选修3-5第4章第1节裂变与聚变

一、核力及其性质特点:(1)是一种比库仑力大得多的强相互作用力(2)是一种短程力，仅当核子间距＜2×10-15m时，才明显发生作用(3)是一种饱和力——每个核子仅与它邻近的核子发生相互作用，即能与它发生作用的粒子数是有限的核力：组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，使核子能够克服库仑斥力而紧密结合在一起，这种力称为核力。二、重核与轻核意义：原子核中的质子数又称为原子序数，这是因为它与元素周期表中元素的排列序号一致。排在周期表比较靠后的元素对应的原子核叫重核，排在比较靠前的叫轻核。说明：一般排在周期表最前面的轻核的质子和中子数相等。但是大多数重核是中子多于质子。排在83号元素铋之后的原子核都不稳定，它们自动分解或衰变成更轻的原子核。排在第92号元素铀之后的原子核十分不稳定，无法在自然状态下存在。如第94号元素钚是人工制造出来的，主要用于核武器，在宇宙中尚无法找到。1、核反应——所有核反应的反应前后都遵守：质量数守恒、电荷数守恒。（注意：质量并不守恒。）核反应类型有衰变、人工转变、重核的裂变和轻核的聚变（1）、衰变：α衰变：eHThU422349023892（核内）HenH42101122β衰变：ePaTh012349123490eHn011110（核内）+β衰变：eSiP0130143015enH011011（核内）γ衰变：原子核处于较高能级,辐射光子后跃迁到低能级.（2)、人工转变：HOHeN1117842147（发现质子的核反应）nCHeBe101264294（发现中子的核反应）nPHeAl103015422713eSiP0130143015（人工制造放射性同位素）(3)、重核的裂变：MeV6200.n3KrBanU109236141561023592在一定条件下（超过临界体积），裂变反应会连续不断地进行下去，这就是链式反应。(4)、轻核的聚变：MeV617.nHeHH10423121（需要几百万度高温，所以又叫热核反应）2、核能由于核子间存在着强大的核力，原子核是一个坚固的集合体。要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，或者需要巨大的能量。这表明要把原子核分开成核子要吸收能量，核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫做原子核的结合能.原子核越大，它的结合能越高，因此有意义的是它的结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。——核反应中放出的能叫核能。(1)．结合能中等大小的核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。另一方面如果使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等大小的核，核子的比结合能都会增加，这样可以释放能量供人使用。(2)．质量亏损核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些，这种现象叫做质量亏损。(3)、爱因斯坦质能方程：E＝mc2物体所具有的能量跟它的质量成正比。由于c2这个数值十分巨大，因而物体的能量是十分可观的。(4)、核反应中由于质量亏损释放的能量：△E=△mc2以上两式中的各个物理量都必须采用国际单位。在非国际单位里，可以用1u=931.5MeV。它表示1原子质量单位的质量跟931.5MeV的能量相对应。对质能方程的理解（3）一定的质量m总是跟一定的能量mc2对应。核子在结合成原子核时的总质量减少了,相应的总能量也要减少,根据能量守恒定律，减少的这部分能量不会凭空消失，它要在核子结合过程中释放出去。反过来,把原子核分裂成核子,总质量要增加，总能量也要增加,增加的这部分能量也不会凭空产生,要由外部来供给。能量总是守恒的,在原子核反应伴随有巨大的放能和吸能现象。物体的质量减少了，它的能量也减少；物体的质量增加了，它的能量也增加；不能错误地认为质量和能量发生了相互转化。(3)、释放核能的途径凡是释放核能的核反应都有质量亏损。核子组成不同的原子核时，平均每个核子的质量亏损是不同的，所以各种原子核中核子的平均质量不同。核子平均质量小的，每个核子平均放的能多。铁原子核中核子的平均质量最小,所以铁原子核最稳定.凡是由平均质量大的核，生成平均质量小的核的核反应都是释放核能的。DABCEFFeZ0核子平均质量（2）链式反应：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。裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积。铀核裂变的产物不同，释放的能量也不同。如铀核裂变的一个方程：（1）重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为裂变。n3KrBanU1092361415610235921、重核的裂变：通过核子平均质量与原子序数的关系，推理得出由质量数较大的原子核分裂成质量数较小的原子核可以释放能量，（3）核反应堆目前的所有正式运行的核电站都是应用裂变发电的。核反应堆的主要组成是：反应堆示意图①核燃料。用浓缩铀(能吸收慢中子的铀235占3%~4%)②减速剂。用石墨或重水（使裂变中产生的中子减速,以便被铀235吸收）。③控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。④冷却剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）。⑤水泥防护层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。聚变需要几百万度高温，所以又叫热核反应。2、轻核的聚变：(1)两个轻核结合成质量较大的核,这样的反应叫做聚变(2)聚变与裂变相比有很多优点①轻核聚变产能效率高。②地球上聚变燃料的储量丰富。③是轻核聚变反应更为安全、清洁。因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大三、原子核的结合能1、结合能：核子结合成原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，都叫原子核的结合能。例如，一个中子和一个质子结合成氘核时，要放出2.22兆电子伏的能量，这个能量以γ光子的形式辐射出去．这时的核反应方程如下：要使原子核再分解为单个的质子和中子就必须吸收E的能量。氘核吸收E能量后分解为质子和中子E氘质子中子爱因斯坦2、原子结合能的计算一原子质量单位kgu2710660552.11具有能量JcuE102104944968.11MeV10340605.92质子质量ump007277.1中子质量umn008665.1中子和质子的质量和=2.015941u氘核的质量=2.013553u质量差Δm=0.002388u方法一用质量亏损（△m）的千克数乘以真空中光速的平方，即△E＝△mc2(J)方法二根据1原子质量单位相当于931.5Mev，用质量亏损的原子质量单位数乘以931.5Mev，即△E＝△m×931.5Mev注意方法一中的△m的单位是“Kg”，△E单位是“J”方法二中的△m的单位是“u”，△E单位是“Mev”核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些，这种现象叫做质量亏损.3、质量亏损（Δm）：4、质能方程：E=mc2ΔE=Δmc2以上两式中的各个物理量都必须采用国际单位。在非国际单位里，可以用1u=931.5MeV。它表示1原子质量单位的质量跟931.5MeV的能量相对应。具体：把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的质量亏损．m=Zmp+(A-Z)mn-mXE=(m)c2=[Zmp+(A-Z)mn-mX]c25、平均结合能平均结合能：原子核的结合能与核子数的之比称为该原子核的平均结合能（比结合能）。Amc2AE说明：原子核的结合能非常大，所以一般原子核都是非常稳定的系统。然而，不同原子核的稳定程度不同。核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。每个核子的平均结合能为：AcmmZAZmEnp/])([2OZADEFFe核子平均质量核子的平均质量与原子序数之间的关系BC聚变裂变凡是释放核能的核反应都有质量亏损。核子组成不同的原子核时，平均每个核子的质量亏损是不同的，所以各种原子核中核子的平均质量不同。核子平均质量小的，每个核子平均放的能多。铁原子核中核子的平均质量最小，所以铁原子核最稳定。凡是由平均质量大的核，生成平均质量小的核的核反应都是释放核能的。结论：释放核能的途径4、有关问题的理解和注意事项第一.核反应过程中:核子结合成原子核时,新核质量小于核子的质量(质量亏损),同时以光子形式释放核能;原子核分解为核子时,需要吸收一定能量,核子的总质量大于原原子核的质量.第二.核反应过程中,质量亏损时,核子个数不亏损(即质量数守恒),可理解为组成原子核后,核内每个核子仿佛“瘦了”一些.第三.质量亏损并非质量消失,而是减少的质量m以能量形式辐射(动质量),因此质量守恒定律不被破坏.当然，2.19MeV的能量的绝对数量并不算大，但这只是组成1个氘核所放出的能量．如果组成的是6.02×1023个氘核时，放出的能量就十分可观了．与之相对照的是，使1摩的碳完全燃烧放出的能量为393.5×103J．折合为每个碳原子在完全燃烧时放出的能量只不过4eV．若跟上述核反应中每个原子可能放出的能量相比，两者相差数十万倍．6.核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释放或吸收的能量大好几个数量级.核反应核反应吸收能量放出能量核子结合成原子核有些重核分裂成中等质量的核有些轻核结合成中等质量的核.npDmmm、、Dpn21[()]2DpnmmmcE21[()]2DnpmmmcE21[()]2DpnmmmcE21[()]2DnpmmmcE例1、【两广】中子n、质子p、氘核D的质量分别为止氘核使之分解，反应的方程为若分解后中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是()B．C．D．现用光子能量为E的γ射线照射静A．C思考与研讨2188422184cEa2218222cEa2222218cEa例2、静止的氡核Rn放出α粒子后变成钋核Po，α粒子动能为Eα。若衰变放出的能量全部变为反冲核和α粒子的动能，真空中的光速为c，则该反应中的质量亏损为：B.0.D.A.C22286mmpEK122E2182222218222cEa解：由于动量守恒，反冲核和α粒子的动量大小相等，由，它们的动能之比为4∶218，因此衰变释放的总能量是，由质能方程得质量亏损是四、核反应电子原子核在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应．物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变．把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反映叫做聚变．〓聚变〓裂变1、重核的裂变：1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。铀核裂变的产物是多种多样的，一种典型的反映是裂变为钡和氪，同时放出三个中子，其核反应方程是：铀核的裂变U23592n10+→Ba14156Kr9236++n310裂变中释放出巨大的能量，在上述裂变中，裂变后的总质量小于裂变前的总质量，质量亏损：kg103578.0Δ27m释放出的能量为MeV201ΔΔ2mcE用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变，释放出的中子又引起了其他铀核的裂变，也就是链式反应由裂变重核裂变产生的中子使反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应．使裂变物资能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。原子弹“小玩意儿”钚装药重6.1千克，TNT当量2.2万吨，．试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座30米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所有的动物全部死亡．“原子弹之父”奥本海默在核爆观测站里感到十分震惊，他想起了印度一首古诗：“漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争辉．我是死神，我是世界的毁灭者．”原子弹美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤．在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟