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第五章 原子與原子核
第五節 裂變和聚變
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。在這些裝置中，核能是怎樣被轉化和使用的呢？
1.了解核裂變和核聚變的概念和原理
2.了解核能的應用
一、核裂變與鏈式反應
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
1.核裂變：少數重核受粒子打擊，分裂成質量較小的核，釋放核能的反應。
鈾核裂變的一種典型情形
92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n
?
核裂變的特點
裂變過程中能放出巨大的能量,一個92235U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！
2.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 !
二、核聚變及受控熱核反應
1.核聚變：
（2）發生條件：
例如：
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.
（1）定義：輕核結合成質量較大的原子核的反應叫聚變.
（3）實例
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。
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。
①宇宙天體：
② 核武器：
實現可控核聚變的兩種方案：磁約束和慣性約束。
2.核聚變與核裂變相比有很多優點
（1）輕核聚變產能效率高。
（2）地球上核聚變燃料的儲量豐富。
（3）輕核聚變更為安全、清潔。
可控核聚變的兩種主要方案為磁約束和慣性約束：磁約束通過強磁場（如托卡馬克裝置的環形磁場）將高溫等離子體限制在特定區域，使其長時間維持聚變所需的高溫高壓環境；慣性約束則利用高能量激光或粒子束瞬間壓縮燃料靶丸，依靠燃料自身慣性在極短時間內完成聚變反應。前者注重穩定約束，后者依賴瞬間能量釋放，兩者均旨在實現可控的聚變能量輸出，為未來清潔能源提供可能。
受控熱核反應：熱核反應所釋放的巨大能量不是以爆炸的形式釋放，而是在人工控制下逐漸地釋放出來并加以利用。
三、核能利用
1.核電站：
核電站工作流程
核電站是利用原子核裂變反應釋放出能量，經能量轉化而發電的。
核能
熱能
機械能
電能
2.核反應堆：
由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，它是核反應堆的燃料。
①鈾棒：
②石墨(或重水)：石墨(或重水)作為慢化劑，附著在鈾棒周圍，使反應生成的快中子變為慢中子，便于被鈾235“捉”住，發生核裂變。
屏蔽射線，防止放射性污染。
④水泥防護層：
主要作用是吸收中子，控制反應速度，所以叫作控制棒。
③鎘棒：
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
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2.(多選)關于重核的裂變，以下說法正確的是(　　)
A．核裂變釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量
B．鈾核裂變在自然界中會自發地產生
C．重核裂變釋放出大量能量，產生明顯的質量虧損，所以核子數要減少
D．由于重核的核子平均質量大于中等質量核的核子平均質量，所以重核裂變為中等質量的核時，要發生質量虧損，放出核能
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3.現有三個核反應方程：①?1124????????→1224????????+?1?0????；②??92235????+01????→?56141????????+3692????????+301????；③?12????+13????→24????????+01????。
下列說法正確的是（　　）
A.①是裂變，②是β衰變，③是聚變
B.①是聚變，②是裂變，③是β衰變
C.①是β衰變，②是裂變，③是聚變
D.①是β衰變，②是聚變，③是裂變
?
C
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. 聚變反應每個核子釋放的平均能量一定比裂變反應大
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，故反應后質量增大
B
裂變和聚變
核裂變與鏈式反應
核聚變及受控熱核反應
定義：少數重核受粒子打擊，分裂成質量較小的核，釋放核能的反應
鏈式反應：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
定義：輕核結合成質量較大的原子核的反應
實現可控核聚變的兩種方案：磁約束和慣性約束
核能利用：核電站與核反應堆

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