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第七章
核能及其应用
7.1 原子结构
7.2 核能与核技术
7.1
原子结构
1903年，汤姆生提出了一个原子的枣糕结构模型假说，如右图所示。汤姆生认为，原子是一个球体，正电荷均匀地分布在整个球内，而电子就像枣糕里面的枣一样镶嵌其中。汤姆生的枣糕结构模型虽然能够解释原子为什么呈中性等现象，但是不久就被新的实验事实否定了。
7.1.1 原子结构模型
原子的枣糕结构模型
7.1
原子结构
7.1.1 原子结构模型
1909—1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手们进行了α粒子散射实验，即用粒子（氦原子核）轰击金箔片，如图7-2所示。通过实验发现，绝大多数α粒子穿过金箔片后仍沿原来的方向前进，只有少数α粒子发生大角度的偏转，极少数α粒子的偏转角度几乎达到180°。
α粒子散射实验
7.1
原子结构
7.1.1 原子结构模型
卢瑟福提出了原子的核式结构模型：原子中的绝大部分空间是空的，原子的几乎全部质量都集中在原子的中心，即原子核。原子核的直径大约是原子直径的十万分之一。原子中的全部正电荷都在原子核中，带负电的电子在核外空间绕着原子核高速旋转。
大多数
粒子穿过原子时，距离原子核很远，因此与原子核之间的作用力可忽略，它们依然可以沿直线前进；
卢瑟福原子结构模型
7.1
原子结构
7.1.1 原子结构模型
大多数
粒子穿过原子时，距离原子核很远，因此与原子核之间的作用力可忽略，它们依然可以沿直线前进；
α粒子穿过原子
根据这个模型，可以很好地解释粒子的散射现象：
大多数α粒子穿过原子时，距离原子核很远，因此与原子核之间的作用力可忽略，它们依然可以沿直线前进；
少数α粒子在穿过原子时，由于距离原子核较近，它们之间存在排斥力，导致α粒子的前进方向发生偏转；
而更少的α粒子非常接近原子核，导致前进方向发生几乎180°的偏转
7.1
原子结构
7.1.2 原子核的组成
质子和中子统称为核子。
质子与中子、质子与质子以及中子与中子之间以一种强大的核力结合在一起，如右图。
质子带正电，中子不带电；
质子和中子的质量几乎相等，而原子核的质量近似等于质子和中子的质量之和；
原子核内的质子数等于核外电子数。
大多数
粒子穿过原子时，距离原子核很远，因此与原子核之间的作用力可忽略，它们依然可以沿直线前进；
质子和中子通过核力结合在一起
7.1
原子结构
7.1.3 放射现象
大多数
粒子穿过原子时，距离原子核很远，因此与原子核之间的作用力可忽略，它们依然可以沿直线前进；
1. 天然放射现象
铀矿石
像铀、钋和镭这样能放射射线的性质叫作物质的放射性。
具有放射性的元素叫作放射性元素。
元素的这种自发地放出射线的现象叫作天然放射现象。
7.1
原子结构
7.1.3 放射现象
大多数
粒子穿过原子时，距离原子核很远，因此与原子核之间的作用力可忽略，它们依然可以沿直线前进；
1. 天然放射现象
对放射性元素发出的射线进行研究，发现它们在垂直穿过磁场时分为3束，人们把这3束射线分别叫作α射线、β射线和γ射线，如图所示。
γ射线不带电，
α射线带正电，
β射线带负电。
3束射线
7.1
原子结构
7.1.3 放射现象
3种射线具有如下特点：
α射线是由氦原子核组成的粒子流，其速度为光速的十分之一，贯穿物质的能力很弱，用一张纸就可以挡住，但是它具有很强的电离作用，很容易使空气电离，也容易使底片感光。
β射线是高速电子流，速度接近光速，贯穿能力较强，能穿透几毫米厚的铝板，但是电离能力较弱。
γ射线是波长极短的电磁波，即光子，贯穿能力最强，要几厘米厚的铅板或几十厘米厚的混凝土墙才能阻挡它，其电离能力最弱。
大多数
粒子穿过原子时，距离原子核很远，因此与原子核之间的作用力可忽略，它们依然可以沿直线前进；
1. 天然放射现象
7.1
原子结构
7.1.3 放射现象
大剂量和长时间的辐射会对人体造成伤害。
度量人体所接受辐射剂量的单位是希，符号为Sv，1 Sv表示1 kg的人体组织吸收了1 J的辐射量。
大多数
粒子穿过原子时，距离原子核很远，因此与原子核之间的作用力可忽略，它们依然可以沿直线前进；
2.放射性辐射对生物体的影响
放射性物质的标志
影响：
射性辐射会对人体和动物造成损害，甚至死亡。
损伤遗传物质，引起基因突变和染色体畸变。
7.1
原子结构
7.1.3 放射现象
1）对放射性辐射进行检测
大多数
粒子穿过原子时，距离原子核很远，因此与原子核之间的作用力可忽略，它们依然可以沿直线前进；
3. 放射性辐射的防护
2）安全存放放射性物质
检测放射性辐射的仪器
核反应堆外层厚厚的水泥建筑
3）对放射性废弃物进行处理
放射性废水的处理方法主要有稀释排放法、放置衰变法、混凝沉降法、离子变换法、蒸发法、沥青固化法、水泥固化法、塑料固化法以及玻璃固化法等。
7.2
核能与核技术
由于核子之间存在着核力，所以原子核分裂成核子或者核子结合成原子核都伴随着巨大的能量变化，这种能量称为核能，又称原子能。
7.2.1 核 能
1905年，爱因斯坦根据狭义相对论原理指出，物体的能量E与它的质量m之间存在密切的关系，即
c表示光速
爱因斯坦质能方程
在核反应中，反应前所有核子的质量之和与反应后新核的质量之差叫作质量亏损。
用 表示亏损的质量，用 表示释放出的能量，则有
7.2
核能与核技术
重原子核分裂成两个中等质量原子核的过程叫作重核裂变，简称裂变或核裂变。
7.2.2 重核裂变
1．重核裂变
2．链式反应
裂变反应不断地进行下去，释放出越来越多的能量，这就是链式反应，如右图所示。
能够发生链式反应的铀块的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
链式反应
7.2
核能与核技术
7.2.2 重核裂变
3．重核裂变的应用
链式反应使核能的大规模应用成为可能。原子弹就是利用链式反应的原理制成的。
核反应堆就是用人工方法控制重核裂变并且获得核能的装置。
我国第一颗原子弹爆炸形成的蘑菇云
7.2
核能与核技术
7.2.2 重核裂变
3．重核裂变的应用
核电站工作原理示意图
核电站一般分为两部分：利用原子核裂变产生蒸汽的核岛和利用蒸汽发电的常规岛。
我国秦山核电站
7.2
核能与核技术
7.2.3 轻核聚变
1．轻核聚变
某些较轻的两个原子核结合成一个较重的原子核时，能释放出大量的能量，这种现象叫作轻核聚变，简称聚变或核聚变。
2．热核反应
聚变反应又叫作热核反应。
3．轻核聚变的应用
人们利用轻核聚变制造出了比原子弹威力更大的核武器——氢弹。
我国第一颗氢弹爆炸形成的蘑菇云
（1）原子的核式结构：原子的中心是由带正电的质子和不带电的中子组成的原子核，带负电的电子在核外空间绕着原子核高速旋转。
（2）具有放射性的元素叫作放射性元素。原子序数大于82的所有元素都具有放射性，原子序数小于83的元素，有的也具有放射性。元素的这种自发地放出射线的现象叫作天然放射现象。
放射性元素发出的射线分为α射线、β射线和γ射线三类。
本 章 小 结
1．原子结构
（1）在核反应中，反应前所有核子的质量之和与反应后新核的质量之差叫作质量亏损。
（2）重原子核分裂成两个中等质量原子核的过程叫作重核裂变。
（3）某些较轻的两个原子核结合成一个较重的原子核时，能释放出大量的能量，这种现象称为轻核聚变。
本 章 小 结
2．核能与核技术

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