8[1].3_質(zhì)量隨速度而增大_質(zhì)能關系（ppt64頁）

1、8.3 質(zhì)量隨速度而增大 質(zhì)能關系1牛頓力學中慣性質(zhì)量和速度的關系 愛因斯坦光速不變的新思想幾乎影響了每一個物理量：時間（t）、空間（x）、質(zhì)量（m）等。?恒定外力慣性質(zhì)量牛頓第二運動定律:2狀態(tài)量持續(xù)作用持續(xù)增大隨速率增大而增大，這要求的上限是但質(zhì)量是相對的，質(zhì)量隨物體運動速度的增大而增大。3理論和實驗表明，質(zhì)量和速度的關系為:顯然時， m0為靜質(zhì)量, 反映物體本身的屬性, 即包含的物質(zhì)的量。 m為物體的慣性質(zhì)量, 是相對的, 決定于物體速度, 速度趨于光速時，慣性質(zhì)量為無窮大。一、相對論質(zhì)速關系4 質(zhì)速關系反映了物質(zhì)與運動的不可分割性。 右圖曲線表示質(zhì)量隨速度增大情況。當v =0.1 cm

2、 增加 0.5%當v =0.866 c當v c當v = c(如:光子)5例： 子以v=0.9c的速度運動，求此時的質(zhì)量為靜止質(zhì)量的多少倍？解：6相對論中：物體受到恒力F 時，加速度并非恒定。物體不會被加速到光速。速度 時間曲線7二、相對論動量與動能相對論動量相對論動能8三、相對論的能量動能： 總能：靜能：9推導過程： 10相對論質(zhì)能關系： 相對論中，質(zhì)量與能量等效，質(zhì)量守恒即能量守恒，質(zhì)量的變化意味著能量的變化：。 物體的動能為總能與靜能的差： 當v c時，11討論(1) 質(zhì)能關系統(tǒng)一了質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律;(2) 靜能E0=m0c2表征物體靜止時的總內(nèi)能; 分子間相互作用勢能 分子運動

3、動能 原子間結(jié)合在一起的化學能 原子核與電子結(jié)合在一起的電磁能 原子核內(nèi)基本粒子間的結(jié)合能12每秒鐘太陽輻射的能量，即功率：解：例：太陽向四周空間輻射能量，每秒鐘相應的質(zhì)量虧損若為4.5109kg，求：太陽輻射的功率。13碳的燃燒過程可用以下方程表示： 求燃燒前后質(zhì)量的變化。例：14 相對論的誕生是人類從對世界的片面認識到完整認識的轉(zhuǎn)折。經(jīng)典物理認識物質(zhì)的內(nèi)部能量是以原子為最小單位來研究的，而相對論把粒子和場結(jié)合起來討論則包括了粒子內(nèi)部的所有結(jié)構(gòu)， 因而靜止能量E0=m0c2是所有內(nèi)部能量。 15四、核的聚變和裂變 太陽能 原子能1. 核的聚變 一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成一個較重的氘核，它將釋放

4、出2.224MeV的能量.質(zhì)子中子氘核以射線形式放出這個能量稱為氘核的結(jié)合能。原子能就是指聚變和裂變過程中所釋放的能量。16 對每個核，當其中這些質(zhì)子和中子，由于吸引相互結(jié)合在一起成為一個原子核的過程中都有能量放出，這個能量就是這個核的結(jié)合能。 實際結(jié)合能的計算，直接利用質(zhì)能關系可得：結(jié)合能的計算17實際要用原子質(zhì)量計算，可改為(Mev)u 是原子質(zhì)量單位，1u=1.6610-27 (kg) 1uc2=931.5(Mev)18輕核聚合成較重的核釋放出能量的過程稱為輕核聚變。19氫-3 核氫-2 核中子氦-4 He42+H21n10+能量H31核聚變20例: 氫彈的爆炸過程可用以下方程表示： 求

5、：這一反應過程釋放出的能量。已知以上各成分的質(zhì)量分別為： 氘: 2.01360(a.u.) 氚: 3.01600(a.u.) 氦: 4.00260(a.u.) 中子: 1.00867(a.u.)解：(Mev)21氫的三種同位素及其三種水質(zhì)子數(shù) 111中子數(shù)012同位素氕氘氚氫氧化物普通水重水超重水各種水占百分比99.98%0.016%微量各種水對于生物人體必需死亡之水22常用的聚變反應有下面4個：23核聚變的產(chǎn)生條件 因為原子核帶正電荷，它們之間會互相排斥。 要使聚變發(fā)生,兩個氫核必須以極快的速度靠近，He42+H21n10+能量H31 做法是把氫氣加熱到極其高溫度(108 C)！使氘核和氚核

6、有足夠的動能接近到10-15米24 根據(jù)計算,聚變反應引起的太陽質(zhì)量減小率只是310-19kg/s,是很小的量。目前太陽處于“中年”,估計太陽還有壽命50億年。 對氫原子核聚變反應的研究,可以追溯到20世紀30年代對太陽的研究.1938年物理學家證明,太陽里進行的氫核聚變成氮核的反應,使它還能光芒萬丈地燃燒幾十億年.2. 太陽能25263. 核裂變 裂變是質(zhì)量較大的原子核在中子轟擊下分裂成2個新原子核,并釋放出能量的過程。 比如中子轟擊鈾235產(chǎn)生核能 裂變產(chǎn)生的新原子核質(zhì)量不對稱,一部分質(zhì)量是90100,一部分是13414427重核裂變?yōu)閮蓚€中等核而釋放能量的過程稱為重核裂變。容易計算出：即

7、一次裂變約有180MeV可資利用的核能。 鈾235U和钚239Pu是常用的兩種裂變核，可用做反應堆和原子彈中的核燃料。28291. 裂變產(chǎn)物通常是一塊較重 ，一塊較輕，即不對稱 裂變的概率大。2. 裂變產(chǎn)物由于相比它們的穩(wěn)定核都是有多余電子 的，所以都有 -放射性(壽命很長)，由于原子核 常處于激發(fā)態(tài)，所以有大量 射線放出。因此對 放射性廢物的處理極為重要。核裂變有兩個重要特征：30原子彈 氫彈31自發(fā)裂變 鈾-235的含量很少，例如天然鈾只含0.714%，堆放得也比較松散，則每次裂變放出的23個中子都散失到空間去了，只有偶爾的12個中子又能擊中其它鈾核。這樣的裂變反應不會連續(xù)不斷地進行。 天

8、然鈾礦就是這種情況，一般每千克鈾元素中每秒鐘有幾個原子核發(fā)生裂變，這叫做自發(fā)裂變。 32核爆炸 如果元素中的鈾-235的含量非常高，如達90%以上，而且堆放得又很緊湊，則一個鈾的裂變放出的23個中子馬上又會引起23個原子核裂變，產(chǎn)生的49個中子又引起49個原子核裂變，放出827個中子，再引起827原子核裂變 如此迅速蔓延，使裂變不斷成倍增長，如排山倒海而來，十分迅猛，能量釋放也十分劇烈。 如果這堆鈾有一定數(shù)量，例如幾千克，就會發(fā)生核爆炸，這就是原子彈。 33核裂變的鏈式反應中子鈾-235 核分裂逃逸34核反應堆 如果這堆鈾堆放得很巧，使得每個原子核裂變放出的中子中恰好有一個擊中別的原子核發(fā)生裂

9、變，而其余的中子散失到空間或者被其它物質(zhì)吸收而不引起裂變，那么連鎖反應就會以穩(wěn)定的水平維持不斷的進行下去，能量平穩(wěn)釋放。這種堆放核的裝置就是我們通常所說的核反應堆。 核反應堆用的核燃料濃度一般很低,例如最常見的壓水反應堆的鈾-235濃度為34%,比起原子彈90%的濃度低的多得多。因此，核反應堆是不可能象原子彈那樣發(fā)生核爆炸的。 35中國導彈核潛艇氫彈爆炸時形成的冷凝云氫彈空中爆炸的火球原子彈36 面對巨大的爆炸，曼哈頓工程負責人，被稱為“原子彈之父”奧本海默在核爆觀測站里感到十分震驚，他想起了印度一首古詩：“漫天奇光異彩，有如圣靈逞威，只有一千個太陽，才能與其爭輝。我是死神，我是世界的毀滅者。

10、”37愛因斯坦與西拉德起草信件給羅斯福38 愛因斯坦與美國理論物理學家羅伯特-奧本海默，愛因斯坦1933年移居美國，在美國愛因斯坦幫助開發(fā)曼哈頓島計劃(即利用核的裂變反應制造原子彈)。39原子核的裂變1. 裂變能的釋放已提純的 235U, 準備再加工為實彈彈頭 40原子彈和氫彈美國投到日本廣島的原子彈“小男孩”美國投到日本長崎的原子彈“胖子”利用自持進行的原子核裂變或聚變反應瞬時釋放的能量。原子彈:主要利用 或 等重原子核的鏈式裂變 反應原理制成的核武器。4142槍法原子彈結(jié)構(gòu)原理圖內(nèi)爆法原子彈結(jié)構(gòu)示意圖氫彈結(jié)構(gòu)原理示意圖氫彈:主要利用重氫超重氫等輕原子核的熱核聚變反應原理制成的核武器43 1

11、945年8月6日美國向日本廣島投下原子彈。此彈重4082公斤，彈長3.05米，彈徑0.711米，裝料為60公斤鈾235，當中只有約1公斤在爆炸中進行了核裂變，釋放的能量約相等于一萬三千公噸的TNT烈性炸藥，即大概為5.5 1013 焦。被稱為 “小男孩”。 原子彈造成了死亡7.1萬人，傷6.8萬人，遭到破壞的總面積達12平方公里，破壞建筑物5萬余所。 在距離爆炸地點約200米的半徑內(nèi)，高溫及炫目的光線使周圍的一切東西被燒毀或者褪了顏色,強烈的沖擊波把燒焦的物體濺到墻壁上。一座繁榮的城市瞬間變成了煙霧彌漫的廢墟。44原子彈爆炸45氫彈爆炸時形成的冷凝云46核能利用47核聚變能源的無可比擬優(yōu)點：（

12、1）能量巨大：核聚變比核裂變釋放出更多的能量。如鈾235的裂變反應將千分之一的物質(zhì)變成了能量;而氘的聚變反應則將近千分之四的物質(zhì)變成了能量。（2）資源豐富：重核裂變使用的主要原料是鈾，目前探明的儲量僅夠使用約 1000 年；而輕核聚變使用的燃料是海水中的氘，1升海水能提取30毫克氘，在聚變反應中能產(chǎn)生約等于300升汽油的能量，即“1升海水約等于300升汽油”，地球上海水中就有 45 萬億噸氘，足夠人類使用百億年。48 （3）成本低廉：1kg氘的價格只為1kg濃縮鈾的1/40。（4）安全、無污染：核聚變不產(chǎn)生放射性污染物，萬一發(fā)生事故，反應堆會自動冷卻而停止反應，不會發(fā)生爆炸。 總之，受控核聚變

13、的燃料取之不盡、用之不竭，核聚變能源將是21世紀最理想的“長壽”能源。49 截至2000年底，全世界正在運行的核動力堆共有438座，總裝機容量為351兆千瓦，為提供的電力的16%。而受控核聚變堆有望到21世紀中葉實現(xiàn)。 法國比利時瑞典日本德國英國美國中國74.6%56.8%39%33.8%30.6%22%20%1.2%各國核電占總電力的百分比50 核反應堆需要有慢化劑,通過它的原子與中子碰撞,將快中子慢化為熱中子。51費米建立的第一個鏈式裂變反應堆 1941年12月，費米領導一批物理學家在芝加哥大學斯塔格運動場的西看臺下建造世界上第一座原子反應堆。該反應堆是用石墨層和鈾層相間堆砌的,共有57層

14、，高6米。52核電站示意圖53采用中子慢化技術熱中子堆提高鈾燃料中235U 的含量快中子堆2. 自持鏈式裂變反應54（天然鈾52噸、高純石墨1000多噸，總重1400噸）世界第一座核反應堆55中國第一座實驗用核反應堆外貌 56秦山核電站57廣東大亞灣核電站58大亞灣核電站夜景59鈾的儲量 鈾在陸地上的儲量并不豐富，總量不超過500萬噸，按目前的消耗量，僅夠人類使用幾十年。 在浩瀚的海水中，有超過陸地幾千萬倍的鈾，但其分布不集中，1000噸海水中僅含有3克鈾，如何提取出來是一項關鍵性步驟。目前在研究的有：吸附法、共沉淀法、氣泡分離法、藻類生物濃縮法。 需要指出的是，鈾廢料的放射性污染問題是令人擔憂的。60切爾諾貝利核電站 1986.4.26,前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站四號機組發(fā)生核泄漏,后果相當于500顆原子彈的當量,受污染地區(qū),主要在烏克蘭、俄羅斯和白俄羅斯,達15萬KM2 ,受害人口為695萬,迄今因遭受輻射而死亡的人數(shù)達30多萬。61“石棺”的加固工程正在進行 62 這15萬KM2土地,就像是蘇聯(lián)人在追求科學和工業(yè)化甚至軍備競賽中為自己掘下的一個巨大墳墓,杳無人煙,一切都定格在事故發(fā)生的那一刻,連新婚夫婦的衣服、結(jié)婚宴席仍原封不動地擺在那里,誰也說不清