资源简介

12-4 原子核能技术
一、教学目的：
1．了解天然放射性，知道三种射线的特点。
2．知道几种粒子的发现实验，了解其核反应方程式。
3．掌握典型重核裂变反应方程式。
4．掌握典型轻核聚变反应方程式。
二、教学重点、难点：
重点：核反应方程式 裂变 聚变
难点：核反应方程式
三、教学器材 多媒体演示器件
四、教学建议
教法建议：多媒体演示，讲授
教学设计方案：
（一）引入新课
在第二次世界大战中，美国向日本的广岛和长崎投下了两颗震撼全世界的原子弹。从此，人们开始认识到核反应的巨大能量。
（二）引出新课内容
1．天然放射性
（1）天然放射性 物质能自发地放射出射线的性质，称为天然放射性。
具有天然放射性的元素称为放射性元素，像铀、钋、镭等都是放射性元素。
（2）放射性元素发出的三种射线
如图所示，放射性元素发出的射线，在垂直穿过真空
磁场时分成三束：
中间一束是不带电的，另两束分别带正、负电荷，这
三种射线分别是 ，， 射线。
α射线是由氦原子核（即α粒子）组成的粒子流，其
电离作用强，贯穿本领小。 图1 3种射线
β射线是高速电子流（即β粒子），其电离作用稍差，
贯穿本领较大。
γ 射线是波长极短的电磁波（即γ光子），其电离作用弱，贯穿本领强。
2．放射性元素的衰变
放射性元素的原子核，在自发地放出射线后就转变为另一种原子核的变化，称为原子核的衰变。在衰变中电荷数和质量数都是守恒的
放出α粒子的衰变，称为α衰变；放出β粒子的衰变，称为β衰变。
原子核在发生α衰变或β衰变时产生的新核有的还具有过多的能量，这时它就会辐射γ 射线。
3．原子核的人工转变
图2 α粒子打击金箔的实验
用化学反应、加温、加压或加电磁场的方法，都无法改变原子核。卢瑟福用镭放射出的α粒子当“炮弹”去轰击氮原子核，第一次使原子核人为地发生转变。
用α粒子轰击其他元素，也发现有质子被驱逐出来，由此可知质子是原子核的组成部分。
原子核发生转变的现象称为核反应。用人为的方法使原子核发生了转变，这样的过程称为人工核反应。
（以上为准备知识，可视学生情况选讲。）
4．核反应方程式
核素用 X表示，其中X表示某元素，A为原子核的质量数，Z为核电荷数。例如，铀-238核用U表示，则铀核的核电荷数为92，质量数为238 。核电荷数等于核中质子数（原子序数），质量数等于核子（质子和中子统称为核子）数。
核反应常用核反应方程式来表示。核反应前后的质量数和核电荷数都是守恒的。
用α粒子轰击氮原子核的核反应方程式是：
用 粒子轰击铍核生成中子的核反应方程是：
5．原子核能
实验证明：原子核的质量总是小于组成它的质子和中子的质量和。后者于前者的差额称为质量亏损。例如，氘核（Ｈ，即重氢，轻的同位素）由一个质子（ｐ）和一个中子（ｎ）组成，但氘核质量
ｍｄ＝3.344×10-27 kg
质子和中子的质量和
ｍp +ｍn＝1.673×10-27 kg + 1.675×10-27 kg＝3.348×10-27 kg
质量亏损为Δm = 0.004×10-27 kg 。
这部分质量以能的形式释放出来。按照爱因斯坦提出的质能关系式，这些亏损的质量对应的能量为
ΔE =Δmc 2 = 0.004×10-27 kg×(3×108 m/s)2= 3.595 ×10-13 J=2.24 MeV
这说明，一个质子和一个中子结合成一个氘核，会放出2.24 MeV的能量；相反，用光子打击氘核，把它分成质子和中子，至少需要2.24 MeV的能量。
核子结合成原子核时放出的能量成为结合能，不同的核结合能是不同的。相反，把原子核拆解成质子和中子，需要的能量不会少于其结合能。爱因斯坦的质能关系式为人类指出了利用原子核能的途径。在核反应中，把反应物的核拆解成一个个质子和中子，需要的能量是E1 ；把这些质子和中子结合成若干个新的原子核，放出的能量是E2 , E1 和E2的大小对比将决定我们是得到还是付出能量。研究表明，把较重的核分裂成几个中等质量的核，把几个较轻的核合成为中等质量的核，都会有较多的核能放出。这两种核反应分别称为裂变反应和聚变反应。
6．重核裂变
铀核（重核）受到中子的轰击后，分裂成两个质量相近的中等质量的核，同时还放出两个或三个中子。
反应放出的能量约为200 MeV 。
裂变反应放出的能量十分巨大，1 kg铀完全裂变放出的核能，相当于2 500～3 000 t优质煤完全燃烧放出的化学能。1 GW（109 W）核电站每年仅需低浓缩铀20多吨，同容量的燃煤电站年需优质煤220万吨。
每个铀核裂变平均放出2.5个中子, 这些中子又会与其他铀核反应，使反应自动持续下去，实现所谓“链式反应”。
图3 链式反应
核电站 核电站的核心部分是核反
应堆，其余部分的原理与常规电站相同。
反应堆中装有核燃料、减速剂和控制棒。
核燃料为含235U 2％～4％的低浓缩铀。
减速剂使用水、重水和石墨，它吸收裂
变反应放出的快中子能量，使之能量变
小，成为适合进行裂变反应的热中子，
又去打击其他铀核。控制棒由对中子有
强烈吸收作用的镉或硼制成，通过控制
中子数目来控制反应速度。 图4 核电站
目前约有430座反应堆在30个国家用于核电生产，提供了世界约20％的电能。在法国，75％的电力来自核能，日本和德国是30％，美国是16％。我国核电刚刚起步，仅为总发电量的1.5％。大力开发核能是解决我国能源紧张和能源分布不平衡难题的有效途径，因此，我国核能的发展有很大的空间。到2050年，我国核电可能将占总发电量的10％至20％。
裂变反应的优缺点：
优点：释放能量大，反应可持续进行，可控，方便。
缺点：产物具有放射性，存在放射性泄漏的危险，资源不足。
7．轻核聚变
可用于轻核聚变的核燃料有：2H（d）、3H（T）、3He、6Li、7Li等。太阳上进行的4个热核反应的总效果是
6 d2 4He + 2 p + 2 n + 43.15 MeV
图5 氢核聚变
图6 氢弹爆炸（1） 图7 氢弹爆炸（2）
在核燃料质量相同的情况下，聚变释放的能量是裂变的4倍。1 kg 2H聚变产生的能量，相当于一万多吨优质煤完全燃烧放出的能量。
在氢弹中已经实现了聚变反应。图7所示是1967年6月我国第一颗氢弹爆炸时的照片。
和平利用聚变能量，称为受控热核反应，比较理想的反应是
d + 3H 4He + n + 17.6 MeV
反应的条件：约108 K的高温；反应物有一定的密度并能维持一定的时间；把反应物约束在一个“容器”内，最有希望的途径是磁约束。聚变反应具有许多优点：释放能量大，资源丰富，安全、污染小。
由于核聚变的能量前景诱人，世界各国都在研究受控热核反应的理论和技术。我国西南物理研究院1984年启动“中国环流器1号（HL-1）”，2002年又建成更大更先进的“中国环流器2号（HL-2A）”，取得等离子体温度5 500×104 ℃，等离子体电流433 kA的重要实验成果。2015年前后将设计建造氘、氚燃烧试验装置（HL-3）。中国科学院合肥等离子体物理研究所1994年建成了超导环流器（HT-7），2008年连续重复实现了长达400 s的等离子体放电。2006年初建成HT-7的升级版，大型全超导核聚变实验装置（EAST），主机直径8 m、高11 m。目标是产生100×104 A的等离子体电流；持续放电时间达到1 000 s，在高功率加热下等离子体温度超过一亿 ℃，为设计建设运行核聚变堆奠定基础。 投入运行后，成功获得了稳定、重复和可控的高温等离子体。这是世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的环流器，使我国磁约束核聚变研究进入世界前沿。在激光核聚变的研究方面，我们也取得一些进展。
2006年，国际热核聚变实验堆（ITER）开工建设，计划8-10年建成。欧盟、俄罗斯、中国、韩国、日本、印度和美国7方合作承担该计划。国际实验堆与我国的EAST类似，规模是其5倍。要把上亿 ℃、由氘、氚组成的高温等离子体约束在体积837 m3的环流器中，产生50×104 kW的聚变功率，持续时间500 s。目标是在有大量高温等离子体参加的反应中，获得持续的、接近电站规模的受控聚变能。国际聚变界普遍认为，在未来国际实验堆的研究基础上，本世纪中叶将会建造出商用聚变堆，使核聚变发出的电能进入千家万户。
8．核能的应用
原子弹 氢弹 核电站 受控热核反应
核能是一种高效、洁净和安全的新型能源，它的使用，已经并将继续对世界的能源结构、对世界的发展产生巨大的影响。
表1 核能是高效的能源
60 m2 阳光（1 h时间） 1 kW h
1 kg 煤 3 kW h
1 kg 汽油 4 kW h
1 kg 天然铀(0.75% 235U) 5×104 kW h
1 kg 钚（239 Pu，由238U转换） 6×106 kW h
表2 核能是排放废物总量很少的能源
1 GW燃煤电站年排放 1 GW核电站年排放
SO2 17 000 t 核废料 35 t（其中高放射性废物 80 kg）
NOx 4 500 t
CO2 650×104 t
粉尘 1 300 t
灰粉 28×104 t
（三）小结：
放射性 原子核能 重核裂变 轻核聚变
（四）作业布置：
1．查阅相关资料，我国的两大核电站名称、总装机量、年发电量等。
2．p.179 1、3、4、6 《技术物理练习册》（第3版）相关习题
（五）教学建议：
1．可播放广岛、长崎原子弹爆炸视频。
2．用多媒体演示α粒子散射实验。

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