到很高的溫度（108～109K）；（不經(jīng)濟(jì)）核聚變又叫熱核反應(yīng)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就會(huì)使反應(yīng)繼續(xù)下去。 三、核聚變3.核聚變的利用——?dú)鋸椘胀ㄕㄋ嶶235氘、氚爆炸裂變聚變 三、核聚變核聚變普遍存在于宇宙中氫彈爆炸形成的磨姑云 三、核聚變3.受控?zé)岷朔磻?yīng)——核聚變的利用熱核反應(yīng)和裂變反應(yīng)相比較，具有許多優(yōu)越性。（1）輕核聚變產(chǎn)能效率高（2）地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6億億立方米的水，大約有40萬(wàn)億噸氘。氚可以利用鋰來(lái)制取，地球上鋰儲(chǔ)量有2000億噸。（3）輕核聚變更為安全、清潔高溫不能維持反應(yīng)就能自動(dòng)終止，聚變產(chǎn)生的氦是沒(méi)有放射性的。廢物主要是泄露的氚，高速中子、質(zhì)子與其他物質(zhì)反應(yīng)生成的放射性物質(zhì)，比裂變反應(yīng)堆生成的廢物數(shù)量少，容易處理。 三、核聚變4.實(shí)現(xiàn)可控核聚變的主要困難（1）熱核反應(yīng)的的點(diǎn)火溫度很高；（2）如何約束聚變所需的燃料。現(xiàn)在的技術(shù)還不能控制熱核反應(yīng)慣性約束：利用核聚變物質(zhì)的慣性進(jìn)行約束磁約束：利用磁場(chǎng)來(lái)約束參加反應(yīng)的物質(zhì) 1．關(guān)于重核的裂變，以下說(shuō)法中正確的是（）A．鈾235被中子轟擊后都會(huì)分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊，同時(shí)放出幾個(gè)中子B．鈾235被中子轟擊后二者都會(huì)發(fā)生分裂C．要使鈾塊發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，其體積必須足夠大D．鈾235分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的核，比結(jié)合能減小，放出核能C 2．現(xiàn)已建成的核電站發(fā)電的能量來(lái)自于（）A．天然放射性元素衰變放出的能量B．人工放射性同位素放出的能量C．重核裂變放出的能量D．化學(xué)反應(yīng)放出的能量C 3．關(guān)于核聚變，以下說(shuō)法正確的是（）A．與裂變相比輕核聚變輻射極少，更為安全、清潔B．世界上已經(jīng)有利用核聚變能來(lái)發(fā)電的核電站C．要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離達(dá)到10－10m以內(nèi)，核力才能起作用D．核聚變比核裂變更易控制A 4．關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說(shuō)法正確的是（）A．一次聚變反應(yīng)一定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多B．聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)每個(gè)核子釋放的平均能量一定大C．聚變反應(yīng)中粒子的比結(jié)合能變小D．聚變反應(yīng)中由于形成質(zhì)量較大的核，故反應(yīng)后質(zhì)量變大B 5．我國(guó)最新一代核聚變裝置“EAST”在安徽合肥首次放電，顯示了“EAST”裝置具有良好的整體性能，使等離子體約束時(shí)間達(dá)1000s，溫度超過(guò)1億攝氏度，這標(biāo)志著我國(guó)磁約束核聚變研究進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)水平。合肥也成為世界上第一個(gè)建成此類全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置并能實(shí)際運(yùn)行的地方。核聚變的主要原料是氘，在海水中含量極其豐富。已知氘核的質(zhì)量為m1，中子的質(zhì)量為m2的質(zhì)量為m3，質(zhì)子的質(zhì)量為m4，則下列說(shuō)法中正確的是（）A．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)所產(chǎn)生的另一個(gè)粒子是質(zhì)子B．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)所產(chǎn)生的另一個(gè)粒子是中子C．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)所釋放的核能為(2m1－m3－m4)c2D．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)所釋放的核能為(2m1－m3－m2)c2BD 6．在某些恒星內(nèi)，3個(gè)粒子結(jié)合成一個(gè)C，C原子的質(zhì)量是12.0000u，He原子的質(zhì)量是4.0026u，已知1u＝1.66×10－27kg，1u相當(dāng)于931.5MeV，則（）A．反應(yīng)過(guò)程中的質(zhì)量虧損是Δm＝0.0078uB．反應(yīng)過(guò)程中的質(zhì)量虧損是Δm＝1.2948×10－29kgC．反應(yīng)過(guò)程中放出的能量約為7.266MeVD．反應(yīng)過(guò)程中放出的能量約為1.16×10－19JABC