2022-2023年粤教版(2019)新教材高中物理选择性必修3 第5章原子与原子核第5节裂变和聚变课件(1)

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衰变？△E = △mc2人工转变？原子能迈 特 纳哈恩本来想创造比铀更重的核，失败——却意外发现核裂变当我关上一扇门时， 一定会为你打开一扇窗一个男人&一条狗 组合成氢元素两个男人遇到一起 会互撕（电磁力作用）靠得很近又 臭味相投（强力）大妈来维持秩序（中子）1938 年底，德国物理学家哈恩（O. Hahn）和他的助手斯特拉斯曼（F.Strassmann）在用中子轰击铀核的实验中发现，生成物中有原子序 数为 56 的元素钡。奥地利物理学家迈特纳（L. Meitner）和弗里施（O. R. Frisch） 对此做出了解释：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。 弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为原子核的裂变（fission）。92 0 38 54 0235U  1n 90Sr136Xe 10 1n108936144561023592Kr 3 nBaU n△E = △mc2铀核被中子击中 后分裂成两块碎 块的反应就是核 裂变通式：X  n  Y  Z  Kn裂变中放出中子， 数目有多有少，中子的速 度也有快有慢。以铀 235为例，裂变时产生 2 或 3 个中子，如果这些中子继 续与其他铀235核发生反 应，再引起新的裂变，就 能使核裂变反应不断地进 行下去。这种由重核裂变 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（chain reaction）。1千克铀全部裂变，放出的能量相当于2800吨优质煤完全燃烧时释放的化学能核裂变的链式反应能在短时间放出大量能量探究 对核裂变和链式反应的分析 临界体积和临界质量重核裂变是一种天然现象吗?只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗?原子半径：10–10 m 铀核半径：10–14 mn轻核 聚变重核 裂变轻核的聚变（热核反应）：2 H  3H  4 He 1 1 201n+ 17.6 Mev 氢弹两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做聚变（fusion）。从比结合能的图线中看，聚变后比结合能增加，因 此反应中会释放能量。例如，一个氘核与一个氚核结合成一个氦 核时（同时放出一个中子），释放17.6 MeV的能量，平均每个核 子放出的能量在 3 MeV 以上，比裂变反应中平均每个核子放出 的能量大 3～4 倍。要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到 10-15 m以内，核力 才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须 克服巨大的库仑斥力。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞” 到一起。什么办法能使大量原子核获得足够的动能来发生聚变呢？有 一种办法，就是把它们加热到很高的温度。当物质的温度达到几百万 开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克 服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生聚变。因此，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。聚变又称热核反应，因为要克服强大的库仑斥力，（通常先用原子弹的高温高压裂变引发热核爆炸）+-102 e24 He + 能量11 H4太阳中国人造太阳EAST实景图太阳的主要成分是氢。太阳的中心温度达 1.5 × 107 K。 在这样的高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，不 断地放出能量。现在地球上消耗的能量，追根溯源，绝大部 分还是来自太阳，即太阳内部聚变时释放的核能。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒 有7亿吨原子核参与反应，辐射出的能量与400万吨的物质 相当。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿～ 100 亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！聚变与裂变相比有很多优点。：第一，轻核聚变产能效率高，也就是说，相同质量的核燃料，反 应中产生的能量比较多。第二，地球上聚变燃料的储量丰富，每升水中就含有0.03 g氘， 地球上的河流、湖泊、海洋等有138.6亿亿立方米的水，大约有 40多万亿吨氘。反应中所用的氚可以利用锂来制取。地球上锂的 储量有2 000亿吨，用来制取氚足以满足聚变的需要。第三，轻核聚变更为安全、清洁。实现核聚变需要高温，一旦出 现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。另外，氘和氚聚变 反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚， 以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质， 比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理。实现核聚变的难点是，地球上没有任何容器能够经受如此高 的温度。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束 和惯性约束。带电粒子运动时在均匀磁场中会由于洛伦兹力的作用而不飞 散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质，这就是磁约束。 环流器（即tokamak，音译为托卡马克）是目前性能最好的一种 磁约束装置，下图是其结构示意图。1、重核的裂变2、链式反应3、轻核的聚变4、受控热核反应△E = △mc2235U  1n 90Sr136Xe 10 1n92 0 38 54 0通式：X  n  Y  Z  Kn铀核被中子击中 后分裂成两块碎 块的反应就是核 裂变92 0 56 36 0235U  1n144Ba 89Kr 31n1、第二次世界大战时核裂变的研究已经成熟。2、当时法西斯侵略战争在蔓延，一些科学家，特别是那些从法西斯 迫害下逃亡出来的科学家，已经预感到制造原子弹的危险。3、风传德国正在加紧链式反应的研究，又获悉德国采取了禁止铀矿 石出口等措施，他们更加焦虑万分。4、1939 年 7 月，核物理学家西拉德（L. Szilard）等人一起找到爱因 斯坦，想借助他的名声敦促美国赶在德国之前造出原子弹。于是爱因 斯坦在1939年8月2日签署了给美国总统罗斯福的著名信件。罗斯福总统采纳了他们的建议，下令成立了铀顾问委员会，开始了代 号为“曼哈顿工程”的原子弹研制工作，并于1942年7月委任奥本海 默（J. R. Oppenheimer，1904 — 1967）为这项工程的技术负责人。“小男孩”原子弹（广岛）在山田须磨子（一位当年的爆 炸目击者）的一幅画1. 浓缩铀临界体积：能够发 生链式反应的铀块的 最小体积快速，不可控235 U92“枪式”原子弹的构造如图 ，弹壳里分开放置着一 块球形和一块圆柱形高浓度铀235。每一块的体积都 小于临界体积而大于临界体积的一半，在贮存时不会 发生爆炸。这两块铀 235 彼此隔开一段距离，其中球形的被固定，圆柱形的后面安装普通炸药和引爆装置。 当普通炸药爆炸时，两块铀压在一起形成一个整块， 其体积超过临界体积，立刻发生链式核反应而爆炸。n铀235在天然铀中，主要有两种同位素，其中0.7%是铀235。它俘获各种能量的中子都会发生裂变，但俘获能量低的中子发生裂变的几率较大。实际上，中子的速度不能太快，否则会与铀 235 原子核“擦肩而过”， 铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变。实验证明，速度与热运动速度 相当的中子最适于引发裂变。这样的中子就是“热中子”，或称慢中子。天然铀里的另一位成员是占99.3%的铀238.它只有俘获能量大于 1MeV的中子才可能发生裂变，并且几率很低。它俘获能量低于1MeV的 中子时不发生裂变，而变成铀239.铀238阅读思考——核电站1、燃料主要选用哪一种铀？2、如何解决铀235抓不住快中子的问题？3、如何让裂变速度可控，而不会像原子弹一样？4、核反应有很强的放射性,如何防止核泄漏和核辐射?5、如何烧水，让发电机转起来，实现能量的转化与转移？附加：铀238喜欢吃中子的特性可以怎样加以利用？请思考以上问题的同时，从“组成部分、材料、作用”三方 面来制表分析核电站中反应堆的主要构造及作用水泥防护层控制棒——镉棒燃料棒—铀棒减速剂燃料棒在正常工况下进行核反应时最 突出的视觉效果 （切伦科夫辐射）。裂变产生的是速度很大的快中子， 因此还要设法使快中子减速。为此， 在铀棒周围要放“慢化剂”，快中子 跟慢化剂中的原子核碰撞后，中子能 量减少，变为慢中子。常用的慢化剂 有石墨、重水和普通水（也叫轻水）为了调节中子数目以控制反应速度，还 需要在铀棒之间插进一些镉棒。镉吸收 中子的能力很强，当反应过于激烈时， 将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中 子，链式反应的速度就会慢一些。这种 镉棒叫做控制棒。核燃料+减速剂+热载体+控制设施+防护装置第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时利用核反应 放出的热来增加水的内能，水的温度升高。第一回路的水进入 热交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回到反应 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。核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高。水或液态的金 属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出 去，用于发电，同时也使反应堆冷却。反应堆放出的热使水变成水蒸气，这些高温高压的蒸汽推 动汽轮发电机发电。这一部分的工作原理跟火力发电站相同。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。核电站中反应堆的主要构造及作用福岛核电站使用MOX燃料，燃料棒外壳为锆合金。由于地震和海啸导 致应急冷却系统故障，反应堆内冷却水平面一度下降，并导致堆芯裸露。 冷却不足使燃料棒外壳温度超过锆-水反应极限温度，从而发生锆-水反应生 成大量氢气。由于厂房中氢气相对空气的 浓度达到了爆炸极限，在遇到高 温甚至明火后便发生了爆炸。爆 炸的威力掀掉了厂房的屋顶，只 剩下钢筋骨架。为了防止安放核反应堆的容器内气压升高，导致容器无法承受压力而破损， 原子能安全和保安院已下令东京电力公司将福岛第一核电站的1号和2号机组反应 堆容器内的蒸汽释放到外部。福岛第一核电站1号机组的反应堆容器内的蒸汽，将通过一个巨大水池，再从 排气筒释放出去。过水的时候，放射性物质将在一定程度上被降低，同时工作人 员将一直在排气筒的出口观测放射性物质的数量。 此外，福岛第二核电站已经丧 失冷却功能，东京电力公司已经开始释放福岛核电站爆炸时情景(15张)福岛第二 核电站1号和2号机组反应堆容器内的蒸汽，以减少容器压力，防止更大破损。该 公司还准备将核电站内另外两座反应堆的蒸汽释放到外部。秦山核电站(1985年我国首座）利用铀238 造快中子 增殖反应堆为了解决这个问题，更充分地利用铀资源，科学家们研究出了一种能使铀238变成高效核燃料从而使核燃料越烧越多的“魔”——快中子增殖反应堆。 “快堆”中用的核燃料是钚239。钚239裂变释放出快中子，装在反应区周围的铀238吸收快中子后变成铀239，铀239很不稳定，经过两次β衰变后变成钚239。 这就是说，在反应堆中一边“烧”掉钚239，又一边使铀238转变成新的钚239， 而且新产生的钚239比“烧”掉的还多。这就是燃料增殖的秘密。当快堆中相当多的铀 238 转变成钚 239 时，就可取出来再做燃料。一般来说， 一座快堆核电站在5～15年的时间内增殖的燃料与起初投入的燃料一样多，即燃料的数量翻了一番。利用快堆，可以将天然铀资源的利用率由慢中子堆的1%～2% 提高到 60%～70%，相当于使天然铀资源增加了 60～70 倍。核能利用思维导图物理学中有一个非常有趣的现象：研究微观世界的粒子物理、量子 理论，与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。正如诺贝尔物理学 奖获得者格拉肖所说：“隐藏在原子内心的，是宇宙结构的秘密。”根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采 的时期。在大爆炸之后约10-44 s，那时的温度为1032 K，产生了夸克、 轻子、胶子等粒子。大爆炸后约10-6 s，温度下降到1013 K左右，夸克 构成了质子和中子等强子，成为强子时代。再晚一些时候，温度下降到 1011 K时，只剩下少量夸克，而自由的光子、中微子和电子等轻子大量存在，此时代称为轻子时代。当温度下降到 109 K时，中子和质子结 合成氘核，并很快生成氦核，同时有氚核、氦3等轻核及其他轻核生成， 此时成为核合成的时代。目前宇宙中存在的大部分氦是那时形成的。大 爆炸 1 万年之后，温度降到了 104 K，此时的宇宙由电子、质子和氦核的混合电离气体组成。当温度降到 3 000 K 时，电子与质子复合成为中 性的氢原子。继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒 星和星系。根据大爆炸宇宙学，大爆炸 10 万年后，温度下降到了 3 000 K 左右， 出现了由中性原子构成的宇宙尘埃。某些尘埃间的距离相对近些，由于万有引力的作用，形成了更密集的尘埃。尘埃像滚雪球一样越滚越大， 形成了气体状态的星云团。星云团的进一步凝聚使得引力势能转变为内 能，温度升高。温度上升到一定程度就开始发光。于是，恒星诞生了。这颗星继续收缩、继续升温。当温度超过107 K时，氢通过热核反应 成为氦，释放的核能主要以电磁波的形式向外辐射。辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡，这时星体稳定下来。恒星在这一阶段停留的时间最长。太阳目前正处于这一阶段的中期，要再过50 亿年才会 转到另一个演化阶段。当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核反应变弱，辐射压力 下降，星核在引力作用下再次收缩。这时引力势能产生的热将使温度升 得更高，于是发生了氦核聚合成碳核的聚变反应。类似的过程一波接一 波地继续下去，出现了氧、硅，直到铁等更重的元素。恒星在这个阶段 要经历多次膨胀与收缩，光度也发生周期性的变化。当各种热核反应都不再发生时，由热核反应维持的辐射压力也消失 了。星体在引力作用下进一步收缩，中心密度达到极大。