核能应用与发展

1.序言经典物理学和量子力学在这本书中介绍的原子和量子物理学，基本上是本世纪前第三的产物。

经典物理学的分支如力学、声学、热力学和光学必须扩大时，作为物质的原子结构知识增加的结果，原子和量子成为了物理学研究的对象。

因此，在第二十世纪，经典物理学已经由原子物理和光或能量量子物理进行了补充。

原子物理学的目标是对原子结构及其相互作用的理解以及对电场与磁场的相互作用的理解。

原子是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子构成的。

这些粒子相互作用的电磁力在经典物理学中是众所周知的。

单独在这些相互作用力基础下原子核的物理现象是不能够解释的。

一个新的作用力——核强相互作用力——决定了核的结构，并且典型的结合能是大于那些原子中的电子的数量级的。

因此原子核的研究，基本粒子的研究以及整个高能物理形成了它们自己的物理学分支。

本书不会探讨这些内容。

简史单词原子出自于希腊语并且译为“不可分割的物质”，是物质的最小组分，不可能再进一步分割。

这个概念是在公元前5世纪和前4世纪中期被希腊自然哲学家引入的。

最早的物质结构原子理论是由德谟克利特（公元前460~370年），柏拉图（公元前429~348年）和亚里士多德（公元前384~322年）提出的。

它经历了两千多年才使这种推理的原子论演变成为现代意义上的精确的原子物理学。

原子这个词的含义如果翻译成拉丁语的话就会产生更少的误解：不可分割的物质是大型集合中的最小的单元，它拥有这个集合中所有的本质特征。

从这个意义上说，原子实际上就是不可分割的。

诚然，有一种是可以的，把一个氢原子分离成一个质子和一个电子，但是氢在分离的过程中就已经被破坏了。

例如没有一个人能在氢原子光谱上观察它的光谱线特征。

原子论按照现代科学的理解首先被发现于物质之中，然后是电子，最后是能量。

物质的原子论，有一个公认的事实那就是所有的化学成分室友原子组成的，这是根据化学研究推断的。

恒量定律和倍比定律分别是由.普鲁斯特和道尔顿约在1799年和1803年提出，这些定律可以很简单地解释原子假说。

反应方程式14g N + 16g O =30g NO14g N + 32g O =46g NO2意思就是氮和氧原子的重量是相关的14:16只有整个原子相互作用，第一个原子模型（W.普罗特1815）是假设除了氢原子之外的所有元素的原子是组成整体的。

作为一个启发性原理，这个假设最终基于化学性质形成了有序元素的体系，L.迈耶和.门捷列夫化学周期系。

更多关于这个学科的内容会在化学入门教材讲到。

几乎在同一时间（1808年），盖-吕萨克发现不仅是质量而且气态反应物的量都是以整数的定量发生的。

在上面的例子1体积N +1体积O产生2体积NO1体积N +2体积O产生2体积NO2相似的观察形成了阿伏伽德罗假设：同等体积的气体在相似的状态下（压强，温度）包含同等数量的分子。

在19世纪间对气体的继续研究调查引出了热原子论，它对热量在通常的情况下进行了解释，尤其是在一系列的原子运动和原子间碰撞的热力学定律。

大约在1870年，这一首个理论包含了整个物理学分支，气体分子运动论由物理学家克劳修斯和玻尔兹曼完成。

电磁感应是在1833年被英国科学家迈克尔法拉第发现的，基于对电解液体非常仔细测量的定量计算，他用公式表达了他着名的定律：分解的元素的电量与电荷传输过程的电量成正比，不同的元素被相同电量的电荷分离成等效权重。

由此法拉第总结出：原子的带电成分是在它的质量与电荷定义后70年，这个带电物质就是电子与物质的原子相关。

原子能的发现可以追溯到底：1900年十二月14号，在那次柏林物理学会的演讲中普朗克给出了黑体辐射规律的推导。

为了推导出这些定律，他假定谐波振荡器的能量只能采取离散的值――对于在经典理论中能量值是连续的，这是相当矛盾的。

这一天可以称为量子理论的诞生日。

原子与量子物理学的进一步发展是这本书的主题。

我们对原子结构的认识受到了光学谱研究的强烈影响。

在1860年基尔霍夫和本生发现光学光谱所发射或吸收的光的元素的特征后，巴尔默在原子光谱中成功地找到一个有序原理，用公式表示，这个公式是以他的名字命名并描述了氢原子的发射谱线。

基于卢瑟福提出的原子模型，玻尔才能够在1913年用公式表示原子中电子轨道的量子化的基本原则。

这些量化的规则是由索末菲大大推广的。

通过玻恩，海森伯，薛定谔，泡利，狄拉克和其他研究人员在1920年到1930年的十年之中取得了实际突破。

当前研究关心的原子物理问题：——关于原子的电子壳层结构及其激发的越来越详细的描述——原子与辐射场的相互作用，以其在光泵浦（第二十一章）和激光物理（第二十二章）中 的应用为例固体物理学量子电子学 测定单位理想与缺陷结构 激光器，频率标准，航行，大地测量学 化学物理学 空间研究 分子形成 辐射效应 地球和行星大气，气象 天体物理学 通信技术 环境原子光谱 激光技术，电离层 污染物检测等离子体物理 能源问题激发机制 能源生产新方法生物物理学复杂分子结构地球物理学地球磁场领域图 原子物理学与其他科学、 科技学科的关联——原子在气相碰撞过程中和分子形成过程中的相互作用——单个原子凝聚相形成原理，和它们的性质因此，在原子物理和化学的基础上，分子和固体物理也不断使用它的规律和原则。

与此同时，对于许多其他研究，科技以及应用学科而言，原子物理学是一门基础科学。

举例如图所示。

下面的章节不会给出一个历史或时间顺序介绍。

然而，这些章节展现了发展和探索的总路线。

在满足获取物理知识方面，它是很少用的。

物理学家必须学会分析，解释，并从实验结果中提取出要点。

在这个过程中，重要的是要认识到与其他实验结果的关系，并能够预测新实验的结果。

然后预测必须得到实验检验。

因为这个过程，物理不是一成不变的，最终确定的科学，而是处于一个不断发展的状态。

由于新的实验技术开辟了新的研究领域，而另一方面，发展物理概念的过程中带来了有史以来最新的实验的理念。

核能的应用引言人类的一切活动都离不开能源，能源是发展工业、农业、国防、科学技术和提高人民生活水平的重要基础。

1939年原子核裂变的发现，开辟了核能利用的新时代.。

特别是在能源结构从石油转入非油能源的新时期里，核能被认为是解决世界能源短缺的一种重要途径，可开发的核燃料资源所提供的裂变能、聚变能，可供人类大规模长时期的利用。

核能具有独特的优越性开发和利用新型的核能源是人类社会生存发展的必然趋势。

近年来，大力发展核电是许多国家在研究本国能源现状和前景之后,所采取的一种比较普遍的基本政策。

核能发现核能的发现凝聚了众多科学家的智慧和汗水。

1932年，英国物理学家查德威克发现了中子，为人类提供了打开核能利用大门的一把钥匙，1939年，费米利用中子轰击铀发现反应能产生中等重量的元素，居里夫人的女儿伊伦·居里进行了类似的研究，但得到了不同的反应产物。

德国科学家哈恩重复他们的实验证实中子轰击铀能产生重量为铀一半的元素，并确定它是钡，他的进一步工作证实了伊伦·居里实验的产物是镧。

接着，流亡瑞典的奥地利女科学家迈特纳提出了铀核裂变的概念,并指出裂变能放出能量。

为了能持续地放出核能,匈牙利物理学家西拉德最先考虑了链式反应发生的可能性。

1939年约里奥·居里夫妇等人，通过实验发现一个铀核(U-235)裂变会释放出2—3个中子,用实验证实了链式反应的可能性。

1941年12月到1942年12月,费米领导一批物理学家在芝加哥大学斯塔克运动场的西看台下成功地建造了世界上第一座原子核反应堆发出了200W的电，解决了受控自持链式反应的众多技术问题，这标志着核能和平利用时代的到来。

核能的发展第一代核电站。

核电站的开发与建设开始于20世纪50年代。

1954年前苏联建成发电功率为5兆瓦的实验性核电站；1957年，美国建成发电功率为9万千瓦的ShipPingPort原型核电站。

这些成就证明了利用核能发电的技术可行性。

国际上把上述实验性的原型核电机组成为第一代核电机组。

第二代核电站。

20世纪60年代后期，在实验性和原型核电机组基础上，陆续建成发电功率30万千瓦的压水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核电机组，他们在进一步证明核能发电技术可行性的同时，使核电的经济性也得以证明。

目前，世界上商业运行的400多座核电机组绝大部分是在这一时期建成的，习惯上称为第二代核电机组。

第三代核电站。

20世纪90年代，为了消除三里岛和切尔诺贝利核电站事故的负面影响，世纪核电业界集中力量对严重事故的预防和缓解进行了研究和攻关，美国和欧洲先后出台了《先进轻水堆用户要求文件》，即URD文件和《欧洲用户对轻水堆核电站的要求》，即EUR文件，进一步明确了预防与缓解严重事故，提高安全可靠性等方面的要求。

国际上通常把满足URD文件或EUR文件的核电机组称为第三代核电机组。

对第三代核电机组要求是能在2010年前进行商用建造。

第四代核电站。

2000年1月，在美国能源部的倡议下，美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷共10个有意发展核能的国家，联合组成了“第四代国际核能论坛”，与2001年7月签署了合约，约定共同合作研究开发第四代核能技术。

核能原理核能（或称原子能）是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=mc2，其中E=能量，m=质量，c=光速常量。

核能通过三种核反应之一释放：1、核裂变，打开原子核的结合力。

2、核聚变，原子的粒子熔合在一起。

3、核衰变，自然的慢得多的裂变形式。

核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。

裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。

反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。

若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。

实现链式反应是核能发电的前提。

核能的应用一、核能在农业方面的应用将农学与核科学结合起来的新兴学科称核农学，其目的在于为农业科学研究和农业生产提供新的手段，促进农业的现代化。

核技术在农业中的应用是1955年第一届国际原子能和平利用会议以后，逐渐在各个国家发展起来的。

中国于1956年开始制订这门学科的发展规划。

1957年在中国农业科学院建立了第一个原子能农业利用研究室，后发展为研究所。

至今全国各省、市、自治区和少数地区的农业科研单位已广泛开展这方面的研究，并取得了显着成绩。

主要包括下列内容：辐射育种即利用γ、X、β射线或中子流等高能量的电离辐射处理植物的器官，使细胞内产生不同类型的电离作用,进而诱发产生可遗传的突变,从中选择和培育符合生产需要的新品种。

辐射育种与常规育种比较，其主要特点为：①变异率高。