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5.4
核裂变与核聚变
一、核裂变的发现
奥托·哈恩
1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。
迈特纳，L
奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释:铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变。
一、核裂变的发现
1.定义：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。
+
=
重核
铀核裂变的产物是多样的，一种典型的铀核裂变是生成钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是：
一、核裂变的发现
已知铀核裂变的核反应：
求：该核反应释放能量
Δm= 0.3578×10－27kg
一、核裂变的发现
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。
一、核裂变的发现
3、裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做临界体积，相应的质量叫做临界质量。
一、核裂变的发现
铀块不够大，中子在铀块中通过时，很有可能碰不到铀核而跑到铀块外。
1kg铀235全部裂变时放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能!
1kg铀235
=
2800t标准煤
一、核裂变的发现
一、核裂变的发现
原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸。
原子弹与科学家的责任
STS
原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸。
原子弹的结构有“内爆式”和“枪式”两种。
“内爆式”原子弹，核中子源燃料一般做成球形，体积小于临界体积。它的外部安放化学炸药，引时利用化学炸药爆炸的冲击波将核燃料压缩至高密度的超临界状态，聚心冲击波同时压缩放在核尷料球心的中子源，使它释放中子，引起核燃料的链式反应。为了降低中子率以碱小临界质量，节省核燃料，四周用轴238做成中子反射层，使逸出燃料区的部分中子返回。
二、反应堆与核电站
1942年，费米主持建立了世界上第一个称为“核反应堆”的装置，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放。
水泥防护层
控制棒——镉棒
燃料棒—铀棒
减速剂(慢化剂)
屏蔽射线防止放射性污染
吸收中子，调节中子数量，控制反应速度
降低中子速度，便于铀235吸收
图19.6-6是当前普遍使用的“热中子（慢中子）”核反应堆的示意图。实际上，中子的速度不能太快，否则会与铀 235 原子核“擦肩而过”，铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变。实验证明，速度与热运动速度相当的中子最适于引发裂变。这样的中子就是“热中子”，或称慢中子。但是，裂变产生的是速度很大的快中子，因此还要设法使快中子减速。为此，在铀棒周围要放“慢化剂”，快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后，中子能量减少，变为慢中子。常用的慢化剂有石墨、重水和普通水（也叫轻水）。
核电站工作的流程：第一回路中水被泵压入反应堆，通过堆芯时利用反应放出的热水来增加水的内能，水的温度升高。后来，第一回路的水进入热交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵圧回到反应堆里。在热交换器里，第二回路的水被加热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。
二、反应堆与核电站
核电站发电的优点：
(1)消耗的核燃料少，一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30吨左右，而同样功率的火电站每年要消耗250万吨优质煤。
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大。
(3)对环境的污染要比火力发电小。
二、反应堆与核电站
三、核聚变
1、定义：两个轻核结合成质量较大的原子核，这种核反应叫做聚变。
+
=
2、能量变化：轻核聚变后，比结合能增加，反应中会释放能量。
核子平均质量
裂变
聚变
三、核聚变
三、核聚变
氢原子核
氦-4
+
+
+
+
氘氚核聚变示意图
3.发生聚变的条件:要使原子核间的距离达到10-15m，核力才能大于库仑力。
三、核聚变
4、实现方法: 把原子核加热到很高的温度。
几百万开尔文高温
聚变反应又叫热核反应
原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量原子核获得足够的动能来发生聚变昵
三、核聚变
热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。
三、核聚变
热核反应主要用在核武器上——氢弹。
热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。
太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有7亿吨原子核参与反应，辐射出的能量与400万吨的物质相当。科学家估计，太阳的这种“核燃烧＂还能持续几十亿年。
三、核聚变
目前，人们还不能控制核聚变，地球上没有任何容器能够经受核聚变的高温。但科学家们正在努力研究和尝试可控热核反应，以使核聚变造福于人类。
三、核聚变
聚变与裂变相比的优点：
①轻核聚变产能效率高
②地球上聚变燃料的储量丰富
③轻核聚变更安全、清洁
④反应中放射物质的处理较容易
磁约束
——环流器
带电粒子运动时在均匀磁场中会由于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。
三、核聚变
惯性约束
也可以利用聚变物质的惯性进行约束。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。
三、核聚变

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