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物 理
第二节 核能 核技术
主题六 核能及其应用
通 用 类
高等教育出版社
核电站要安装圆球形的穹顶，你知道是为什么吗？
轻核聚变
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主要内容
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重核裂变
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原子核的人工转变 原子核的组成
核能 质量亏损
19 世纪 30 年代初，中子被发现以后，科学家就利用它去轰击各种元素研究核反应。1934 年意大利物理学家费米发现，用慢中子轰击靶物质，更容易引起核反应。这一发现很快被各国科学家采用，也为核能的利用创造了条件。
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原子核的人工转变
原子核的组成
卢瑟福用α粒子轰击氮原子核的实验
一、原子核的人工转变
　 （1）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。
　 （2）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。
质子
　 （3）原子核发生转变的现象叫做核反应。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。
二、核反应方程式
　　2. 用α 粒子轰击氮原子核的核反应方程式：
　 核反应前后的质量数和核电荷数都是守恒的。
　　1. 核反应常用核反应方程式来表示。 用 表示原子核，其中X表示某元素，A表示原子核的质量数，Z表示核电荷数。
例如，铀核用 表示，则铀核的核电荷数为92，质量数为238 。
　　　　　　　　　　　　　　　　　推断它是一种中性粒子流。
　　　　　　　　　　　　 原子核中除了质子外，还有一种质量与质子相近不带电的中性粒子存在，并称为中子。
　　1. 1920年卢瑟福预言：
　　三、中子的发现
　　2. 1930年德国物理学家博特用α 粒子轰击铍时，产生了一种射线，有极强的贯穿力，认为是高能量的γ 射线。
　　3. 1932年英国物理学家查德威克对这种射线进行了深入地研究
　　（1）这种射线在磁场中不偏转，
推断它是一种中性粒子流。
　 （3）测出这种射线粒子的质量与质子几乎相等。
　　因此查德威克认为：这种粒子就是卢瑟福预言的中子。
4. 中子的质量数为1，电荷数为0，用　 表示。
　　用 粒子轰击铍核生成中子的核反应方程是：
　 （2）测出这种射线的速度不到光速的十分之一，
　　 在原子核里，存在着一种比库仑力强得多的吸引力，叫做核力，它把核子紧紧地束缚在原子核内。
　　四、原子核的组成
　　1. 原子核的组成 原子核是由质子和中子组成的。
　　2.核子 质子和中子统称为核子。
　　质子数＝核电荷数
＝原子序数
　　质量数＝
质子数+
中子数
　　3. 核力
　　核力存在于核内所有核子之间。
　　核力只在 2.0×10-15 m 的短距离内起作用，超过这个距离，核力就不复存在。
　　1. 同位素 具有相同质子数和不同中子数的原子互称为同位数。
具有相同质子数和不同中子数的原子，它们核外电子数相同，因而具有相同的化学性质，属于同一种元素。
　　五、同位素
2.放射性同位素 具有放射性的同位素叫做放射性同位素。
用质子、氘、中子和 光子轰击原子核都可以获得放射性同位素。目前人工制造的放射性同位素已近2 000种。放射性同位素在工农业、医疗和科研等方面都得到广泛的应用。
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核能 质量亏损
一、核能
　　铀核受到中子的轰击后，分裂成两个质量相近的“碎块”，同时还放出两个或三个中子。
　　伴随着铀核的裂变，将有大量的能量放出。还有些核反应的发生，需要吸收巨大的能量。
　　发生核反应时，伴随着巨大的能量变化，这种能量叫做核反应能，简称核能。
二、质能方程　质量亏损
　　1. 质能方程
　　爱因斯坦的相对论指出：一定质量的物体，对应一定的能量。物体的能量跟它的质量成正比，即
　　这个公式叫做爱因斯坦质能方程，简称质能方程。
　　2. 质量亏损
　 原子核的质量比组成它的各个核子的质量之和要小，组成原子核的各个核子的质量与原子核的质量之差，叫做核的质量亏损。
核子在结合成原子核时出现了质量亏损 m，正表明它们在互相结合过程中放出了能量 E。例如，中子和质子结合成氘核时，质量亏损 m =0.002 388 u。根据爱因斯坦的质能方程可知核反应时释放的能量为
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重核裂变
一般情况下，铀核裂变时总要释放出 2~3 个中子，这些中子又会引起其他铀核的裂变，这样裂变反应就会不断地进行下去，释放出越来越多的能量，这就是链式反应，如右图所示。
重核裂变
1964 年 10 月 16 日 15 时，我国第一颗原子弹在新疆罗布泊爆炸成功（右图）。
我国是继美、苏、英、法之后，第五个拥有原子弹的国家。
一、重核裂变
如图所示，核反应堆一般用铀棒作为核燃料，用石墨、重水或轻水等作为中子的减速剂，用易于吸收中子的银、铟、镉合金制成控制棒，控制裂变反应的快慢。
原子弹爆炸时链式反应的快慢是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆。
重核裂变
用于发电的反应堆中，压水反应堆是当前应用最广泛的堆型，其主要结构示意图如右图所示。
我国的核能开发已进入规模化发展的新时期，截至2020年底，已拥有浙江秦山、广东大亚湾、广东岭澳、江苏田湾、辽宁红沿河等19座核电站。
48座在运反应堆，在运核电机组总装机容量约4 800万千瓦，年发电量位列全球第三。
在建核电机组 21 台，装机容量约为 2 000 万千瓦，在建核电机组规模居世界第一。
还有30座核电站正在筹建。
预计到2030年，我国核电装机容量将达到1.5 亿千瓦，成为全球最大的核能国家。
重核裂变
我国已经成功研制出具有自主知识产权和独立出口权的全球最大的装机容量为1 400 MW 的非能动压水堆机组——CAP1400，目前 2 台机组正在山东荣成安装建设中。
重核裂变
我国具有自主三代核电技术的“华龙一号”各有 2 台机组正分别在福建福清核电站、广西防城港核电站安装建设中，并且有 2 台机组已经走出国门，正在巴基斯坦卡拉奇核电站安装建设中（下图）。
重核裂变
安全壳既要内部容积巨大，可以容纳壳内各种设备的布置和运行，又要承受反应堆发生意外事故时产生的巨大压力，因此穹顶常被设计成蛋形样式。
与水电、风电、太阳能发电相比，核电也具有核电单机容量大，运行稳定，利用小时数高，可以作为电网基荷运行等明显的优势。。
相比核电站消耗的燃料很少，比如：一座百万千瓦级的核电站，每年只需要消耗 30 t 左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年却要消耗 250 万吨左右的煤。与火电相比，核电战对环境的污染很小，所以说核能是一种清洁能源。
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轻核聚变
例如，一个氘核和一个氚核结合，聚变成一个氦核，同时放出一个中子，核反应方程是
人们还发现，当把某些轻核结合成质量较大的核时，能释放出比裂变更多的能量，人们把这样的反应称为轻核聚变，简称聚变。
若想让轻核发生聚变，必须要使它们之间的距离小于 10－10 m。由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的电磁斥力。这就需要使原子核具有很大的动能。
只有当物质达到 1 000 万摄氏度以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，才可以克服相互间的电磁斥力，发生碰撞，产生聚变反应。因此，聚变反应又称热核反应。
人们利用轻核聚变制造出了比原子的弹威力更大的核武器——氢弹。氢弹是利用‘了原子弹爆炸产生的高温引起热核反应，其威力往往相当于数百个原子弹。
1967 年 6 月 17 日，如图是我国第一颗氢弹爆炸成功的图片。我国是世界上第四个拥有氢弹的国家，也是世界上研制时间最短的国家。
热核反应在宇宙中是很普遍的。太阳内部和许多恒星内部的温度高达1 000万摄氏度以上，热核反应在那里激烈地进行着。
受控核聚变具有极其诱人的应用前景。与核裂变相比，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且核聚变所需的原料——氢的同位素氘可以从海水中提取，原料丰富。
要利用核聚变产生的巨大能量为人类服务，则必须设法控制核聚变反应的速度，使能量缓慢地释放，这就是受控核聚变。
“人造太阳”——“中国环流器二号M”。
【技术·中国】 我国的受控核聚变实验
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2016年8月16日，我国成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”（右图为其等比例模型）发射升空。
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