核裂变与核聚变 一、核裂变的发现费米出生于意大利罗马，自幼天资聪慧，1922年21岁时获得博士学位，25岁担任罗马大学理论物理学教授。主要贡献：费米-狄拉克统计、原子核β衰变理论、证明元素受中子轰击发生嬗变。费米荣获1938年诺贝尔物理学奖。（因发现用中子轰击产生的新放射性元素以及原子核吸收慢中子所引起的有关核反应）费米的中子实验 一、核裂变的发现1934年，约里奥·居里夫妇发现粒子轰击铝片首次制造出人工放射性同位素。费米得知后，想到用中子作为入射粒子比粒子有效得多。费米与其合作者使用中子按照周期表的顺序依次轰击各种元素，辐照了有68种元素，其中47种产生新的放射性产物。费米的中子实验 一、核裂变的发现费米用中子轰击当时最重的元素238U，得到一种半衰期为13分钟的一种放射性产物。经过分析发现不属于从铅到铀之间的重元素。1934年5月，费米以《原子序数高于92的元素可能生成》为题，报道可能产生超铀元素（费米的解释是错误的，实际上是核裂变现象）。“13分钟的放射性与很多重元素等同的否定证据，提示了这样的可能性：元素的原子序数也许大于92。如果它是93号元素，它应在化学上与锰及铼类似。”发现“超铀元素”？ 一、核裂变的发现德国女化学家诺达克（F.Noddack）针对费米的发现在1934年9月发表《论第93号元素》，认为费米等人采用“排除其他可能性的方法”来证明第93号元素的存在是“决非成功的”，并设想一种“全新的核反应”图像：“可以想象，当重核被中子轰击时，该核可能分裂成几大块，这些裂片无疑将是已知元素的同位素，而不是被辐照元素的近邻。”然而，诺达克的论文没有得到重视。发现“超铀元素”？ 一、核裂变的发现费米认为：石蜡或水中的质子与中子的质量相近，放射源发射的中子与质子碰撞后，速度大大减慢。中子速度低，被原子核俘获的机会增大，核反应概率增大，发射性的生成大大增加。慢中子作用的发现，大大增强了中子轰击的效果，对重核裂变的发现提供了重要前提。发现“超铀元素”？ 一、核裂变的发现1.核裂变：物理学中把重核分裂成两个较轻的核时，释放出核能的反应叫做核裂变。 一、核裂变的发现2.铀核的裂变1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。铀核裂变的产物是多种多样的，一种典型的反映是裂变为钡和氪，同时放出三个中子，其核反应方程是：裂变中释放出巨大的能量，在上述裂变中，裂变后的总质量小于裂变前的总质量，质量亏损：。释放出的能量为：。 1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能！一、核裂变的发现2.铀核的裂变 （1）定义：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。一、核裂变的发现3.链式反应 （2）发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。一、核裂变的发现3.链式反应（1）定义：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。 一、核裂变的发现原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸。原子弹试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座30米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑。在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所有的动物全部死亡。“原子弹之父”奥本海默在核爆观测站里感到十分震惊，他想起了印度一首古诗：“漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争辉。我是死神，我是世界的毁灭者。” 一、核裂变的发现美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里多。广岛市区80%的建筑化为灰烬，64000人丧生，72000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%。长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，占全市37%。原子弹 一、核裂变的发现中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图原子弹 一、核裂变的发现1.核爆炸瞬时效应防护（1）利用工事进行掩蔽。（2）在开阔地面上的人员，发现核爆闪光时，立即背向爆心卧倒，可减轻伤害。2.放射性沾染防护（1）避开在沾染区或高照射量率的地区行动。（3）人员通过沾染区时尽量乘坐车辆，在沾染区作业时要尽量缩短时间。（2）及时穿戴个人防护器材，防止人体受沾染。（4）进入沾染区执行任务的人员，可服用抗辐射药，减少放射性物质在人体内的存留。核袭击的防护 二、反应堆与核电站原子核的链式反应也可以在人工控制下进行。这样，释放的核能就可以为人类的和平建设服务。其实，在第一个原子弹制成以前，科学家们已经实现了核能的可控释放。1942年，美籍意大利物理学家费米就主持建立了世界上第一个称为“核反应堆”的装置，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放。 反应堆核心设施：浓缩铀制成的铀棒减速剂：石墨、重水或普通水，用于减小中子的速度。控制棒：镉棒，用于吸收中子，控制核反应的快慢。二、反应堆与核电站 第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核反应放出的热使水的内能增加，水温升高，进入热交换器后，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆里。在热交换器内，第二回路中的水被加热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。建造核电站时需要特别注意防止放射线和放射性物质的泄漏，以避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染。为此，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核反应堆中的核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。二、反应堆与核电站 三、核聚变1.核聚变：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。 三、核聚变1.核聚变：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。根据所给数据，计算上面核反应放出的能量：氘核的质量：mD=2.014102u氚核的质量：mT=3.016050u氦核的质量：mα=4.002603u中子的质量：mn=1.008665u 三、核聚变2.发生聚变的条件：使原子核间的距离达到10-15m。（原子核需要很大的动能才会“撞”在一起）实现的方法有：1.用加速器加速原子核；2.把原子核加热到很高的温度（108～109K）；（不经济）核聚变又叫热核反应热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。 三、核聚变3.核聚变的利用——氢弹普通炸药U235氘、氚爆炸裂变聚变 三、核聚变核聚变普遍存在于宇宙中氢弹爆炸形成的磨姑云 三、核聚变3.受控热核反应——核聚变的利用热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。（1）轻核聚变产能效率高（2）地球上聚变燃料的储量丰富每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6亿亿立方米的水，大约有40万亿吨氘。氚可以利用锂来制取，地球上锂储量有2000亿吨。（3）轻核聚变更为安全、清洁高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是没有放射性的。废物主要是泄露的氚，高速中子、质子与其他物质反应生成的放射性物质，比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理。 三、核聚变4.实现可控核聚变的主要困难（1）热核反应的的点火温度很高；（2）如何约束聚变所需的燃料。现在的技术还不能控制热核反应惯性约束：利用核聚变物质的惯性进行约束磁约束：利用磁场来约束参加反应的物质 1．关于重核的裂变，以下说法中正确的是（）A．铀235被中子轰击后都会分裂成两块质量差不多的碎块，同时放出几个中子B．铀235被中子轰击后二者都会发生分裂C．要使铀块发生链式反应，其体积必须足够大D．铀235分裂成两个中等质量的核，比结合能减小，放出核能C 2．现已建成的核电站发电的能量来自于（）A．天然放射性元素衰变放出的能量B．人工放射性同位素放出的能量C．重核裂变放出的能量D．化学反应放出的能量C 3．关于核聚变，以下说法正确的是（）A．与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁B．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站C．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－10m以内，核力才能起作用D．核聚变比核裂变更易控制A 4．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是（）A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大C．聚变反应中粒子的比结合能变小D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量变大B 5．我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了“EAST”装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1000s，温度超过1亿摄氏度，这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平。合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方。核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富。已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是（）A．两个氘核聚变成一个所产生的另一个粒子是质子B．两个氘核聚变成一个所产生的另一个粒子是中子C．两个氘核聚变成一个所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2D．两个氘核聚变成一个所释放的核能为(2m1－m3－m2)c2BD 6．在某些恒星内，3个粒子结合成一个C，C原子的质量是12.0000u，He原子的质量是4.0026u，已知1u＝1.66×10－27kg，1u相当于931.5MeV，则（）A．反应过程中的质量亏损是Δm＝0.0078uB．反应过程中的质量亏损是Δm＝1.2948×10－29kgC．反应过程中放出的能量约为7.266MeVD．反应过程中放出的能量约为1.16×10－19JABC