資源簡介

(共31張PPT)
§5.4核裂變與核聚變
氫彈
原子彈
較重的核分裂成中等大小的核，較小的核合并成中等大小的核的過程中，都有可能釋放出能量。核電站以及原子彈、氫彈等核武器，利用的就是這些核能。
新課導入
那么在這些裝置中，核能是怎樣被轉化和使用的呢
1938年底，德國物理學家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾核的過程中發現，生成物中有原子序數為56的元素鋇。
哈恩
奧地利物理學家邁特納和弗里施對此做出了解釋：鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質量差不多的碎塊。弗里施借用細胞分裂的生物學名詞，把這類核反應定名為核裂變。
邁特納
弗里施
一、核裂變的發現
1.核裂變：物理學中把重核分裂成質量較小的核，釋放核能的反應叫做核裂變。
（重核被中子轟擊后分裂成兩個質量差不多的新原子核，并放出中子的過程）
一、核裂變的發現
+
+
→
+
（ ）
鈾核裂變的產物是多種多樣的，其他裂變方程還有:
（最典型的一種核反應方程式）
一、核裂變的發現
2.核裂變的產物多種多樣
二分裂
1947年我國著名物理學家錢三強、何澤慧夫婦在巴黎首先觀察到中子轟擊鈾核的三分裂和四分裂現象。
三分裂、四分裂概率低，是二分裂的千分之三
閱讀課本，重核裂變只能分裂成兩塊嗎？
資料
一、核裂變的發現
用中子轟擊鈾核時，鈾核發生了裂變，釋放出的中子又引起了其他鈾核的裂變。
一、核裂變的發現
3.鏈式反應：
（1）定義：由重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續下去的過程。
（2）臨界體積：使裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積叫做它的臨界體積，相應的質量叫做臨界質量。
鈾塊的大小是鏈式反應能否進行的重要因素。
原子核的體積非常小，原子內部的空隙很大，如果鈾塊不夠大，中子在鈾塊中通過時，就有可能不到鈾核而跑到鈾核外面去，鏈式反應不能繼續。只有當鈾核足夠大時，裂變產生的中子才有足夠的概率打中某個核，使鏈式反應進行下去。
一、核裂變的發現
3.鏈式反應：
發生鏈式反應
爆炸
能夠維持鏈式反應正常進行的裂變材料質量叫臨界質量(critical mass)。 例如：鈾-235 的臨界質量約為 1 kg，質量超過1 kg 則發生爆炸。
（3）發生鏈式反應的條件：鈾塊的質量大于臨界質量，或者鈾塊的體積大于臨界體積。
一、核裂變的發現
3.鏈式反應：
4.鈾核裂變釋放的能量
已知鈾核裂變的反應為：
(1)求：一個鈾核裂變釋放的能量。
質量虧損：Δm = (mu+ mn) - (mBa+mKr+3mn)= 0.3578×10－27kg
一個鈾核裂變釋放的能量： E= mc2=3.2022×10-11J=201MeV
(2)求：1kg鈾235全部裂變時所釋放的能量
(3)求：1噸優質煤完全燃燒時釋放的能量為E1= 3×1010J,計算1kg鈾235全部裂變時所釋放的能量相當于多少噸優質煤
一、核裂變的發現
4.鈾核裂變釋放的能量
核裂變釋放出巨大的能量！
一、核裂變的發現
拓展學習
原子彈
我國是在科技水平、工業技術極端落后的情況下研發原子彈。
1964年10月16日下午15時，中國第一顆原子彈（內爆式）在新疆羅布泊核武器試驗基地爆炸成功。
中國第一顆原子彈爆炸蘑菇云發展圖
浙江省秦山核電站
江蘇省田灣核電站
二、反應堆與核電站
核電站是利用核能來發電的，它的核心設施是反應堆。
一座百萬千瓦級的核電站，一年只消耗濃縮鈾30噸左右，而同樣功率的火電站每年要消耗煤250萬噸。核電站對環境的污染比火電站小。
水泥防護層
控制棒——鎘棒
燃料棒—鈾棒
慢化劑（石墨、重水、輕水）
反應堆
二、反應堆與核電站
反應堆：通過可控制的鏈式反應來釋放核能的裝置。
１.燃料：鈾棒
2.慢化劑：為了使裂變產生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，常用的慢化劑有石墨、重水或普通水。
3.控制棒：在鈾棒之間插入一些鎘棒，利用鎘棒吸收中子的能力很強來控制反應速度。鎘棒插入的越深，吸收的中子就越多，鏈式反應的速度就越慢，這樣的鎘棒叫控制棒。
反應堆的組成
水泥防護層
控制棒——鎘棒
燃料棒—鈾棒
減速劑
4. 水泥防護層：屏蔽射線防止放射性污染。
二、反應堆與核電站
核電站工作流程
核電站優點：
①消耗的核燃料少
②污染小
第一回路中的水被泵壓入反應堆，通過堆芯時核心反應放出的熱使水的內能增加，水溫升高。第一回路的水進入交換器，把熱量傳給第二回路的水，然后又被泵壓回反應堆。
在熱交換器內，第二回路中的水被回熱生成高溫高壓蒸汽，驅動汽輪機運轉。
二、反應堆與核電站
1.定義：兩個輕核結合成質量較大的核，這樣的核反應叫做核聚變。
三、核聚變
4.太陽的能量來自熱核反應。
5.用于制造氫彈。
三、核聚變
大陽是一個巨大的熱核反應堆
2.發生聚變的條件:
必須使原子核間的距離達到10-15m，核力才能大于電磁力。
需要克服極大的庫侖斥力，因此必須讓輕核具有很大的動能。
3.實現的方法有: 利用高溫。
當物質溫度達到幾千萬攝氏度甚至更高時，劇烈的熱運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，發生聚變。因此，聚變又叫熱核反應。
1967年6月17日，我國首枚氫彈爆炸成功
(1)40　90　(2)5.06×1026 MeV
解析　(1)鋯的電荷數Z＝92－60＋8＝40，質量數A＝236－146＝90；
不考慮核反應中生成的電子質量，一個鈾核反應發生的質量虧損為
Δm＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn＝0.212 u
因此1 kg鈾235完全裂變產生的能量約為
E＝n·Δm×931.5 MeV
＝2.56×1024×0.212×931.5 MeV
＝5.06×1026 MeV。
答案　(1)40　90　(2)5.06×1026 MeV
例2.計算下面核聚變放出的能量:
氘核的質量：mD＝2.014102 氚核的質量：mT＝3.016050u
氦核的質量：mα＝4.002603u 中子的質量：mn=1.008665u
這個量值雖然比一個鈾核裂變產生的能量（201MeV）少，
但平均每個核子產生的能量：
是鈾裂變（ = 0.852MeV）的約4倍。
小結
核裂變與核聚變
核裂變的發現
核聚變
定義
鈾裂變方程
鏈式反應
裂變應用
鏈式反應快：原子彈
鏈式反應慢：核電站
定義
聚變方程
聚變條件
與裂變比較
1.(多選)關于重核裂變的說法正確的是(　　)
A.重核裂變為兩個中等質量的核時，重核的中子數要比裂變后的兩個中等質量核的中子數多
B.只要用中子轟擊鈾塊，就一定能發生鏈式反應
C.為了使裂變的鏈式反應容易發生，不能利用裂變時產生的中子
D.裂變過程中釋放能量，質量虧損
AD
練習
答案　AD
解析 重核裂變為兩個中等質量的核時，會產生兩到三個中子，因而分裂后的中子數減小，選項A正確；鏈式反應的發生是有條件的，鈾塊的體積必須大于其發生鏈式反應的臨界體積，鏈式反應一旦發生，中子轟擊鈾核裂變產生的中子再次引起其他鈾核的裂變，且能不斷繼續下去，選項B、C錯誤；重核裂變時質量發生虧損，總能量減小，減小的能量對外釋放，選項D正確。
2.如圖是慢中子反應堆的示意圖，對該反應堆的下列說法正確的是(　　)
A.鈾235容易吸收快中子后發生裂變反應
B.快中子跟慢化劑的原子核碰撞后的能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應
C.控制棒由鎘做成，當反應過于激烈時，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些
D.要使裂變反應更激烈一些，應使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈式反應的速度就會快一些
B
答案　B
解析 快中子容易與鈾235擦肩而過，快中子跟慢化劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應，選項B正確，A錯誤；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強，當反應過于激烈時，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些，選項C、D都錯誤。
3.鈾核裂變時，對于產生鏈式反應的重要因素，下列說法正確的是(　　 )
A.鈾塊的質量是重要因素，與體積無關
B.為了使鈾235裂變的鏈式反應容易發生，最好直接利用裂變時產生的快中子
C.若鈾235的體積超過它的臨界體積，裂變的鏈式反應就能夠發生
D.裂變能否發生鏈式反應與鈾塊的質量無關
C
答案　C
解析 要發生鏈式反應必須使鈾塊體積(或質量)大于臨界體積或臨界質量，故選項A、D錯誤，C正確；鈾235俘獲慢中子發生裂變的概率大，快中子使鈾235發生裂變的幾率小，故選項B錯誤。
4.核反應堆的功率為104 kW，1 h消耗燃料8.75 g，已知每個鈾235裂變時放出2×108 eV的能量，求該燃料中鈾235的質量百分之比。
解析　該反應堆每小時輸出的能量為
E＝Pt＝107×3 600 J＝3.6×1010 J
設放出這些能量消耗的純鈾235的質量為m g，則
答案　5%

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