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第五章 原子與原子核
粵教版選擇性必修三
第五節 裂變和聚變
知識回顧
比結合能
結合能
核子數
比結合能 =
2) 物理意義：反映一個原子核內核子相互結合的緊密程度.
1) 定義：
輕核和重核的比結合能都比中等大小的核的比結合能小
鐵（Fe）原子的比結合能最大
核子結合成鐵原子核或鐵附近的原子核(中等大小的核)時，每個核子平均放出的能量大
如果使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核結合成中等大小的核，每個核子平均放出的能量比吸收的能量大，故反應會釋放能量。
比結合能越大，原子核越穩定。
中等大小的核的比結合能較大
平均每個核子的質量虧損最大
質量虧損時，核子個數不虧損(即質量數守恒),可理解為組成原子核后，核內每個核子仿佛“瘦了”一些。
核子平均質量
比結合能
z
核子結合成鐵原子核或鐵附近的原子核(中等大小的核)時，每個核子平均放出的能量大
如果使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核結合成中等大小的核，核子將發生新的質量虧損，釋放新的結合能，故反應會釋放能量。
核子平均質量
比結合能
z
如果使較重的核分裂成中等大小的核，
或者把較小的核聚合成中等大小的核，
都會釋放能量。
核裂變
核聚變
Part 01
核裂變
一、核裂變
1、核裂變的發現
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。
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。
哈恩
邁特納
弗里施
一、核裂變
2、鈾核裂變的一種典型情形
3、核裂變的特點
裂變過程中能放出巨大的能量,一個核裂變時能釋放200MeV的能量
裂變的同時能放出2~3個(或更多個)中子
產物不是唯一的
Xe和Sr
氙和鍶
Ba和Kr
鋇和氪
Sb和Nb
銻（tī）和鈮（ní）
需依據實驗事實！
鋇
氪
一、核裂變
4、鏈式反應
①定義：當一個中子引起一個重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且能不斷繼續下去，這樣的核反應叫鏈式反應
②必要條件：核裂變物質的體積大于或等于臨界體積、臨界質量
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。
通常把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
關于鈾核裂變的說明：
① 鈾235俘獲各種能量的中子都會發生裂變，且俘獲低能量的中子發生裂變的概率大。
② 鈾238只有在俘獲的中子的能量大于1MeV時才能發生核反應，且裂變的幾率較小。
對于能量低于1MeV的中子基本只能與238鈾核發生彈性碰撞，不能引起核反應。
為了使裂變的鏈式反應容易發生，最好是利用高濃度鈾235 !
討論與交流
1kg鈾235全部裂變時放出的能量相當于多少標準煤完全燃燒時釋放的化學能？
例題：2017年5月25日，“華龍一號”全球首堆示范工程—福清核電5號機組順利完成穹頂吊裝，工程正式由土建階段進入安裝階段。在核電站中，核反應堆釋放的核能轉化為電能，核反應堆的工作原理是利用中子轟擊重核鈾發生裂變反應，釋放出大量核能。已知一個核裂變時能釋放200 MeV的能量，燃燒1kg煤所放出的能量為2.94×107J.請從數量級上感受鈾完全裂變釋放的能量與燃燒煤釋放的能量的差異。
分析：可以比較1kg完全裂變和1kg煤完全燃燒所釋放的能量，計算1kg鈾235完全裂變時所放出的能量相當于完全燃燒的煤的質量
解：1kg含有的原子數目
而200MeV相當于 ，則1kg鈾完全裂變釋放能量
所釋放的能量相當于完全燃燒的煤的質量
教材P128
煤
一、核裂變
5、核能利用
原子彈是利用重核的裂變反應制成的,高純度的鈾或钚超過臨界體積時發生鏈式反應,在極短時間內能夠釋放大量核能，發生猛裂爆炸。
原子彈的結構有“內爆式”和“槍式”兩種
一、核裂變
5、核能利用
原子彈爆炸時鏈式反應的速度是不加控制的，為了人工控制鏈式反應的速度，使核能平緩地釋放出來，人們制成了核反應堆
“熱中子（慢中子）”核反應堆示意圖
核電站
核反應堆
——通過可控制的鏈式反應來釋放核能的裝置。
“熱中子（慢中子）”核反應堆示意圖
燃料棒—鈾棒
⑴ 核燃料：鈾棒
熱中子反應堆的核燃料是鈾棒，成分是天然鈾或濃縮鈾
(鈾235的含量占2% 4%)
實驗證明，速度與熱運動速度相當的中子最適于引發核裂變。這樣的中子就是“熱中子”，或稱慢中子。
裂變產生的是速度很大的快中子
快中子很容易被鈾238俘獲而不發生裂變
與鈾235“擦肩而過”,鈾核不能“捉”住它，不能發生核裂變
必須設法使中子在碰上鈾238前降低速度
核反應堆
——通過可控制的鏈式反應來釋放核能的裝置。
“熱中子（慢中子）”核反應堆示意圖
水泥防護層
控制棒——鎘棒
燃料棒—鈾棒
慢化劑—石墨
(1) 核燃料：鈾棒
(2) 慢化劑：石墨、重水或普通水(輕水)
(3) 控制棒：鎘棒
(4) 水泥防護層
在鈾棒周圍放上原子量比較小又不吸收或很少吸收中子的物體，快中子跟這些物體的原子核碰撞后，能量減小
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
(5) 冷卻劑：水、液態鈉等流體
核能轉變為熱能，輸出的熱能可用于發電
① 消耗的核燃料少
② 污染小
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。
大亞灣核電站
一、核裂變
原子彈
核電站發電
核動力潛艇、破冰船和航母
核電站優點：
5、核能利用
教材P130 T3
課堂練習
1. (多選)關于重核裂變的說法正確的是(　　 )
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
2. (多選)關于核反應堆,下列說法正確的是(　　 )
A.鈾棒是核燃料,裂變時釋放核能
B.鎘棒的作用是控制反應堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
D.冷卻劑的作用是控制反應堆的溫度和輸出熱能
ABD
課堂練習
(1) 核燃料：鈾棒
(2) 慢化劑：石墨、重水或普通水(輕水)
(3) 控制棒：鎘棒
(4) 水泥防護層
(5) 冷卻劑：水、液態鈉等流體
課堂練習
鈾235容易吸收快中子后發生裂變反應
快中子跟減速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
當反應過于激烈時，使控制棒插入淺一些
要使裂變反應更激烈一些，應使控制棒插入淺一些
3、 (多選)如圖所示是慢中子反應堆的示意圖，對該反應堆的下列說法中正確的是(　　)
BD
Part 02
核聚變
二、核聚變
1、定義：
輕核結合成質量較大的原子核的反應叫聚變.
一個氘核與一個氚核結合成一個氦核時（同時放出一個中子），約釋放17.6MeV的能量，平均每個核子放出的能量在3MeV以上，比裂變反應中平均每個核子放出的能量大3-4倍
2、發生條件
思考與討論
要使輕核發生核聚變，必須使它們的距離達到10-15 m以內，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。有什么辦法能使大量原子核獲得足夠的動能而發生核聚變呢？
當物質的溫度達到幾百萬開爾文時，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，發生核聚變。因此，核聚變又叫熱核反應。熱核反應一旦發生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就會使反應繼續下去。
⑵對物質加熱到很高的溫度108～109K
⑴用加速器加速原子核
二、核聚變
1、定義：
輕核結合成質量較大的原子核的反應叫聚變.
2、發生條件：
原子核間距離接近10-15m范圍內,需要幾百萬攝氏度的高溫，所以聚變又叫熱核反應.
3、實例：
核聚變普遍存在于宇宙中,熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆。
恒星
科學家估計，太陽的這種“核燃燒”還能維持90億100億年。當然，與人類歷史相比，這個時間很長很長！
熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽和很多恒星的內部溫度高達107K以上，因而在那里進行著激烈的熱核反應，不斷向外界釋放著巨大的能量。
太陽每秒釋放的能量約為3.8×1026 J，地球只接受了其中的二十億分之一。太陽在“核燃燒”的過程中“體重”不斷減輕，它每秒有７億噸原子核參與碰撞，減少的質量為是400萬噸。
太陽聚變反應
(教材P115)
二、核聚變
1、定義：
輕核結合成質量較大的原子核的反應叫聚變.
2、發生條件：
原子核間距離接近10-15m范圍內,需要幾百萬攝氏度的高溫，所以聚變又叫熱核反應.
3、實例：
核武器：氫彈
由化學炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產生的高溫高壓引發熱核爆炸。
核聚變普遍存在于宇宙中,熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆。
4、核能利用：
4、核聚變核能利用：氫彈
由化學炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產生的高溫高壓引發熱核爆炸。
普通炸藥
Ｕ235
氘、氚
爆炸
裂變
聚變
不可控！
5、實現可控核聚變的兩種方案：
磁約束和慣性約束
⑴磁約束
帶電粒子運動時在均勻磁場中受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的物質。
托卡馬克裝置
中國科學院的環流器裝置
5、實現可控核聚變的兩種方案：
磁約束和慣性約束
⑵慣性約束
由于聚變反應的時間非常短，聚變物質因自身的慣性還來不及擴散就完成了核反應。在慣性約束下，可以用激光從各個方向照射參加反應的物質，使它們“擠”在一起發生反應。
慣性約束示意圖
（1）反應物質量相同的情況下聚變放出的能量比裂變多，產能效率高。相同的核燃料，反應中產生的能量比較多。
（2）地球上聚變燃料的儲量豐富。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40萬億噸氘。氚可以利用鋰來制取，地球上鋰儲量有2000億噸。
（3）輕核聚變更為安全、清潔。高溫不能維持反應就能自動終止，聚變產生的氦是沒有放射性的。
（4）反應中放射物質的處理較容易，遺留物對環境污染小。氘和氚聚變反應中產生的氦是沒有放射性的，放射性廢物主要是泄漏的氚以及聚變時高速中子、質子與其他物質反應而生成的放射性物質，比裂變所生成的廢物的數量少，容易處理。
可控核聚變（熱核反應）的優越性：
課堂練習
1. 一個氘核和一個氚核經過核反應后生成一個氦核和一個中子，同時放出一個γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的質量分別為m1、m2、m3、m4，普朗克常量為h，真空中的光速為c。下列說法中正確的是（ ）
A.這個反應的核反應方程是
B.這個核反應既不是聚變反應也不是裂變反應
C.輻射出的γ光子的能量 E＝(m3＋m4－m1－m2)c2
解析：
A
核反應方程滿足質量數和電荷數守恒，故A正確；該反應為聚變反應，故B錯誤；
聚變反應中虧損的質量轉化為能量，以光子的形式放出，
故光子能量為ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C錯誤；
課堂練習
2. 我國核聚變反應研究大科學裝置“人造太陽”(如圖)2018年獲得重大突破，等離子體中心電子溫度首次達到1億攝氏度，為人類開發利用核聚變能源奠定了重要的技術基礎.下列關于聚變的說法正確的是（ ）
A.核聚變比核裂變更為安全、清潔
B.任何兩個原子核都可以發生聚變
C.兩個輕核結合成質量較大的核，總質量較聚變前增加
D.兩個輕核結合成質量較大的核，核子的比結合能增加
AD
3. 關于核聚變的說法正確的是(　　)
A. 聚變是裂變的逆反應
B. 如果裂變釋放能量，則聚變反應一定吸收能量
C. 聚變反應須將熱核燃料加熱到數百萬度以上的溫度，顯然是吸熱反應
D. 聚變和裂變都可以釋放出巨大的能量
D
4. 關于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是(　　)
A. 一次聚變反應一定比一次裂變反應釋放的能量多
B. 聚變反應比裂變反應每個核子釋放的平均能量一定大
C. 聚變反應中粒子的比結合能變小
D. 聚變反應中由于形成質量較大的核，故反應后質量增加
B
課堂練習
課堂小結

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