資源簡介

(共32張PPT)
第四節 核裂變和核聚變
教學課件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第五章 原子核與核能
高中物理魯科版（2019）選擇性必修第三冊
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素養目標
新課講解
新課導入
經典例題
目錄
CONTENTS
PART.2
PART.4
課堂練習
課堂小結
1.知道什么是裂變、聚變和鏈式反應,知道鏈式反應和聚變的條件。
2.會書寫裂變和聚變方程,會利用質量虧損計算裂變和聚變產生的核能。
3.了解核反應堆的工作原理,知道如何控制核反應的速度。
素養目標
新課導入
比結合能
核子的平均結合能隨質量數的變化
核子平均質量
核子的平均質量隨質量數的變化
A
A
B
C
D
E
F
Fe
O
Z
O
Fe
B
C
D
E
F
Z
1. 使較重的核分裂成中等大小的核，比結合能會增加，發生質量虧損，釋放結合能。
思考：如何獲得核能？
2.把較小的核合并成中等大小的核，核子的比結合能會增加，即核子將發生質量虧損，釋放結合能。
新課講解
New lesson explanation
新課講解
一、重核裂變
1964年10月16日,中國第一顆原子彈在羅布泊的荒漠上爆炸成功,其爆炸力相當于1.8萬噸TNT炸藥。爆炸時安放原子彈的鋼塔全部熔化,在半徑400 m的范圍內,沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質,半徑1 600 m范圍內所有動植物全部死亡。
巨大的核能是從哪里來的
鈾核的裂變。
新課講解
20世紀30年代，科學家用中子轟擊鈾核，發現鈾核分裂成質量相近的兩部分，并釋放出能量。科學家從生物學的細胞分裂中得到啟示，把這種核反應過程稱為核裂變。核裂變是釋放核能的方法之一。
為什么會發生裂變呢？
科學家認為，中子擊中 后，將復合成 ，且處于高激發狀態。 要發生形變，從一個接近球形的核變為一個拉長的橢球形的核，核子間的距離增大，核力迅速減小，不能抵消質子間的庫侖斥力從而不能使核恢復原狀， 就分裂成兩部分，同時放出中子。
裂變示意圖
1.重核裂變
新課講解
新課講解
用中子轟擊鈾核時，鈾核發生了裂變。
鈾核裂變的產物是多種多樣的。
生成鋇（Ba）和氪（Kr），同時釋放三個中子
1個 裂變為 和 釋放的能量計算
反應過程中質量減小了Δm＝0.2153u，釋放的能量
ΔE=0.2153×931.5 MeV=200.55 MeV
1kg的鈾235全部裂變，釋放出的核能相當于兩千余噸標準煤完全燃燒釋放的能量。
新課講解
核裂變的發現
1934年，在中子和人工放射性發現的啟發下，費米用中子轟擊鈾238，得到了一種新的放射性元素，費米誤認為這種新元素是原子序數為93的超鈾元素。后來證實費米的結論是錯誤的。
1938年，約里奧一居里夫婦用慢中子照射鈾鹽，分離出了類似鑭（Z＝57）的放射性元素。他們對中子與鈾（Z＝92）發生反應生成核電荷數與鈾相距很遠的鑭感到疑惑。
德國科學家哈恩等人看到了約里奧一居里夫婦的實驗結果后，重復做了有關實驗，不僅肯定了鑭的存在，而且發現了放射性鋇核（Z＝56）。哈恩將這個結果告訴了邁特納，這位奧地利女物理學家認為：鈾核俘獲一個中子后分裂成兩個大致相等的部分，這就是核裂變。哈恩因發現核裂變現象而獲得1944年諾貝爾化學獎。
核裂變的發現引起了科學界的極大轟動，許多科學家投入到重核裂變的研究中。不久，科學家通過實驗證明了鏈式反應的可能性，為人類應用原子能打開了大門。
新課講解
2.鏈式反應
在鈾核裂變釋放出巨大能量的同時，平均每次可放出2～3個中子，這些中子稱為第1代中子，如果其中至少有一個繼續轟擊鈾核，使之發生裂變，就能產生第2代中子。這樣繼續下去，中子會不斷增加，裂變反應會不斷加強，這就形成了裂變的鏈式反應。
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，很可能打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。
新課講解
新課講解
發生鏈式反應的另一個重要因素是鈾塊的體積。
（1）能發生鏈式反應的鈾塊的最小體積稱為臨界體積。
原子核的體積非常小，如果鈾塊的體積不夠大，中子從鈾塊中通過時可能還沒有碰到鈾核就跑到鈾塊外面了。
水泥防護層
控制棒——鎘棒
燃料棒—鈾棒
減速劑
常用重水和石墨
為了使核能的釋放能夠通過人工控制，人們制成了核反應堆。
（2）裂變反應堆
新課講解
二、輕核裂變
采用輕核聚變成較重核引起結合能變化的方式可獲得核能，這樣的核反應稱為核聚變。
核反應方程
輕核聚變釋放的能量計算
反應過程中質量減小了Δm＝0.018 8u，釋放的能量
ΔE=0.0188×931.5 MeV=17.51 MeV
平均每個核子釋放的結合能要比裂變中平均每個核子釋放的能量大得多。
1.輕核裂變
新課講解
輕核聚變燃料較易獲得
輕核聚變釋放的能量巨大，而且能源泉也容易獲得，氘可以從海洋中提取，數量極巨；氚可以用以下反應得到：
輕核聚變是較理想的能源。但控制反應目前還屬難題。如果能實現可控輕核聚變反應，就可實現人造“小太陽”的夢想。
新課講解
2.可控熱核聚變
要使輕核發生聚變，必須使它們的間距達到核力作用的范圍。要使它們達到這種程度，必須克服原子核間巨大的庫侖斥力，這就得讓核子獲得足夠大的動能。以氘核發生聚變為例，必須在大約108K高溫下，使氘核獲得至少70keV的動能才能達到核力作用的范圍而發生核聚變。在這樣的高溫下，原子已完全電離，形成了物質第四態-等離子態。高溫等離子的密度及高溫必須維持一定時間才能實現聚變，但這是非常困難的。
目前，約束高溫等子體的方法有三種：一是引力約束，二是磁約束，三是慣性約束。
新課講解
(1)引力約束：太陽
約束核聚變高溫燃料的方案
靠巨大的引力，把高溫等離子體約束在一起，維持熱核反應的方法，就是引力約束。
(2)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。
利用磁場將高溫、高密度等離子體約束在一定的容積內，且維持足夠長的時間，使其達到核聚變的條件。目前最有發展前途的是環流器，又稱托卡馬克裝置。
新課講解
(3)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。
慣性約束核聚變的思想是1964年我國科學家王淦昌與蘇聯科學院院士巴索夫分別獨立提出的。
新課講解
經典例題
Classic Example
經典例題
1.如圖所示為核裂變示意圖。
(1)重核裂變是一種天然現象嗎
重核裂變不能自發地進行,只能發生在人工控制的核反應中,所以重核裂變不是一種天然現象。
(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產生鏈式反應嗎
不是。有中子轟擊鈾塊且鈾塊的體積大于等于臨界體積,才會發生鏈式反應。
經典例題
2.2023年4月12日,中國“人造太陽”——全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)成功實現穩態高約束模式等離子體運行403秒,創造了新的世界紀錄,其內部發生的核反應方程為HHHe+
X,則
A.X為正電子
B.該反應為α衰變
C.反應前后質量守恒
D.He的平均結合能比H的平均結合能大
√
課堂練習
Classroom Practice
課堂練習
課堂練習
課堂練習
課堂練習
課堂練習
課堂練習
課堂小結
Class Summary
課堂小結
核裂變與核聚變
目標一：重核裂變　鏈式反應
條件：幾百萬開爾文的高溫
核裂變：中子轟擊鈾核分裂成幾個小核
目標二：
輕核聚變與
可控熱核聚變
實施方案
鏈式反應
定義：中子使裂變反應像鏈條一
樣持續下去
定義：兩個輕核結合成質量較大的核
條件：鈾塊質量（或體積）大于臨界值
典型核反應
引力約束
磁約束
慣性約束
典型方程
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