核武器與化學

課時授課計劃1、課題：第4章核武器與化學2、課型：新授課3、目的要求：通過本章的學習，了解原子彈、氫彈等的作用機理及特點。4、重點難點：教學重點：原子彈、氫彈等核武器的原理和特點教學難點：原子彈、氫彈等核武器的原理和正確認識。5、教學方法及手段：講授與學生討論及觀看相關視頻相結合，在有條件的教室使用多媒體課件。6、參考資料7、作業(yè)8、授課日期班次9、授課效果分析：10、教學進程（教學內容、教學環(huán)節(jié)及時間分配等）（1）導入課題：第4章核武器與化學（2）教學內容：a.原子彈的發(fā)展演化b.核裂變原理和應用c.氫彈的發(fā)展演化d.核聚變的原理、特點和應用e.貧鈾彈的是與非（3）課堂總結：核武器威力巨大，對戰(zhàn)爭帶來了翻天覆地的變化；核武器的出現(xiàn)使整個世界處在核威懾帶來的陰郁的籠罩之下，核大國的任何一個不可冷靜都會帶來不可挽回的代價；核裂變核聚變在民用方面具有巨大的開發(fā)價值?！局v稿】第4章核武器與化學4.1原子彈與化學4.1.1發(fā)展歷史1、二戰(zhàn)中英美蘇德的原子彈競賽1939年德國科學家發(fā)現(xiàn)了原子核裂變現(xiàn)象，并進一步提出有可能創(chuàng)造這種裂變反應支持進行的條件，從而開辟了利用這一新能源為人類創(chuàng)造財富的廣闊前景。但是，同歷史上許多科學技術新發(fā)現(xiàn)一樣，核能的開發(fā)也被首先用于軍事目的，即制造威力巨大的原子彈，其進程受到當時社會與政治條件的影響和制約。1939年德國擴大侵略戰(zhàn)爭，歐洲許多國家開展科研工作日益困難。1939年丹麥科學家闡述了核裂變反應過程，并指出能引起這一反應的最好元素是同位素鈾235。就在此時英、法向德國宣戰(zhàn)，二戰(zhàn)全面爆發(fā)，1940年夏德國占領法國。（1）英國英國曾制訂計劃進行這一領域的研究，但由于戰(zhàn)爭影響，人力物力短缺，后來也只能采取與美國合作的辦法，派出科學家與美國合作。（2）美國英國受戰(zhàn)爭影響被迫派出科學家與美國合作，再加上納粹德國對猶太人實行種族滅絕政策（愛因斯坦就是猶太人，猶太人很聰明，很會做生意），很多核科學家來到美國。為了搶在德國之前，1939年8月愛因斯坦和幾個科學家聯(lián)名向美國總統(tǒng)提出制造建議，研究原子彈。美國總統(tǒng)批準，命名為“曼哈頓計劃”，開始規(guī)模很小，只投入了很少的錢，6000美元，后來日本偷襲珍珠港后，才擴大規(guī)模，直接動用的人力約60萬人，投資20多億美元。到二戰(zhàn)快結束時，后來居上，搶在德國之前制造出了三顆原子彈，美國成為世界上第一個擁有原子彈的國家。并在日本失敗已成定局的情況下，美國仍于8月6日、9日先后在日本的廣島和長崎投下了僅有的兩顆原子彈，造成了巨大的傷亡，慘狀讓人不寒而栗，日本也成為世界上第一個也是至今唯一一個遭受過核打擊的國家，但愿不要有第二個。（3）德國德國開始處于領先地位，但納粹過于自信，認為戰(zhàn)爭很快就會結束，不重視，再加上英美等國的空襲，物資，電力等短缺和因納粹迫害科學家，有的科學家采取不合作態(tài)度，因此到二戰(zhàn)結束德國也沒造出原子彈。（4）蘇聯(lián)蘇聯(lián)在戰(zhàn)前也在加強這方面的研究，衛(wèi)國戰(zhàn)爭使研究中斷。1943年逐漸恢復，戰(zhàn)后蘇聯(lián)更是加速進行，終于與1949年，進行了原子彈試驗。2、二戰(zhàn)后的新的核國家中國基礎工業(yè)有了一定的發(fā)展后，即著手準備研制原子彈，并在蘇聯(lián)專家的幫助下研究。1958年開始起步時，國民經濟發(fā)生嚴重困難，蘇聯(lián)撕毀協(xié)議，撤走專家。中國決心完全依靠自己的力量來實現(xiàn)這一任務。中國首次試驗的原子彈取"596"為代號，就是以此激勵全國軍民大力協(xié)同做好這項工作。1964年10月16日，首次原子彈試驗成功。目前除美、蘇、英、法和中國已掌握核武器外，印度，巴基斯坦也有了核武器，朝鮮也于2009年試驗了原子彈，實際上以色列也有只是不承認也不否認。一般認為，掌握必要的核技術并具有一定工業(yè)基礎及經濟實力的國家，也完全有可能制造原子彈，伊朗也在為此努力。原子彈正向著小型化方向發(fā)展。4.1.2原理1、核裂變原理當一個重原子核，如鈾等，被中子轟擊后，可以發(fā)生裂變(一個原子核分裂成幾個原子核的變化，是指由重的原子，主要是指鈾或钚，分裂成較輕的原子的一種核反應形式)分裂成兩個或更多個質量較小的原子核，釋放出2~3個次級中子。裂變前后并沒有發(fā)生質子、中子數(shù)量的變化，但是其質量卻減輕了微不足道的一點，但根據(jù)愛因斯坦能量方程E=mc2，這些消失的質量轉化成為能量釋放出來。這微不足道的一點質量乘以光速的平方，就是一個相當大的數(shù)值了。而且鈾原子核在裂變時，可以同時釋放2-3個中子，如果這些中子繼續(xù)轟擊其他的鈾原子核，這樣一個接一個繼續(xù)就可以形成雪崩式的裂變反應，把能量在百分之一秒內釋放出來，我們稱之為鏈式反應。1千克鈾235的全部核的裂變將產生20,000兆瓦小時的能量(足以讓20兆瓦的發(fā)電站運轉1,000小時)，與燃燒300萬噸煤釋放的能量一樣多。1千克鈾235(或钚239)全部裂變，大約能釋放18000噸梯恩梯當量的能量，這樣的瞬間能量釋放可以形成破壞巨大的爆炸，完全能夠制造出一種重量輕、破壞大的武器。一顆原子彈的核裝藥一般為15～25千克鈾235(或6～8千克钚239)，美國投到日本的原子彈威力只相當于兩萬噸左右的TNT當量，這樣算核裝藥利用率還不到百分之五。2、原料制備核裂變主要使用鈾為原料，但是，鈾有兩種同位素，鈾235和鈾238。鈾235在吸收中子后可以立即發(fā)生裂變，而鈾238則幾乎毫無變化。天然鈾中鈾235的比例很小，根本不可能維持鏈式反應。所以，將鈾235提純就成為原子彈成功的關鍵。鈾235與鈾238的化學性質完全相同，物理性質中也僅僅是密度稍有差異。科學家發(fā)現(xiàn)，鈾與氟反應生成UF6，這是一種氣體。鈾235和鈾238的氟化物密度有差異，如果讓他們擴散通過多孔板，鈾235氟化物就會比鈾238氟化物略微快一點。經過很多次這種過程，鈾235就被提純了，也可以利用超速離心的方法分離（就是現(xiàn)在的離心機）。當鈾238吸收中子后，會發(fā)生β衰變成為镎239。镎239的半衰期很短，很快衰變?yōu)轭?39。钚239與鈾235性質相似，也可以發(fā)生鏈式反應。1945年投放在長崎的“胖子”就是一枚钚彈，廣島投下的是一顆鈾彈（所以鈾238也不是沒有用處，也可以使用）。4.1.3應用1、原子彈可以用來作為武器造成慘重的損失，據(jù)統(tǒng)計，美軍在日本投下的兩枚原子彈共造成近30萬人死亡，效果遠遠超過任何一種常規(guī)武器，那當量只有幾萬噸的TNT.現(xiàn)在的原子彈威力更大，動輒幾百萬噸TNT當量，甚至有上千萬噸的，那就損失更大了。2、用來發(fā)電，核反應堆，核電廠已經應用于全世界，中國的秦山和大亞灣補救正在運行，貢獻電能。3、至于利用地下核爆炸的高溫高壓，將石墨變成金剛石，利用地下核爆炸的強大中子流生產超鈾元素，則已開始實踐了。作用還有很多，只要開動智慧，和平利用會很多的。4.2氫彈與化學4.2.1發(fā)展歷史1、產生階段1942年，美國科學家在研制原子彈的過程中，由于原子彈爆炸能產生上千萬度的超高溫，推斷原子彈爆炸提供的能量有可能點燃氫核，引起聚變反應，并想以此來制造一種威力比原子彈更大的超級彈。美國在研制氫彈初期，經過了多次試驗都沒有成功，1950年以后美國又重新開始試驗，并且利用電腦對熱核反應的條件進行了大量計算之后，證明在鈽彈爆炸時所產生的高溫下，熱核原料的氘和氚混合物確實有可能開始聚變反應。為了檢查這些結論，他們曾經準備了少量的氘和氚裝在鈽彈內進行試驗，結果測得這枚鈽彈爆炸時產生的中子數(shù)大大增加，說明了其中的氘氚確實有一部分會進行熱核反應。于是在這次試驗后，美國加緊了制造氫彈的工作，1952年11月1日清晨，太平洋比基尼島，隨著一聲巨響，耀眼的火球沖天而起。海水沸騰了，整個小島幾乎從海面上消失，這就是第一枚氫彈。當時所用的氫彈重65噸，其中用于維持氘氚液化的制冷系統(tǒng)就有50余噸，體積十分龐大，這樣大的重量是任何運載工具都難于勝任的，沒有實戰(zhàn)價值。而且，核燃料氚是一種放射性同位素，半衰期為12年，制造好的氫彈是不能長期保存的。直到1954年找到了用固態(tài)的氘化鋰替代液態(tài)的氘氚作為熱核裝料之后，才縮小了體積和減輕重量，制出了可用于實戰(zhàn)的氫彈。從50年代初至60年代后期，美國、蘇聯(lián)、英國、中國和法國都相繼研制成功氫彈，并裝備部隊。2、發(fā)展成熟階段——大型化20世紀60年代中期，大型氫彈的威力已達到了很高的水平。為了在核競爭中壓服美國，蘇聯(lián)開始打算引爆1億噸TNT當量的氫彈，考慮到破壞力太大，換了5000萬噸級的氫彈，也是威力超強啊，沖擊波繞了地球4圈，核污染范圍達4000公里。閃光在1000公里外都能看見。爆炸過后通紅的蘑菇云高達70公里。也就是說在蘇聯(lián)引爆的超級氫彈，在美國也能看到閃光，而且美國也會受到核輻射。核爆炸后，4000公里以內的所有的飛機、導彈、雷達、通訊等設備全部都受到不同程度的影響，蘇軍整個通訊體系失去聯(lián)系的時間長達一個多小時，而其對手美軍也遭了殃，首當其沖的是最靠近蘇聯(lián)國土的阿拉斯加和格陵蘭島，美軍駐阿拉斯加和格陵蘭島上的北美防空司令部的電子系統(tǒng)大都受損，雷達無法操作，通訊中斷。這顆氫彈在4000多米高空引爆，范圍比整個日本還大。1945年的原子彈小男孩曾經滅掉日本一個城市，如果當時氫彈已經誕生，那么今天就沒有日本了。氫彈采取的是核聚變，原子彈是核裂變，氫彈必須靠原子彈來引爆，原子彈和氫彈融合，氫原子相互碰撞，強大的力量到達臨界點，氫彈的外殼立刻被5000萬噸黃色炸藥炸的粉碎。這顆氫彈被稱為世界上最大的氫彈。由于太過恐怖，對環(huán)境破壞太過于嚴重，威力過度沒有意義，從此以后世界各國再未進行過如此瘋狂的核試驗。3、小型化小型氫彈則經過了60年代和70年代的發(fā)展，威力也有較大幅度的提高。在某些戰(zhàn)爭場合，需要使用具有特殊性能的武器。至80年代初，已研制出一些能增強或減弱某種殺傷破壞因素的特殊氫彈，如中子彈、減少剩余放射性武器等。中子彈是一種以中子為主要殺傷因素的小型氫彈，只不過這種小型氫彈中裂變的成分非常小，而聚變的成分非常大，因而沖擊波和核輻射的效應很弱，但中子流極強，它靠極強的中子流起殺傷作用，據(jù)稱能做到“殺人而不毀物”。70年代末，美國宣布研制成功中子彈。減少剩余放射性武器（Reduced-Residual-Radioactivityweapon）亦稱RRR彈，也屬于一種以沖擊波毀傷效應為主，放射性沉降少的氫彈。隨著科學技術的發(fā)展，氫彈與洲際彈道飛彈的結合就為現(xiàn)代世界帶來了以暴制暴的恐怖和平，使得人類進入按鈕戰(zhàn)爭的時代，任何一個核子強國在戰(zhàn)爭中使用氫彈，也就是世界末日的來臨，氫彈主要起威懾作用。到目前為止，所有被制造出的氫彈當中，威力最大的是由蘇聯(lián)所制造的，當量為7000萬噸的超大型氫彈，但因為過于笨重及龐大，難以搬運，欠缺實用性，因此早已退役。萬一誰一時大意，或走了火，那就是世界末日啊。氫彈只是一種威懾武器，美俄數(shù)次簽訂削減核武器條約就是為了較少和避免這種擦槍走火的事故發(fā)生的概率。4.2.2原理1、裂變原理裂變實現(xiàn)以后，科學家又把目光集中在了輕核的聚變反應。如果輕原子核，如氫的同位素氘(dao，D)、氚（chuan，T）能靠近到一定距離，可以發(fā)生聚合成為質量稍大的氦核，其質量的衰減大于重核的裂變，產生巨大的能量。太陽就是一個巨大的核聚變反應堆，現(xiàn)在一直作用反應者，不斷的向地球等星球供應能量，而且還可以供應100億年（如果太陽開始衰敗，那地球就滅亡了）。但是，原子核攜帶正電荷，要想讓其靠近到可以聚合的距離，必須讓其具有巨大的動能。達到這種動能的溫度只存在于恒星內部，依靠常規(guī)方法是無法實現(xiàn)的。原子彈爆炸時，其溫度可以達到上千萬度，完全滿足了這種需求。一旦被引發(fā)，核聚變本身產生的能量就足以維持直到燃料用盡。1952年的第一枚氫彈就是此原理，這枚氫彈使用一枚小當量原子彈作為“雷管”。核聚變材料為液態(tài)氘、氚。核反應方程式為：D+T→He+n這枚氫彈的爆炸當量相當于700個廣島原子彈，充分體現(xiàn)了核聚變的威力。但是，這種氫彈重量大，體積大，不易保存，是不具有實戰(zhàn)應用價值的?；瘜W家和核物理學家合作，很快解決了這個問題。用3號元素鋰的一種同位素鋰6，與氘反應，生成一種白色的固體——氘化鋰，這是一種容易保存的鹽。氘化鋰用作核裝藥，在爆炸時發(fā)生以下兩個核反應：Li+n→T+HeT+D→He+n這兩個反應都會釋放巨大的能量。原子彈“雷管”爆炸時可以提供足量的中子，中子與鋰6反應生成氚，氘氚核聚變時又能產生中子維持鋰6的反應……所以，總反應可以寫成：Li+D→2He這樣，氫彈甩掉了重負，可以應用于實戰(zhàn)之中了。由于氫彈爆炸時要發(fā)生兩種核反應——原子彈“雷管”裂變反應和氘氚聚變反應，因此也被稱為雙相彈。2、原料獲取氫彈的原料——氘，是氫的同位素，大量存在于自然界之中。氘與氧的化合物稱為重水，其化學性質與水基本相同。但是，重水的沸點略高于水，在電解水的時候，重水也相對不容易被電解。所以，就可以采用反復蒸餾普通水和電解水的方法濃縮重水，最后利用電解的方式得到氘。鋰6主要存在于海水、礦泉水、鋰輝石當中，天然儲量也很大。所以，氫彈的原料更易得。3、幾種新型氫彈的原理氫彈爆炸成功后，人們發(fā)現(xiàn)，其爆炸時可以產生大量高速度的中子。如果用這種高速度的中子轟擊鈾238，可以引起它的裂變而釋放能量。由于鈾238裂變時不產生中子，所以不會維持鏈式核裂變反應，但是核聚變產生的高能中子已經是綽綽有余。于是，在氫彈的外邊加上鈾238外殼，就制成了聚變-裂變彈，也稱為氫鈾彈。由于同時發(fā)生原子彈“雷管”裂變-氘氚聚變和鈾238裂變三種核反應，所以又被稱為三相彈。它的特點是成本低、威力大、放射性污染多。由于氫彈不受核裝藥臨界體積的限制，所以理論上講可以做得無限大，上千萬甚至上億噸級的氫彈也可以制造出來。由于三相彈中應用的鈾238是制造原子彈的廢品，這種應用更是很好的廢物利用。還有一種新型核彈，即所謂中子彈。中子彈實際上可能是一種小型氫彈，只不過這種小型氫彈中裂變的成分非常小，而聚變的成分非常大，因而沖擊波和核輻射的效應很弱，但中子流極強。它靠極強的中子流起殺傷作用，據(jù)稱能做到“殺人而不毀物”。4、氫彈的運載氫彈的運載工具一般是導彈或飛機。為使武器系統(tǒng)具有良好的作戰(zhàn)性能，要求氫彈自身的體積小、重量輕、威力大。因此，比威力的大小是氫彈技術水平高低的重要標志。當基本結構相同時，氫彈的威力隨其重量的增加而增加。大型氫彈只是威懾工具，小型化的氫彈更有應用空間，現(xiàn)在各國都在研究小型核彈。4.2.3特點氫彈比原子彈優(yōu)越的地方在于:1、威力巨大，單位殺傷面積的成本低；2、自然界中氫和鋰的儲藏量比鈾和釷的儲藏量還大得多，地球上重氫有10萬億噸（每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚變產生的能量相當于300升汽油）；3、所需的核原料實際上沒有上限值，這就能制造TNT當量相當大的氫彈；4、可不對環(huán)境構成大的污染，而且反應過程容易控制，核事故風險極低；5、無高端核廢料。缺點：反應要求極高，技術要求極高。從理論上看，用核聚變制造武器和提供部分能源，是非常有益的，但目前人類還沒有辦法，對它們進行較好的利用。4.2.4應用1、用作武器，用導彈、飛機等運載。2、核爆炸可以用來開山、辟路、挖掘運河、建造人工港口等。原子彈輻射太大，產生大量放射性物質，污染嚴重，不適用，主要就是氫彈。例如，只需四次核爆炸就可開鑿一個能停泊萬噸巨輪的海港。進行一次百萬噸梯恩梯當量級的核爆炸，就可炸出一個直徑300多米、深30多米的大坑。然后進行三次規(guī)模較小的核爆炸，開出一條運河來把大坑和深海連接起來(這樣的爆炸當然應盡量減少放射性物質的產生)。只要經過幾個月的時間，當海潮把產生的少許放射性物質沖走后，這個海港就可安全使用了。3、許多地區(qū)有大量石油瀝青沙層和油頁巖，靠鉆井并不能開采這種石油，但是核爆炸（主要是氫彈）的高溫高壓能迫使這種石油流動，因而可以把它開采出來。據(jù)稱，單把美國西部一個區(qū)域內的油頁巖中的石油取出來，就可供全世界使用很長一段時間。4、至于利用地下核爆炸（主要是氫彈）的高溫高壓，將石墨變成金剛石，利用地下核爆炸的強大中子流生產超鈾元素，則已開始實踐了。5.核爆炸還可以改造沙漠，使沙漠變成良田。很多干旱的沙漠地帶其實也有一些雨水，但是這些雨水多半從地面流進地下河流、流入海中，剩下的一點則很快蒸發(fā)淖了，因此地面上沒有一點水分，沙漠成了不毛之地。核爆炸（主要是氫彈）可以造成巨大的積水層—“地下水庫”。雨季時，雨水儲在積水層中，然后慢慢地透過多孔的泥土濕潤地表，使之適合于植物的生長。6、還可利用核聚變的原理制造人工太陽，發(fā)電，現(xiàn)在中國就在投巨資研究人造太陽，處于世界領先地位。截至2006年，核能（核裂變能）發(fā)電占世界總電力約15%。說明了核裂變的應用的規(guī)模之大，更能說明優(yōu)勢比核裂變更大的核聚變能源前景更加光明?？茖W家們估計，到2025年以后，核聚變發(fā)電廠才有可能投入商業(yè)運營。2050年前后，受控核聚變發(fā)電將廣泛造福人類。4.3不是核武器的核武器：貧鈾彈4.3.1貧鈾彈是彈芯用貧鈾合金制成的炮彈、炸彈或子彈，其穿透性極強。貧鈾彈采用分離濃縮鈾后產生的大量下腳料制成，主要成分是低放射性的鈾２３８。所謂貧鈾是從金屬鈾中提煉出核材料鈾235以后得到的副產品，其主要成分是不具放射性的鈾238，故稱貧化鈾，簡稱貧鈾。它的密度為18.7g／cm3，是鋼密度的2.8倍。天然鈾中，含有U238、U235、U234三種同位素，而只有U235才能用于核裂變反應，才能作為核武器和核電站燃料，因此天然鈾必須加工處理成高含U235的濃縮鈾。純天然鈾中U235僅占0.72％，U238占絕對優(yōu)勢，獲取濃縮鈾后剩余的鈾，U235含量更低。這種U235含量比天然鈾更低的鈾叫貧鈾。美國原子能標準委員會（NRC）將U235低于0.711％的鈾定為貧鈾，美國國防部定的國防部標準為U235含量在0.3％以下，而實際使用的標準是0.20％。但是，鈾蒸氣有毒，貧鈾也不是絕對不含鈾235，仍有微弱的放射性，這些都會對人體產生傷害，對環(huán)境造成污染。4.3.2優(yōu)點貧鈾作為核燃料的副產品，在過去相當長的時間內被作為核廢料，而用于核廢料的管理費用是相當巨大的。因此各生產核燃料的國家都為貧鈾的利用尋找出路。目前已有不少國家將貧鈾用于新彈藥的研制，生產了貧鈾彈。美國在貧鈾的利用方面比較領先，制成了穿甲彈等。據(jù)研究貧鈾穿甲彈穿甲性能很強，一是由于貧鈾密度大，其密度遠遠大于鉛，制成相同體積的彈丸時質量大；其次貧鈾的高硬度也是重要因素，又由于鈾易氧化，穿甲時發(fā)熱燃燒，形成較大的后破壞作用，殺傷乘員及破壞坦克的內部設備。廣泛的來源也為其廣泛應用提供了可能，反正是廢物，就當廢物處理。因此，用其為彈芯制成穿甲彈，其打擊動量更大。當貧鈾彈擊中目標時，其巨大的動能可以很輕易的擊穿坦克的厚裝甲，穿甲彈也就具有如下特點：1、因此貧鈾彈的威力巨大，但它擊中坦克等裝甲車輛后，由于撞擊能產生高溫，因此可以引發(fā)鈾燃燒，進而產生更高的溫度，軟化彈著點的裝甲，降低裝甲的強度，使穿甲彈破甲而入。2、而且，鈾屬于元素周期表稀土族，具有類似的特點：當其粉末與空氣摩擦時可以燃燒，且熱值很高，因此用來作貧鈾彈。比如，機械打火機的火石就是稀土族的鑭鈰合金。貧鈾彈打擊后產生的貧鈾材料碎屑可以立即燃燒，鈾燃燒時產生的大量云霧狀氧化鈾塵埃還會沾染坦克等裝甲車輛的表面，擴散于空氣之中，沉降在土壤之內。形成放射性污染源，對敵人造成放射性殺傷。3、同時，相對于鎢合金穿甲彈，貧鈾穿甲彈的一個不同是：其在穿甲的過程中彈頭不斷自銳，而鎢合金穿甲彈是自鈍的。在一定程度增加了貧鈾彈的穿透能力。4.3.3缺點鈾238是一種放射性元素，其半衰期達數(shù)百萬年。使用過貧鈾彈的地區(qū)，鈾238的化合物可以隨飲水、食物鏈進入人體，同時在環(huán)境中對人和其他生物造成持久的放射傷害。而且