第5章_核裂变与核聚变_473105992

《核裂变与核聚变》讲义一、引言在现代科学的领域中，核裂变与核聚变是两个极其重要的概念。

它们不仅在能源领域有着重要的应用，也在物理学、化学等多个学科中占据着关键的地位。

接下来，让我们深入了解这两个神奇的核反应过程。

二、核裂变核裂变，简单来说，就是一个重原子核分裂成两个或多个较轻原子核的过程。

这个过程的发生通常是由于外来粒子（如中子）撞击重原子核，使其变得不稳定，从而发生分裂。

以铀-235 为例，当一个中子撞击铀-235 原子核时，铀-235 会分裂成两个较小的原子核，同时释放出两到三个新的中子，并伴随着巨大的能量。

核裂变所释放的能量是相当惊人的。

在核电站中，就是利用核裂变产生的能量来发电。

核裂变的优点在于其反应过程相对容易控制，能够实现稳定的能量输出。

然而，它也存在一些不足之处。

首先，核裂变所使用的燃料（如铀、钚等）在地球上的储量有限。

其次，核裂变产生的核废料具有放射性，需要妥善处理和存放，否则会对环境和人类健康造成严重威胁。

三、核聚变核聚变则是与核裂变相反的过程，它是指两个或多个轻原子核结合成一个较重的原子核，并释放出巨大能量的过程。

最常见的核聚变反应是氢的同位素（氘和氚）聚变成氦。

核聚变的发生需要极高的温度和压力条件。

在太阳内部，由于其中心温度高达1500 万摄氏度，压力也极大，氢原子能够不断发生核聚变，从而为太阳提供持续的能量。

在地球上实现可控核聚变是一项极具挑战性的任务。

但一旦成功，核聚变将为人类带来几乎无限的清洁能源。

核聚变的优点非常显著。

首先，核聚变所使用的燃料（氘和氚）在地球上的储量丰富，几乎取之不尽。

其次，核聚变产生的放射性废物相对较少，对环境的影响较小。

然而，目前实现可控核聚变还面临着诸多技术难题。

例如，如何长时间维持高温高压的反应条件，如何有效地控制等离子体等。

四、核裂变与核聚变的比较从能量释放的角度来看，核聚变释放的能量通常比核裂变要大得多。

在燃料的可持续性方面，核聚变具有明显优势，其燃料来源丰富，而核裂变的燃料则相对有限。

核裂变与核聚变核裂变和核聚变是两种不同的核反应过程，分别描述了原子核的分裂和融合。

这两种反应过程在能源生产和核武器技术等领域具有重要的应用。

本文将介绍核裂变和核聚变的基本概念、过程及其在实际应用中的重要性。

一、核裂变核裂变是指重原子核在受到外部刺激或衰变过程中分裂成两个或多个较小的核片段的过程。

最典型的核裂变反应是铀-235核（U-235）受到慢中子的轰击时分裂成巴里-144核（Ba-144）和克里顿-89核（Kr-89）等两个核片段，并释放出大量能量和中子。

这种能量释放是以核能的形式，广泛应用在核电站中。

核裂变还具有重要的军事应用，即核武器。

通过控制裂变反应的进行，可以产生巨大的爆炸能量。

然而，核裂变还伴随着放射性废物的产生，对环境和人类健康造成极大危害，因此在核能的开发和使用过程中需要严格控制核材料的安全性。

二、核聚变核聚变是指两个或多个轻原子核在高温和高压条件下相互融合生成较重的原子核的过程。

在太阳和恒星内部，核聚变是主要的能量来源，通过将氢聚变成氦释放巨大的能量。

人类在进行可控核聚变的研究，目的是为了实现高效、可持续的能源供应。

研究者通过使用磁约束或惯性约束等方法，将氘和氚等氢同位素加热并高压起来。

在这样的条件下，氘和氚的原子核可以克服库伦势的排斥力，靠近足够的近距离，发生核反应并生成氦和中子等产物。

然而，实现可控核聚变仍然面临着巨大的挑战。

现有的技术复杂度和能量成本非常高，同时还面临材料的耐受性和中子的产生等问题。

然而，随着科学技术的进步和新材料的研发，可控核聚变有望成为未来清洁、高效能源的重要来源。

三、核裂变和核聚变的对比核裂变和核聚变是两种截然不同的核反应过程，其主要不同点包括以下几个方面：1. 能量释放方式：核裂变通过原子核的分裂释放能量，而核聚变通过原子核的融合释放能量。

核裂变能量释放较为剧烈，核聚变能量释放较为持续。

2. 反应物：核裂变的反应物通常是较重的原子核，如铀-235等，而核聚变的反应物通常是轻质原子核，如氢的同位素氘和氚等。

第五章 4 核裂变与核聚变问题？较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。

核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。

在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢？20世纪30年代，物理学家的一个重大发现改变了人类历史。

原子核在“分裂或聚合”时，会释放出惊人的能量。

核裂变的发现1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。

奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此给出了解释：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块（图5.4-1）。

弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变（nuclear fission）。

铀核裂变的产物是多样的，一种典型的铀核裂变是生成钡和氪（铀236为中间过程，不稳定），同时放出3个中子，核反应方程是23592U ＋10n →14456Ba ＋8936Kr ＋310n图 5.4-1 核裂变示意图核裂变中放出中子，数目有多有少，中子的速度也有快有慢。

以铀235为例，核裂变时产生两或三个中子。

如果这些中子继续与其他铀235发生反应，再引起新的核裂变，就能使核裂变反应不断地进行下去（图5.4-2）。

这种由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应（chain reaction ）。

铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。

原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，很有可能碰不到铀核而跑到铀块外面去，链式反应不能继续。

只有当铀块足够大时，核裂变产生的中子才有足够大的概率打中某个铀核，使链式反应进行下去。

通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。

我国科学家钱三强、何泽慧夫妇于1947年在实验中发现铀核也可能分裂为三部分或四部分，其概率大约是分裂为两部分的概率的 1300 和 15 000 。

《核裂变与核聚变》讲义一、什么是核裂变核裂变，简单来说，就是一个重原子核分裂成两个或多个较轻原子核的过程。

这个过程会释放出巨大的能量。

我们先来了解一下原子核。

原子核是原子的核心部分，由质子和中子组成。

在某些重原子核中，它们的结构相对不稳定。

当受到外部条件的刺激，比如被一个中子撞击时，就可能发生裂变。

以铀-235 为例，当它吸收一个中子后，会变得不稳定，然后分裂成两个质量较小的原子核，同时释放出两到三个新的中子，并释放出大量的能量。

这些释放出来的中子又可以去撞击其他铀-235 原子核，引发链式反应，从而持续释放出更多的能量。

核裂变的发现具有重要的历史意义。

在 20 世纪 30 年代，科学家们通过一系列的实验和研究，逐渐揭示了这一现象。

二、核裂变的过程核裂变的过程相当复杂，但我们可以大致将其分为几个阶段。

首先是引发阶段，就是前面提到的重原子核吸收中子，变得不稳定。

然后是分裂阶段，原子核分裂成两个或多个部分，这些部分的质量和电荷分布都不同。

在分裂的同时，会释放出大量的能量，包括热能、光能、辐射能等等。

而且，还会释放出一些快速运动的粒子，比如中子、β粒子和γ射线。

三、核裂变的应用核裂变最广为人知的应用就是核电站。

核电站利用核裂变产生的能量来发电。

在核电站中，核燃料（通常是铀）被制成燃料棒，放置在反应堆中。

通过控制中子的数量和速度，来控制核裂变的反应速度，从而稳定地产生热量。

这些热量被用来加热水，产生蒸汽，驱动涡轮机转动，进而带动发电机发电。

除了发电，核裂变还在医学领域有应用，比如用于癌症的放射治疗。

通过精确控制放射性同位素的衰变和辐射，来杀死癌细胞。

然而，核裂变也存在一些问题和风险。

四、核裂变的风险与挑战首先是核废料的处理问题。

核裂变产生的核废料具有高放射性，需要妥善处理和存放，以避免对环境和人类健康造成危害。

但找到安全、长期有效的处理方法并非易事。

其次是核事故的风险。

虽然核电站在正常运行时是安全的，但如果出现故障或人为失误，可能会导致核泄漏等严重事故，造成巨大的灾难。

《核裂变与核聚变》讲义一、引言核能作为一种强大的能源形式，对于人类社会的发展具有重要意义。

核裂变和核聚变是核能利用的两种主要方式，它们的原理、特点以及应用领域各不相同。

接下来，让我们深入了解核裂变与核聚变。

二、核裂变（一）核裂变的原理核裂变，简单来说，就是一个重原子核（如铀-235 或钚-239）在吸收一个中子后分裂成两个或多个质量较小的原子核，并同时释放出大量能量和中子的过程。

例如，铀-235 吸收一个中子后会分裂成钡-141 和氪-92，同时释放出 2 3 个中子以及巨大的能量。

（二）核裂变的链式反应释放出的中子又能继续撞击其他原子核，引发新的裂变，从而形成链式反应。

要实现可控的链式反应，需要精确控制中子的数量和速度，以保证反应稳定进行。

（三）核裂变的应用1、核电站核裂变产生的能量被用于核电站，通过蒸汽轮机将热能转化为电能。

核电站能够为大量的家庭和企业提供稳定的电力供应。

2、核武器不可控的核裂变链式反应则被应用于原子弹，其具有极大的破坏力。

（四）核裂变的优点1、能量密度高少量的核燃料就能产生大量的能量。

2、技术相对成熟经过多年的发展，核裂变技术在核电站中的应用已经相对成熟。

（五）核裂变的缺点1、放射性废料核裂变会产生具有高放射性的废料，这些废料的处理和存放是一个严峻的问题。

2、资源有限可用于核裂变的燃料（如铀）在地球上的储量有限。

三、核聚变（一）核聚变的原理核聚变是指将轻原子核（如氢的同位素氘和氚）在高温、高压等极端条件下聚合成较重的原子核（如氦），同时释放出巨大能量的过程。

（二）实现核聚变的条件要实现核聚变，需要极高的温度（约一亿摄氏度以上）和极高的压力，以使原子核具有足够的动能克服彼此之间的静电排斥力，从而发生聚合。

（三）核聚变的应用目前，核聚变仍处于研究和实验阶段，但未来有望为人类提供几乎无限的清洁能源。

（四）核聚变的优点1、能量巨大核聚变释放的能量比核裂变要大得多。

2、燃料丰富核聚变的燃料（氘和氚）在海水中大量存在，几乎取之不尽。