【高中物理】核裂變與核聚變 課件 2022-2023學(xué)年高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

5.4

核裂變與核聚變

1.

核裂變的發(fā)現(xiàn)

核裂變的發(fā)現(xiàn)核裂變是在1938年被時(shí)任德國柏林威廉皇家化學(xué)研究所主任的德國化學(xué)家奧托-哈恩與合作者弗里茨-斯特拉斯曼最先確認(rèn)的。在此之前，由于意識(shí)到中子不帶電荷而較容易越過核勢壘與核發(fā)生作用，有些物理學(xué)家開始了中子轟擊原子核的實(shí)驗(yàn)研究。意大利物理學(xué)家恩里科?費(fèi)米在1934年曾發(fā)表過用中子轟擊鈾核并得到一種半衰期為13min的放射性產(chǎn)物。1938年，法國的約里奧?居里用中子轟擊鈾，得到了一種半衰期為3.5h的放射性產(chǎn)物。不過，費(fèi)米和居里等人一直認(rèn)為受到轟擊的鈾核只是發(fā)生了衰變。核裂變的發(fā)現(xiàn)哈恩第一個(gè)采用化學(xué)的方法明確了上述反應(yīng)的產(chǎn)物。但哈恩作為化學(xué)家，未敢輕易斷言，于是告訴了物理學(xué)家邁特納。當(dāng)邁特納收到哈恩的來信時(shí)，正好她的外甥——當(dāng)時(shí)在玻爾研究所工作的弗里施——前去探望她，于是倆人一同討論了哈恩的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。邁特納用玻爾的液滴模型解釋了這一過程，認(rèn)為是一個(gè)重核分裂成了兩個(gè)輕核，“裂變”一詞就是弗里施從細(xì)胞分裂那里借用的名詞。復(fù)合核鈾236處于高激發(fā)態(tài)，存在的時(shí)間很短，很容易裂開兩種典型的鈾235裂變的核反應(yīng)是鈾235的裂變產(chǎn)物可能為氙和鍶、鋇和氪或者銻和鈮,同時(shí)放出2~3個(gè)中子和巨大的能量。1946年至1948年間,我國核物理學(xué)家錢三強(qiáng)(1913—1992)、何澤慧(1914—2011)夫婦及其合作者首次發(fā)現(xiàn)鈾235還有極低概率裂變?yōu)槿齻€(gè)或四個(gè)原子核(三分裂、四分裂)的現(xiàn)象發(fā)生。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鈾235在被一個(gè)熱中子轟擊后，會(huì)產(chǎn)生裂變并同時(shí)釋放出2?3個(gè)中子，如果附近還有鈾235，則這些中子擊中鈾235后，又使其裂變，并產(chǎn)生第二代中子，繼續(xù)導(dǎo)致周圍的鈾235發(fā)生裂變并放出第三代中子，不斷繼續(xù)這一過程，如果中子沒有損失，裂變反應(yīng)將持續(xù)下去，并不斷加強(qiáng)，直至全部的鈾235都發(fā)生裂變?yōu)橹?。這種反應(yīng)過程就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件由于核裂變中產(chǎn)生的中子，其動(dòng)能多在5MeV的量級(jí)，是快中子，不容易發(fā)生核反應(yīng)。因此，要實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，首要條件是使裂變產(chǎn)生的快中子減速為慢中子。其次，天然鈾中鈾238占99.3%，鈾235僅占0.7%。由于鈾238比鈾235穩(wěn)定，因此經(jīng)常采用擴(kuò)散和離心分離技術(shù)將天然鈾制成濃縮鈾，使得鈾235濃度足夠高。最后，鈾塊的體積是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能否發(fā)生的決定性條件。能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積叫做臨界體積。小結(jié)重核裂變的本質(zhì)：中子轟擊重核，使重核分解為兩個(gè)中等質(zhì)量原子核，反應(yīng)前后出現(xiàn)質(zhì)量虧損，釋放大量能量，放出更多中子的過程。2.

反應(yīng)堆與核電站

核反應(yīng)堆利用鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置之一就是核反應(yīng)堆（也稱原子反應(yīng)堆），這是一種可控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裝置。將核燃料、中子減速劑與冷卻劑放在一起，就構(gòu)成了反應(yīng)堆的堆芯。核燃料可以用濃縮鈾，也可以用天然鈾。中子減速劑主要是輕水或重水、固態(tài)石墨或液態(tài)金屬，其中重水同時(shí)起冷卻的作用。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度（及中子增值速度）的控制是依靠控制棒實(shí)現(xiàn)的，控制棒用硼或鎘制成，它們對(duì)快中子有很大的吸收截面，通過插入或拔出控制棒來改變反應(yīng)堆中中子的增值速度。為防止中子的外泄，將堆芯用中子反射層包圍起來，中子反射層多用石墨制成。反應(yīng)中產(chǎn)生的能量將其中的循環(huán)水加熱產(chǎn)生蒸汽，即可利用。核反應(yīng)堆不僅可以作為能源使用，而且由于核裂變反應(yīng)中產(chǎn)生了大量的放射性同位素、中子、各種射線以及輕子，還是科學(xué)研究的重要基地。原子彈核裂變是在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期被發(fā)現(xiàn)的，由于擔(dān)心希特勒首先掌握并擁有核武器，美國啟動(dòng)了曼哈頓工程，動(dòng)員了全美國優(yōu)秀的科學(xué)家，終于在1945年7月6日試爆了第一顆原子彈。原子彈也是依靠鏈?zhǔn)椒磻?yīng)爆炸的，由于用作軍事目的，要求質(zhì)量輕、體積小、反應(yīng)激烈、威力巨大，所以原子彈是用高純的濃縮鈾或缽制成的。原子彈中，濃縮的核燃料分成兩塊，每一塊不到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的臨界體積；但是，如果將兩塊合在一起，則達(dá)到臨界狀態(tài)，立刻爆炸，將巨大的能量瞬間釋放。3.

核聚變

核聚變核聚變是兩個(gè)或多個(gè)輕原子核聚合為一個(gè)較大等質(zhì)量原子核的反應(yīng)。為了使原子核發(fā)生聚變，原子核必須具有足夠大的動(dòng)能以克服核之間相互作用的庫侖斥力，使原子核之間的距離達(dá)到核力能發(fā)生作用的范圍。要使大量的輕核具有足夠大的動(dòng)能，意味著需要將它們加熱到很高的溫度，因此這類聚變反應(yīng)又稱為熱核反應(yīng)。典型的核聚變：氫彈就是利用核聚變的原理制造的。兩彈元?jiǎng)?，指為氫彈和原子彈的研究做出突出貢獻(xiàn)的人。主要人物有鄧稼先、錢三強(qiáng)、趙九章、錢學(xué)森、孫家棟等人。共和國永遠(yuǎn)銘記他們的貢獻(xiàn)?？煽睾司圩兒司圩儽群肆炎兊哪苄Ц?，地球上核聚變的材料氘核容易獲得且輕核聚變更加安全、清潔。因此，人類一直在探索實(shí)現(xiàn)可控核聚變的途徑。如果人類真的可以廣泛使用可控核聚變，那么能源問題就不再是問題了，核聚變所供應(yīng)的能量可以給人類使用上億年。4.

思考與練習(xí)

1.簡述鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件。2.1g鈾235全部裂變后所釋放的能量是多少?(