19.6.7___核裂变__核聚变2015

第十九章原子核第6、7节核裂变与核聚变人教版选修3-5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OZABCDEFFe核子平均质量OFe平均结合能核子的平均结合能随质量数的变化DEFABCz物理学中把重核分裂成两个较轻的核时，释放出核能的反应叫做核裂变．一.核裂变1.核裂变2、铀核的裂变（1）发现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。（2）裂变产物多种多样U23592n10+→Ba14156Kr9236++n310n2nU105983391451023592SrXe235113690192054380U+nXe+Sr+10n（3）计算铀裂变时释放的能量;-27Um=390.313910kg×-27nm=1.674910kg×;-27Bam=234.001610kg×-27krm=152.604710kg已知铀核裂变的反应：求：该核反应释放能量；235114192192056360U+nBa+Kr+3n亏损质量：释放能量：2ΔE=Δmc=201MeVΔm=(mu+mn)-(mBa+mKr+3mn)=0.3578×10－27kg1kg铀全部裂变，它放出的能量超过2000t优质煤完全燃烧时释放的能量．3、链式反应（1）定义：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．35种元素的200多种位素同发生链式反应爆炸（2）发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量(criticalmass)。铀-235的临界质量约为1kg，质量超过1kg则发生爆炸。任何有核反应堆的国家都不难得到爆炸级的裂变材料，原子弹的基本设计又如此简单，从而为防止核武器扩散带来了困难。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、烟尘直冲云天，高达12英里多．广岛市区80%的建筑化为灰烬，64000人丧生，72000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%．长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，占全市37%．原子弹原子弹中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图水泥防护层控制棒——镉棒燃料棒—铀棒减速剂二、核电站——慢中子反应堆核电站核心设施：核反应堆浓缩铀制成的铀棒减速剂：石墨、重水或普通水，用于减小中子的速度控制棒：镉棒，用于吸收中子，控制核反应的快慢。解决能源危机根本途径——核能。可开发的核裂变燃料资源可使用上千年。核聚变资源可使用几亿年。核反应堆通过受控核裂变反应获得核能的装置，可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数,以形成所谓的自持链反应(self-sustainingchainreaction)。核发电量占总发电比例最多的10个国家是：法国75%立陶宛73.1%比利时57.7%保加利亚47.1%斯洛伐克47%瑞典46.8%乌克兰43.8%韩国42.8%匈牙利38.3%亚美尼亚36.4%世界核能发电占全部电量1/4三、核电的安全性核反应堆的防护措施：第一道屏障——耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块可以把98%以上的裂变产物滞留在芯块内。第二道屏障——燃料元件包壳由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。第三道屏障——压力壳将燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包壳少量射线泄漏。第四道屏障——安全壳由1m多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都装在安全壳中。核电站放射性气态废物和液态废物的处理：采取贮存衰变等方法进行稀释，再排放到指定的区域。核电站固体废物的处理：先在核电站内专用的废物库暂存，然后送到人烟稀少、地质稳定、地下水位低又远离天然水源的放置场永久贮存，一般要存放几百年。§19.7核的聚变一、核聚变1、轻核的聚变（热核反应）某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，同时放出大量的核能。这种核反应叫做聚变。一、核聚变22311120H+HHe+n23411120H+HHe+n计算下面核反应放出的能量:氘核的质量：mD＝2.014102u氚核的质量：mT＝3.016050u氦核的质量：mα＝4.002603u中子的质量：mn=1.008665uDTαnΔm=m+m-(m+m)=0.018884u2ΔE=Δmc=17.59MeV23411120H+HHe+n×=0.01884931.5MeV计算表明，这个核反应释放的能量是17.6MeV。这个量值虽然比一个铀核裂变产生的能量（201MeV）少，但平均每个核子产生的能量17.6=3.52+32MeV是铀裂变（=0.852MeV）的约4倍。201235+12、发生聚变的条件:要使原子核间的距离达到10-15m3、实现的方法有:1）用加速器加速原子核；2）把原子核加热到很高的温度；108～109K不经济如何能使轻核具有较大的动能呢？m1015需要克服极大的库仑斥力，因此必须让轻核具有很大的动能。2kE几百万度高温聚变反应又叫热核反应核聚变的利用——氢弹三种炸药：普通炸药Ｕ235氘、氚爆炸裂变聚变弹体引爆装置小型原子弹氘、氚、重氢化钾等铀235外壳普通炸药23411120H+HHe+n氢弹爆炸形成的磨姑云太阳是一个巨大的热核反应堆。热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为3.8×1026J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量，太阳；这个天然的的核聚变过程已经发生了好几十亿年（1）轻核聚变产能效率高1.聚变与裂变相比的优点：（2）地球上聚变燃料的储量丰富（3）轻核聚变更安全、清洁（4）反应中放射物质的处理较容易相同的核燃料释放的能量多。常见的聚变反应平均每个核子放出的能量约3.3MeV，而裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV。1L海水中大约有0.03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧300L汽油,轻核聚变是能源危机的终结者。实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。二、受控热核反应——核聚变的利用磁约束带电粒子运动时在均匀磁场中会洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。2.实现核聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案：1.磁约束2.惯性约束惯性约束由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。例1、已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u核的质量为3.0150u。求：（1）写出两个氘核聚变成的核反应方程式（2）计算上述核反应中释放的核能。23He23He【分析】算出核反应中的质量亏损，利用爱因斯坦质能方程即可求出反应释放的核能。解答：（1）nHeHH10322121（2）由题给条件可求得质量亏损为：Δm=2.0136×2－(3.0150+1.0087)=0.0035u∴释放的核能为ΔE=Δmc2=931.5×0.0035=3.26MeV静止在匀强磁场中的原子核，俘获一个速度为7.7×104m/s的中子而发生核反应放出α粒子后变成一个新原子核，已知中子速度方向与磁场方向垂直，测得α粒子速度为：2×104m/s，方向与中子速度方向相同，求：（1）生成的新核是什么？写出核反应方程式。（2）生成的新核的速度大小和方向。（3）若α粒子与新核间相互作用不计，则二者在磁场中运动轨道半径之比及周期之比各为多少？6Li3解：（1）写出核反应方程式HeHnLi42311063生成的新核是氚核例2、HeHnLi42311063（2）由动量守恒定律mnvn=mαvα+mHvHvn=7.7×104m/svα=2×104m/s∴VH=(mnvn-mαvα)/mH=(1×7.7×104-4×2×104)／3=-1.0×103m/s方向与中子方向相反（3）由r=mv/qB∝mv/qrα:rH=mαvα/qα：mHvH/qH=（4×2／2）:（3×0.1）=40:3T=2πm/qB∝m/qTα:TH=4/2:3/1=2:31.裂变反应是目前利用中常用的反应，以原子核为燃料的反应堆中，当俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为反应方程下方的数字为中子及有关原子的静止质量（以原子质量单位u为单位）。已知1u的质量对应的能量为9.3×102MeV，此裂变反应释放出的能量是________________MeV。235.04391.008793.9154138.9178235U9292038540235U+1n→94Sr+139Xe+31n235U92解：Δm=0.1933uΔE=931.5×0.1933=1.8×102MeV1.8×1022.如下一系列核反应是在恒星内部发生的，CNpeNOONpNCpeCNNCp126157157158158147147136136137137126其中p为质子，α为α粒子，e+为正电子，ν为一种中微子。已知质子的质量为mp=1.672648×10-27kg，α粒子的质量为mα=6.644929×10-27kg，正电子的质量为me=9.11×10-31kg，中微子的质量可忽略不计。真空中的光速c=3×108m/s。试计算该系列核反应完成后释放的能量。CNpeNOONpNCpeCNNCp126157157158158147147136136137137126=6.644929×10-27kgme=9.11×10-31kgmp=1.672648×10-27kgm解：将六个方程式相加，得到e2+24p+ΔE=mc2=(4mp–m-2me)c2代入数字，经计算得到ΔE=3.95×10-12J托卡马克装置