技術(shù)物理下冊(cè)（第三版）12-4 原子核能技術(shù)學(xué)習(xí)課件

12-4

原子核能技術(shù)現(xiàn)象與思考原子核結(jié)構(gòu)及組成原子核能裂變和聚變

現(xiàn)象與思考

物質(zhì)都由分子、原子核組成的，原子是由原子核和電子組成的。那么原子核有沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)？原子核是由什么組成的？

我們這一節(jié)就認(rèn)識(shí)原子核和原子核能的應(yīng)用。如視頻12.4-1和圖12.4-1。核電站及核反應(yīng)堆視頻12.4-1圖12.4-1我國(guó)大亞灣核電站一、原子核結(jié)構(gòu)及組成1.天然放射現(xiàn)象

天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭開了原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)秘紗。

1896

年，法國(guó)物理學(xué)家貝可勒耳在實(shí)驗(yàn)中首先發(fā)現(xiàn)，鈾能放出肉眼看不見的使照相底片感光的某種射線。發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象。貝可勒耳（1852—1908）2.

原子核的人為轉(zhuǎn)變

20

世紀(jì)

30

年代原子核的人為轉(zhuǎn)變、查德威克發(fā)現(xiàn)中子，后來人們又從其他許多原子核里都打出中子來，從而表明中子也是原子核的組成部分。人們逐漸認(rèn)識(shí)原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成原子核物理學(xué)。查德威克（1891—1974）3.原子核的組成⑴原子結(jié)構(gòu)示意圖圖12.4-2原子結(jié)構(gòu)示意圖⑵核素符號(hào)的形式

X

為化學(xué)元素符號(hào)；

A

為核素的質(zhì)量數(shù)；

Z

為核電荷數(shù)，它是核所帶元電荷數(shù)，也等于核中質(zhì)子數(shù)（原子序數(shù)）。

如：

表示碳原子核，其中質(zhì)量數(shù)

A

=12，核電荷數(shù)

Z

=

6，中子數(shù)A-Z=

6。二、原子核能

1.

質(zhì)量虧損

實(shí)驗(yàn)證明：原子核的質(zhì)量總是小于組成它的質(zhì)子和中子的質(zhì)量和。后者與前者的差額稱為質(zhì)量虧損。

如氘核（）由一個(gè)質(zhì)子（p)和一個(gè)中子（n）

組成，其質(zhì)量為：m

d=3.344×10-27Kg一個(gè)質(zhì)子（p)

和一個(gè)中子質(zhì)量的和：mp+mn=(1.673+1.675)×10-27Kg=3.348×10-27Kg其質(zhì)量虧損為：△m=mp+mn-md=0.004×10-27Kg那么被質(zhì)量虧損的這部分質(zhì)量到哪去了？2.質(zhì)能關(guān)系式

E=mc2

由愛因斯坦提出，第一次把能量和質(zhì)量聯(lián)系起來，認(rèn)為一定的質(zhì)量必定與一定的能量相聯(lián)系。式中

c

是真空中的光速。愛因斯坦質(zhì)能方程是我們開發(fā)核能的理論基礎(chǔ)。如：1

g

質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量為E=1×10-3×（3×108）2J=9×1015J

相當(dāng)于燃燒

3.18×108

L

汽油得到的能量。按

10

km/L

的耗油量計(jì)算，可供一個(gè)小汽車環(huán)球旅行

80

圈。

前面所舉例子中

△m=0.004×10-27

Kg

對(duì)應(yīng)的能量為：△E=△

mc2=（0.004×10-27×2997924582）J=3.597×10-13

J=2.24MeV相當(dāng)于

56

萬個(gè)碳原子完全燃燒放出的能量。

3.核能

核子組合成原子核時(shí)放出的能量稱為結(jié)合能，不同的核結(jié)合能是不同的。當(dāng)然，要把原子核拆解為一個(gè)個(gè)中子和質(zhì)子，所需的能量不會(huì)少于它的結(jié)合能。

⑴無論是重核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的核，還是輕核聚合成質(zhì)量較大的核，都要吸收或釋放能量，這個(gè)能量叫做核反應(yīng)能，也叫原子能或核能。⑵獲得核能的兩種方式：裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng)

三、裂變和聚變1.

重核裂變

1939

年

12

月，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核裂變?yōu)閮蓚€(gè)中等質(zhì)量的新核，同時(shí)放出

2～3

個(gè)中子，并釋放了近

200MeV

的能量。這種現(xiàn)象叫做重核裂變。圖12.4-3重核裂變

在裂變反應(yīng)中，如果1kg的鈾全部裂變，它放出的能量相當(dāng)于2500t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)放出的能量。圖12.4-4鈾⑴鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

鈾核裂變時(shí)總要釋放出2～3個(gè)中子，這些中子又會(huì)引起其他鈾核的裂變，這樣裂變反應(yīng)就會(huì)不斷地進(jìn)行下去，釋放出越來越多的能量，這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。如圖12.4-4所示及（動(dòng)畫）鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠進(jìn)行的最小體積叫做臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（動(dòng)畫）⑵核反應(yīng)堆鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及其迅速，在及短的時(shí)間內(nèi)釋放巨大的核能。為了和平的利用原子能，人們制造核反應(yīng)堆。它有五部分組成：核燃料、減速劑、控制棒、保護(hù)層、冷卻劑，如（動(dòng)畫)。核反應(yīng)堆如圖12.4-5所示。核反應(yīng)堆（動(dòng)畫）圖12.4-5壓水堆核電站示意圖

2.輕核聚變⑴當(dāng)兩個(gè)輕原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核時(shí)，也會(huì)釋放能量。我們稱這種結(jié)合為輕核聚變。⑵實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)需要滿足的條件：

①高溫。②密度和時(shí)間。③約束。

要使輕核聚變，必須使他們的距離很近。由于原子核是帶正電的，要使它們接近到達(dá)到10～15m的近距離，必須克服巨大的庫(kù)侖力。這就要使原子核具有很大動(dòng)能，通常通過加熱來實(shí)現(xiàn)。因此，聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)。熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去。

練習(xí)

1.關(guān)于原子核的核能,下列說法正確的是()

A.

核子組成原子核時(shí)，所釋放的能量

B.

核子組成原子核時(shí)，所需要的能量

C.

原子核所具有的熱力學(xué)能

D.

原子核分裂成核子的過程中,由質(zhì)量虧損所吸收的能量A

2.太陽(yáng)輻射能量主要來自太陽(yáng)內(nèi)部的(

)A.化學(xué)反應(yīng)