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第五章 原子與原子核
第五節 裂變和聚變
秦山核電站
思考：核能作為一種新型能源，在人類的發展過程中所起的作用越來越重要。核反應堆中發生著怎樣的核反應？
學習目標
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發現，用中子轟擊鈾核時，鈾核發生了裂變。
1.核裂變：鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質量差不多的碎塊，這類核反應定名為核裂變。
核能的釋放：由于重核的核子的平均質量大于中等質量原子核的核子的平均質量，因此，鈾核裂變為中等質量的原子核時，會發生質量虧損，釋放核能。
鈾核裂變的產物是多種多樣的，其他裂變方程還有:
92235U+01n→54139Xe+3898Sr+201n
?
92235U+01n→54136Xe+3890Sr+1001n
?
我國科學家錢三強、何澤慧夫婦于1947年在實驗中發現鈾核也可能分裂為三部分或四部分，其概率大約是分裂為兩部分的概率的 1/300 和1/ 5 000 。
2.鏈式反應
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稱為鏈式反應。
條件：核裂變物質的體積大于或等于臨界體積或核裂變物質的質量大于或等于臨界質量。
臨界體積:裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積
如果 1 kg 鈾全部裂變，它放出的能量就相當于 2800 t 標準煤完全燃燒時放出的化學能。
=
1 kg
2800 t
二、核聚變及受控熱核反應
討論與交流：
要使輕核發生核聚變，必須使它們的距離達到10-15m 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。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？
（1）把原子核加熱到很高的溫度，使原子核具有很大的動能。
（2）利用加速器對原子進行加速。
核聚變又叫作熱核反應
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。
與核裂變相比，核聚變有很多優點。
①輕核聚變產能效率高，也就是說，相同質量的核燃料，反應中產生的能量比較多。
②地球上核聚變燃料氘和氚儲量豐富。
③輕核聚變更為安全、清潔。
核聚變普遍存在于宇宙中
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1000萬以上，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，轉化為能量的物質是400萬噸。
太陽聚變反應
三、核能利用
1.核反應堆：人工控制鏈式反應的裝置
吸收中子、控制反應速率
慢中子
(石墨、輕水、重水)
(濃縮鈾)核燃料
屏蔽射線，防止放射性污染。
2.核電站工作流程
核電站優點：
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。
二戰時期，美國原子彈突襲廣島和長崎造成了巨大的毀傷。在長崎投擲的原子彈爆炸后形成蘑菇狀云團，爆炸產生的氣流、煙塵直沖云天，高達12英里多，長崎市60%的建筑物被摧毀，傷亡86000人，占全市37% ；廣島市區80%的建筑化為灰燼，64000人喪生，72000人受傷，傷亡總人數占全市總人口的53%。
核裂變的利用——原子彈
核聚變的利用——氫彈
普通炸藥
Ｕ235
氘、氚
爆炸
裂變
聚變
12H+13H→24He+01n+17.6MeV
?
不可控！
1.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
2.裂變反應中釋放出的能量來自于(　 　)
A.核子消失轉化為能量
B.原子中電子與原子核的電勢能減小
C.入射的中子消失轉化為能量
D.原子核的比結合能變大，釋放出能量
D
3.關于核反應堆，下列說法不正確的是(　　 )
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
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
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。
核能利用
核電站
核反應堆
原子彈
氫彈

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