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第四节 核裂变和核聚变
教学课件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第五章 原子核与核能
高中物理鲁科版（2019）选择性必修第三册
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素养目标
新课讲解
新课导入
经典例题
目录
CONTENTS
PART.2
PART.4
课堂练习
课堂小结
1.知道什么是裂变、聚变和链式反应,知道链式反应和聚变的条件。
2.会书写裂变和聚变方程,会利用质量亏损计算裂变和聚变产生的核能。
3.了解核反应堆的工作原理,知道如何控制核反应的速度。
素养目标
新课导入
比结合能
核子的平均结合能随质量数的变化
核子平均质量
核子的平均质量随质量数的变化
A
A
B
C
D
E
F
Fe
O
Z
O
Fe
B
C
D
E
F
Z
1. 使较重的核分裂成中等大小的核，比结合能会增加，发生质量亏损，释放结合能。
思考：如何获得核能？
2.把较小的核合并成中等大小的核，核子的比结合能会增加，即核子将发生质量亏损，释放结合能。
新课讲解
New lesson explanation
新课讲解
一、重核裂变
1964年10月16日,中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功,其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化,在半径400 m的范围内,沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质,半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。
巨大的核能是从哪里来的
铀核的裂变。
新课讲解
20世纪30年代，科学家用中子轰击铀核，发现铀核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量。科学家从生物学的细胞分裂中得到启示，把这种核反应过程称为核裂变。核裂变是释放核能的方法之一。
为什么会发生裂变呢？
科学家认为，中子击中 后，将复合成 ，且处于高激发状态。 要发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球形的核，核子间的距离增大，核力迅速减小，不能抵消质子间的库仑斥力从而不能使核恢复原状， 就分裂成两部分，同时放出中子。
裂变示意图
1.重核裂变
新课讲解
新课讲解
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。
生成钡（Ba）和氪（Kr），同时释放三个中子
1个 裂变为 和 释放的能量计算
反应过程中质量减小了Δm＝0.2153u，释放的能量
ΔE=0.2153×931.5 MeV=200.55 MeV
1kg的铀235全部裂变，释放出的核能相当于两千余吨标准煤完全燃烧释放的能量。
新课讲解
核裂变的发现
1934年，在中子和人工放射性发现的启发下，费米用中子轰击铀238，得到了一种新的放射性元素，费米误认为这种新元素是原子序数为93的超铀元素。后来证实费米的结论是错误的。
1938年，约里奥一居里夫妇用慢中子照射铀盐，分离出了类似镧（Z＝57）的放射性元素。他们对中子与铀（Z＝92）发生反应生成核电荷数与铀相距很远的镧感到疑惑。
德国科学家哈恩等人看到了约里奥一居里夫妇的实验结果后，重复做了有关实验，不仅肯定了镧的存在，而且发现了放射性钡核（Z＝56）。哈恩将这个结果告诉了迈特纳，这位奥地利女物理学家认为：铀核俘获一个中子后分裂成两个大致相等的部分，这就是核裂变。哈恩因发现核裂变现象而获得1944年诺贝尔化学奖。
核裂变的发现引起了科学界的极大轰动，许多科学家投入到重核裂变的研究中。不久，科学家通过实验证明了链式反应的可能性，为人类应用原子能打开了大门。
新课讲解
2.链式反应
在铀核裂变释放出巨大能量的同时，平均每次可放出2～3个中子，这些中子称为第1代中子，如果其中至少有一个继续轰击铀核，使之发生裂变，就能产生第2代中子。这样继续下去，中子会不断增加，裂变反应会不断加强，这就形成了裂变的链式反应。
原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，很可能打不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。
只有当铀核足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，使链式反应进行下去。
新课讲解
新课讲解
发生链式反应的另一个重要因素是铀块的体积。
（1）能发生链式反应的铀块的最小体积称为临界体积。
原子核的体积非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面了。
水泥防护层
控制棒——镉棒
燃料棒—铀棒
减速剂
常用重水和石墨
为了使核能的释放能够通过人工控制，人们制成了核反应堆。
（2）裂变反应堆
新课讲解
二、轻核裂变
采用轻核聚变成较重核引起结合能变化的方式可获得核能，这样的核反应称为核聚变。
核反应方程
轻核聚变释放的能量计算
反应过程中质量减小了Δm＝0.018 8u，释放的能量
ΔE=0.0188×931.5 MeV=17.51 MeV
平均每个核子释放的结合能要比裂变中平均每个核子释放的能量大得多。
1.轻核裂变
新课讲解
轻核聚变燃料较易获得
轻核聚变释放的能量巨大，而且能源泉也容易获得，氘可以从海洋中提取，数量极巨；氚可以用以下反应得到：
轻核聚变是较理想的能源。但控制反应目前还属难题。如果能实现可控轻核聚变反应，就可实现人造“小太阳”的梦想。
新课讲解
2.可控热核聚变
要使轻核发生聚变，必须使它们的间距达到核力作用的范围。要使它们达到这种程度，必须克服原子核间巨大的库仑斥力，这就得让核子获得足够大的动能。以氘核发生聚变为例，必须在大约108K高温下，使氘核获得至少70keV的动能才能达到核力作用的范围而发生核聚变。在这样的高温下，原子已完全电离，形成了物质第四态-等离子态。高温等离子的密度及高温必须维持一定时间才能实现聚变，但这是非常困难的。
目前，约束高温等子体的方法有三种：一是引力约束，二是磁约束，三是惯性约束。
新课讲解
(1)引力约束：太阳
约束核聚变高温燃料的方案
靠巨大的引力，把高温等离子体约束在一起，维持热核反应的方法，就是引力约束。
(2)磁约束：带电粒子运动时在均匀磁场中受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。
利用磁场将高温、高密度等离子体约束在一定的容积内，且维持足够长的时间，使其达到核聚变的条件。目前最有发展前途的是环流器，又称托卡马克装置。
新课讲解
(3)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。
惯性约束核聚变的思想是1964年我国科学家王淦昌与苏联科学院院士巴索夫分别独立提出的。
新课讲解
经典例题
Classic Example
经典例题
1.如图所示为核裂变示意图。
(1)重核裂变是一种天然现象吗
重核裂变不能自发地进行,只能发生在人工控制的核反应中,所以重核裂变不是一种天然现象。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗
不是。有中子轰击铀块且铀块的体积大于等于临界体积,才会发生链式反应。
经典例题
2.2023年4月12日,中国“人造太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒,创造了新的世界纪录,其内部发生的核反应方程为HHHe+
X,则
A.X为正电子
B.该反应为α衰变
C.反应前后质量守恒
D.He的平均结合能比H的平均结合能大
√
课堂练习
Classroom Practice
课堂练习
课堂练习
课堂练习
课堂练习
课堂练习
课堂练习
课堂小结
Class Summary
课堂小结
核裂变与核聚变
目标一：重核裂变　链式反应
条件：几百万开尔文的高温
核裂变：中子轰击铀核分裂成几个小核
目标二：
轻核聚变与
可控热核聚变
实施方案
链式反应
定义：中子使裂变反应像链条一
样持续下去
定义：两个轻核结合成质量较大的核
条件：铀块质量（或体积）大于临界值
典型核反应
引力约束
磁约束
惯性约束
典型方程
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