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第五节 裂变和聚变

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第5-6节 裂变、聚变和核能的利用

第5-6节 裂变、聚变和核能的利用
(激光引爆、裂变引爆）
5.核聚变的优越性： (1)放出的能量大。 (2)核废料易处理。 (3)核燃料储量丰富（海水）。
二、核聚变 核聚变的利用——氢弹
弹体
三种炸药：
普通炸药
小 型
普通炸药
爆炸
铀235 外壳
原
子 Ｕ235 裂变
弹
氘、氚、重 氢化钾等
引爆装置
氘、氚 聚变
2 1
H
31H42
He
1 0
n
氢弹爆炸形成的磨姑云
一、重核裂变
2. 链式反应 (2)临界体积：裂变物质能够发生链式反应的
最小体积叫做它的临界体积， 相应的质量叫做临界质量。 (3)链式反应的条件：
1、裂变物质的体积大于临界体积 2、有足够浓度的铀235 3、有足够数量的慢中子
一、重核裂变
原子弹是利用链式反应制造的大规模杀伤性核武器。
枪式原子弹
内爆式原子弹
一、重核裂变
原子弹是利用链式反应制造的大规模杀伤性核武器。
1964年10月16日，中国第一颗原子弹爆炸成功。
一、重核裂变
原子弹是利用链式反应制造的大规模杀伤性核武器。
邓稼先
钱学森
1966年10月27日，中国第一颗核导弹爆炸成功， 首次实现了“两弹结合”。
二、核聚变
1.核聚变： 两个质量较轻的核结合成一个质 量较大一点的核，叫做核聚变。
世界核能发电占全部电量1/4
瑞典 46.8%
乌克兰 43.8%
韩国 42.8%
匈牙利 38.3%
亚美尼亚 36.4%
二、核电站
和平利用核能， 服务人类社会。
二、核电站
1.核反应堆
吸收中子、控制速度

第5章_核裂变与核聚变_473105992

第5章_核裂变与核聚变_473105992
18 / 54
阈能核裂变
Bn (Z, A+1) < Eb
以238U为例
n+
238
U→
239
U → X +Y
*
若仍为热中子
Tn = 0.0253eV ≈ 0
E = ∆ ( 92,238) + ∆ ( 0,1) − ∆ ( 92,239) = 4.806MeV
*
而239U的裂变势垒：
Eb = 6.2 MeV
5 / 54
§5.1 原子核的裂变反应
一．自发裂变 二．诱发裂变 三．裂变后现象 四．链式反应和核反应堆 五．原子武器
6 / 54
一. 自发裂变
自发裂变
(spontaneous fission)
没有外来粒子轰击，原子核自行 没有外来粒子轰击，原子核自行 裂变的现象 的现象。 裂变的现象。
A Z
自发裂变的 一般表达式
8 / 54
自发裂变半衰期T 自发裂变半衰期 1/2(SF)与Z2/A的关 与 的关 系：
① T1/2(SF)随Z2/A的增加而急剧地减少； ② 同一元素的lg T1/2(SF)值几乎都落在一条抛 物线上； ③ Z2/A的值差不多大小时，奇奇核、奇A核的 T1/2(SF)值比偶偶核的高103～106数量级。
10
−14
s
5.初级产物β-衰变到稳定核素
在连续β衰变过程中，有些核素可能具有较高的激发 能，可以发射中子，称为缓发中子。
27 / 54
> 10 s
−1
裂变碎片的质量分布
裂变碎片按质量分布的产额。考虑二分裂情 况，X 和 Y的质量分布：
对称分布：
Z ≥ 100 和 Z ≤ 84 AX=AY，称为对称裂变

裂变与聚变

裂变与聚变

在山田须磨子（一位当年的爆 炸目击者）的一幅画：在遥远 的广岛上空，原子弹爆炸后发 出彩虹一般绚丽的光芒
三.核聚变与受控热核反应 1.典型的聚变反应
2 1
H H He n
3 1 4 2 1 0
2.反应条件：温度达到几百万度以上 3.热核反应
核聚变没有核裂变的放射污染等环境问题，而且其原料 来源几乎取之不尽，是最理想的能源方式。 热核反应在宇宙中是很普遍的现象，在太阳和许多恒星 内部，温度都高达１千万摄氏度以上，在那热核反应激烈地 进行着．
在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿 色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所有的 动物全部死亡．
“原子弹之父” 奥本海默在核爆观测站里感到十 分震惊，他想起了印度一首古诗：“漫天奇光异彩， 有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争 辉．我是死神，我是世界的毁灭者．”
Hale Waihona Puke 链式反应的应用——原子弹二.核裂变与链式反应 2.链式反应发生的条件
235 a.纯 92
U
b.有足够数量的慢中子 c.大于临界体积
链式反应的应用——原子弹
链式反应的应用——原子弹
原子弹装药重6.1千克，TNT当量2.2万吨，试验中 产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一 座30米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一 个巨大的弹坑．
美国原子弹突袭广岛和长崎 造成了巨大的毁伤．在长崎 投掷的原子弹爆炸后形成的 蘑菇状云团，爆炸产生的气 流、烟尘直冲云天，高达12 英里多．广岛市区80%的建 筑化为灰烬，64000人丧生， 72000人受伤，伤亡总人数 占全市总人口的53%．长崎 市60%的建筑物被摧毁，伤 亡共86000人，占全市 37% ．
人工的热核反应可以通过原子弹爆炸时产生的高温来 达到，氢弹就是这样制成的．

核裂变与核聚变

核裂变与核聚变

Eb
A1 Tn A (Eb Bn(Z , A 1))
对确定的复合核，根据其裂变势垒Eb 和其最后一个中子的结合能Bn(Z,A+1)的大 小，不等式右边可以小于等于热中子能量， 也可以大于热中子能量。这两种情况对入 射中子能量Tn的要求不同。
据此我们也就可以分可以分热中子 核裂变和阈能核裂变两种情况讨论。
mA mA mn
Tn
A A 1 Tn
Bn Z, A 1 M Z, A mn M Z, A 1c 2
复合核的激发能：
E*
Bn Z,
A 1
A A
1
Tn
复合核的激发能为最后一个中子的 结合能和中子的相对运动动能之和。
当 E* Eb 时，复合核会发生裂变。
即：n
(a) 中子诱发裂变的一般表达式为：
n
ZAX
AZ1X
*
A1 Z1
Y
A2 Z2
Y
设靶核静止，入射中子的动能为Tn 复合核的形成过程中，由能量守恒：
Tn mn M Z , Ac2 E* M Z , A 1c2
E* Tn mn M Z , A M Z , A 1c2
复合核激发能。
Tn'
239U 的 Z 2 / A值略小，其裂变概率也略小。
2)、复合核的激发能与裂变势垒的关系。
235U为奇N核，欢迎再来一个中子与它成对。因此，中 子与 235U 结合的很紧，结合能为 6.545MeV，而复合核的 裂变势垒仅为 5.9MeV ，从而容易裂变。
238U为偶偶核，外来中子的结合能比较小，中子与 238U 的结合能为 4.806MeV，而复合核的裂变势垒为 6.2MeV 因此中子能量必须大于某一数值才能发生核裂变。

第五、六节 《裂变和聚变》及《核能利用》(梁国洲修改)

第五、六节 《裂变和聚变》及《核能利用》(梁国洲修改)
一、释放核能的方法和途径：
重核裂变和轻核聚变
裂变：把较重的原子核分裂成较轻的原子核而 释放核能的核反应。
聚变：把较轻的原子核结合成较重的原子核 而释放核能的核反应。
1、裂重变核（铀核）
裂变
1939年（德）哈恩和 斯特拉斯曼首次发现。
1n
0
反应方程式：
235 92
U＋10
n
→ 15461Ba +
9326Kr + 3
A、 N0 × 196MeV； C、235 × 196MeV；
B、235 N0 ×196MeV； D、 N0 /235 × 196MeV。
2、核反应方程：
23592U + ___1_0_n___
9038Sr + 13654Xe + 1010n。
在核反应堆中石墨起____使__快__中_子__减__速________的作用，
解：（1）
235 92
U
+10
n
13956Ba + 9436Kr+310n+200MeV
（2）由核反应释放的能等于发电的电能可得：
E=50 × 103 × 86400 (一天时间）J
=m/235 （摩尔数）× 6.02 × 1023 × 200 × 106 × 1.6 × 10-19 J
解得：m=527g。
4、4个质子在高温下能聚变成一个α粒子同时放出能量。已知质 子质量为： 1.007276u， α粒子质量为4.001506u，1u=1.66 × 10-27kg，阿伏加德罗常数为6.02 × 1023/mol。
（1）写出核反应方程；
（2）1g氢完全聚变成α粒子释放出多少能量？
解：（1）4 11H

高中物理 第5节裂变和聚变

高中物理 第5节裂变和聚变

4、聚变反应：由H H He n
2 1 3 1 4 2 1 0
2 2
1 1 2 0
E m c (m 2 H m3 H ) (m 4 He m 1 n) c
⑴聚变反应的特点： ①和核裂变相比，聚变反应释放的能量更多 ②聚变反应的材料丰富 ③聚变反应的产物基本上是稳定的核，没有放射性 因此安全、无污染。
3、核裂变链式反应
⑴铀核的裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变 裂变方程：
235 92
2
U n Kr Ba 3 n
1 0 92 36 141 56 1 0
2
E m c (mU mn) (mKr mBa 3 mn) c
⑵链式反应：一个核的裂变引发更多的核发生裂变，使裂变不断持 续下去，从而释放出巨大的能量 ⑶临界体积：能够发生链式反应的最小体积 ⑷核反应堆： ①燃料：浓缩铀235 ②减速剂：使快中子减速为慢中子（石墨、水） ③控制棒：能吸收慢中子，控制反应速度（镉棒）
第五节
裂变与聚变
1、核聚变：两个比铁轻的轻核聚合成一个较重的核时， 会释放能量，这种核反应叫做核聚变 2、核裂变：比铁重的一个核分裂成两个较轻的核时会 释放能量，这种核反应叫做核裂变 为什么轻核聚变会释放能量？ 因为中等大小的核的平均结合能一般较大，因此，无 论是轻核聚变还是重核裂变都会发生质量亏损。
⑵受控热核反应：人为地控制反应速度，在极高温下 发生的聚变反应

高中物理 第四章 原子核 第五节 裂变和聚变同步备课课件 粤教版选修3-5.pptx

18
例2 用中子轰击铀核(23952U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(14516Ba)和氪 ( 9326Kr)两部分，放出3个中子.各个核和中子的质量如下： mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg； mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg. 试写出核反应方程，求出反应中释放的核能. 答案 10n＋23952U―→14516Ba＋9326Kr＋310n 3.220 2×10－11 J
的能量相当
速度比较容易进行人工控制， 目前，除氢弹以外，人们还不能
1.常见的裂变方程 (1)23952U＋10n―→13594Xe＋9358Sr＋210n (2)23952U＋10n―→14546Ba＋8396Kr＋310n 2.链式反应发生的条件 (1)铀块的体积大于或等于临界体积.体积超过临界体积时，保证中子能够 碰到铀核. (2)有足够浓度的铀235. (3)有足够数量的慢中子.
放能 多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
核废料 处理难度
聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
23
主要原料是氘，氘在地球上的储
核裂变燃料铀在地球上储量 原料的
有限，尤其用于核裂变的铀 蕴藏量
235在铀矿石中只占0.7%
量非常丰富.1 L水中大约有0.03 g 氘，如果用来进行热核反应，放 出的能量约与燃烧300 L汽油释放
(2)铀核裂变在自然界中能自发进行吗？ 答案 重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自 发地发生，故铀核裂变不会自发地进行.要使铀核裂变，首先要利用中子 轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这些中子继续与其他铀 核发生反应，再引起新的裂变，这样就形成了链式反应.

裂变和聚变


在山田须磨子（一位当年的爆 炸目击者）的一幅画：在遥远 的广岛上空，原子弹爆炸后发 出彩虹一般绚丽的光芒
倒塌的钢架结构建筑物
广岛红十字医院里，一个严重 烧伤的学生仰面躺在一张草席 上。他的五官几乎全被原子弹 爆炸产生的热浪抹掉了。四天 后他死了。
2 H 1
4
2He
3
1H
2 1
H H He n
“小男孩”原子弹
链式反应的应用——原子弹
链式反应的应用——原子弹
美国原子弹突袭广岛和 长崎造成了巨大的毁伤．在 长崎投掷的原子弹爆炸后形 成的蘑菇状云团，爆炸产生 的气流、烟尘直冲云天，高 达12英里多．广岛市区80% 的建筑化为灰烬，64000人丧 生，72000人受伤，伤亡总人 数占全市总人口的53%．长 崎市60%的建筑物被摧毁， 伤亡86000人，占全市37% ．
1 0 90 38 136 54 1 0
由重核裂变产生的中子使反应一代接一代继 续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。
使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫 做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。
核能的利用—— 核电站慢中子反应堆
水泥防护层 控制棒——镉棒
燃料棒——铀棒
减速剂
解决能源危机根本途径——核能 可开发的核裂变燃料资源可使用上千年。 核聚变资源可使用几亿年。
磁场约束
五、裂变和聚变
重核俘获一个中子后分裂为几个中等质量的核的反 中 子和大量的 重核的裂变 应过程. 在裂变的同时,还要放出几个____ 核能. 临界体积 原子弹
链式 反应的铀块的最小体积 能够发生_____
链式 反应时放出核能. 裂 变发生________ 利用铀 235_______
质量较大 的核的反应, 轻核的聚变 某些轻核结合成____________ 原子弹 引爆,产生________ 几百万 度的高温,产生聚变 氢 弹 需要_________ (热核反应) 放出巨大核能.
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第五节
可以释放出能量的核反应：
重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变． 轻核结合成质量较大的核，释放核能的反映叫做聚变．
+
裂变
+
聚变
一、裂变
1.铀核的裂变：
产物是多种多样的，两种典型的反应是:
235 92
U
01n
141 56
Ba
92 36
Kr
301 n
235 92
U
01n
136 54
Xe
1.关于原子核的能，下面说法正确的是： ❖ A、使原子核分解为粒子时放出的能量 ❖ B、核子结合成原子时需要供给的能量 ❖ C、核子结合成原子时吸收的能量或原子
核分解为核子时放出的能量 ❖ D、核子结合成原子时放出的能量或原子
核分解为核子时吸收的能量
D
2.太阳辐射能量主要来自太阳内部的 [
A. 化学反应
90 38
Sr
1001 n
（反应式不能把两边的中子约掉）
235 92
U
01n15346
Xe
9308
Sr
1001
n
144.6MeV
根据数据，计算第2种反应放出的能量
136 54
Xe
90 38
Sr
135.9027u 89.9077u
U 235
92
1 0
n
235.0439u 1.0087u
质量亏损: m 0.1552u
4.原子弹就是根据裂变原理制成的。
裂变是人工反应 衰变是自然反应
链式反应的应用——原子弹
三、轻核的聚变
1.在消耗相同质量的核燃料时，聚变比裂 变能释放更多的能量。
2.典型的轻核聚变:
2 1
H31H42
He 01n
17.6MeV
2 1
H
2 1
H31
H11H
4.0MeV
氢弹内部就是发生上述聚变反应
B. 放射性衰变
C. 裂变反应
D. 热核反应
D]
小结：
聚变发生的条件: 使原子核间的距离达到10-15m
条件实现的方法有: 1、用加速器加速原子核； ２、把原子核加热到很高的温度（几 百万度以上）
（用核裂变产生的Βιβλιοθήκη 量来加热） 聚变反应又叫热核反应(人工反应)
❖太阳内部和许多恒星内部都在激烈地 进行着热核反应。
❖ 氢弹就是根据热核反应的原理制成的。
(用核裂变产生的高温来触发热核反应)
释放核能: E m c2 0.1552931.5MeV 144.6MeV
（注意计算方法）
2.链式反应：
一般说来，铀核裂变时总要释放 出2～3个中子，这些中子又引起其他 的铀核裂变，这样就会不断地进行下 去，释放出越来越多的能量。这就是 链式反应。
❖ 3.链式反应的条件： ❖ (1)要有足够浓度的铀235 ❖ (2)要有足够数量的慢中子(去轰击) ❖ (3) 铀块的体积大于临界体积