第四章核子反应与核能利用
教学目的：掌握核子反应的原理，了解核能利用的途径，理解受控核聚变的意义
教学重点：核能的概念及应用、同位素发现的意义及用途。
教学难点：核子反应的基本原理
课时分配：一、核反应的重要发现0.5课时；
二、核裂变与链式反应的实现0.5课时；
三、核裂变与链式反应的应用0.5课时；
四、受控核聚变——取之不尽的清洁能源0.5课时；
授课内容：核子反应与核能利用。
原子核的大门既已打开，一系列新发现便随之而来，其中最重要的是发现了人工放射性和开辟了利用重核裂变和轻核聚变产生巨大能量的途径。
强大的新能源——核能（即原子结构发生变化时释放出的能量），也是自然界给予人类的恩惠，它将在人类开发自然，认识自然和改造自然中扮演重要角色，它将几乎彻底地解决人类未来百亿年的能源需要。那么，怎样才能把原子核中贮藏的巨大能量释放出来呢？
一、核反应的重要发现
1．人工放射性同位素的发现与诺贝尔奖家族
20世纪初的法国巴黎，有一所居里夫人亲手创办的原子物理研究所——巴黎镭学院。第一次世界大战前后，在这里培养出数以百计的研究原子核和放射性的人才，其中有居里夫人的助手，后来成为其女婿的弗兰德列克·约里奥。
贝克勒耳和居里夫妇发现的放射性，只存在于铀、钍、钋、镭等天然的放射性元素中。而且，随着时间的推移，由于放射性衰变规律的作用，它们会不断变为其它元素，因而这些元素在自然界越来越少了。供人们研究和应用的天然放射性元素的来源，成了一个大问题。正当科学家们为此发愁的时候，约里奥夫妇解决了这个问题。
2．费米发现用慢中子更容易制造人工放射性
人们在用α粒子轰击重元素时发现，由于重元素所含的质子数较多，所带的正电荷也就较多。而α粒子本身带两个单位正电荷，当它接近重核时要受到很大的静电斥力，很难击中重核，所以用α粒子轰击重核的实验总是能以成功。中子被发现后不久，物理学家很快意识到，不带电荷、不受静电斥力的中子，也许很容易钻入带电的原子核内。为此，人们制造了能够产生中子的中子源，用所得的中子做炮弹去轰击各种原子核，看看能不能搞出点名堂来。其中，意大利物理学家费米在罗马做出了富有成效的工作。
费米（1901-1954）是罗马一个铁路工人的儿子，21岁时就获得了物理学博士的学位。在罗马大学物理研究所工作期间，费米听说约里奥·居里夫妇用α粒子轰击一些金属，制造出人工放射性元素来，他也决定试试看。中子发现之后，费米觉得用中子来轰击，也许效果更好。他向意大利卫生局局长借了1克医疗用的镭，作为放射中子源，还自己动手做了一架盖革计数器。镭中子源能够持续不断地放出中子来，而测量受轰击后的元素发生了哪些变化时，也就很容易受到这些中子的干扰。为此，必须在轰击完成后，利用只有一分钟的间隙，把被轰击的元素试样迅速送到另一个房间进行测量。费米和他的助手就这样奔波往返，用中子把周期表上的元素，从头开始一个个轰击下来，竟然在短短的几个月，取得了了不起的成就。
费米用中子共轰击了63种元素，得到了37种放射性同位素，由于这方面的成就而获得了1938年诺贝尔物理奖。
3．放射性同位素C14—考古学家的时钟
考古学家为了去考证远古的地球及宇宙的变迁，人类及生物的进化，社会和经济的发展等事件的准确年代，除了有一些文字史料可查询外，便要用到放射性同位素C14这一特殊的计时工具了。
C14原子的原子核内有6个质子和8个中子，比一般碳原子多出两个中子。它跟其他碳原子的化学性
质完全相同，只是具有放射性。当它放出特殊射线后就变成了普通的氮原子，现在的科学仪器一般能够根据测出射线的多少去得知物体内含放射性原子的多少，这样，它测定C14原子的多少，便也是轻而易举的事了。
自然界中，C14原子是从哪里来的呢？地球在太空中运行了几十亿年，它一直受着宇宙射线的冲击。宇宙射线中的绝大部分是具有很高能量的质子，当它进入了地球的大气层后，经过复杂的变化，就会变成短暂存在的自由中子。这种自由中子，如果碰巧击中一个N14（即普通氮原子，它的原子核内有7个质子和7个中子）的原子核，就会变成一个新的原子核同时还产生一个质子。这个新的原子核里有6个质子和8个中子，这便是C14原子核的来历。
在一定的条件下C14原子经过一段时间，又会从原子核里释放出一个电子而变成氮原子。并且这电子带着较高的能量以射线的形式放出，这就是C14具有放射性的原因。
放射性元素都具有一种特殊的性质，像C14原子，如果有一万个C14原子，它们并不是同时或者杂乱无章的释放出射线，而是按一定的含量和一定的时间来进行的。科学家经过测定发现：一万个C14原子，要经过5730年，才有一半变成氮原子，那么剩下的五千个C14原子中，又要经过5730年才会有五千的一半，即两千五百个C14原子变成氮原子。依此类推，总是在5730年的时间内，C14原子的数目便减少其中的一半，因而科学上把“5730年”叫做C14的半衰期。
由于宇宙射线的冲击，大气中极少的氮原子变成C14原子，C14原子又跟氧结合，生成二氧化碳，这种二氧化碳跟普通的二氧化碳一样，同样被植物吸收了，通过光合作用变成淀粉等物质，然后植物又被动物当成食物吸收到体内，有些植物和动物又被人当成食物吸收到体内。因此，无论是植物、动物还是人的体内，都存在有C14原子。而且在活体内的含量百分比也是一定的。
人的体内包含有放射性元素C14，这个事实让人听起来似乎可怕，但自古以来就这样，谁也没有因此而得病，原因是一般物体中C14原子的数目太少了，它放出的射线总能量太小了，对人体丝毫无损。
科学家通过仪器测定出大气中的二氧化碳，平均每6×1012个二氧化碳分子中，只有一个分子是C14原子。同样任何活的生物，由于不断的吸收养料；进行新陈代谢，体内所含C14原子的数目，也是保持在总的碳原子数中1/(6×1012)的水平。
为了容易用仪器准确的测定C14原子的多少，人们又换算出每克碳在一分钟内平均可放出16个电子（β粒子）。测定用的仪器是一种比较复杂的电子装置，它每接受到一个射线，便会发出一个响声，或是计数器跳一个数字，这样具体做法就简单了，如果拿几片新鲜的树叶做实验，可以把它干馏成碳，称出1克放到仪器上，它在每分钟内就会发出16次响声。
如果在一个古代人居住过的洞穴里发现了一块木炭，把它拿来洗净烘干，然后取1克放到上述仪器上，如果在每分钟内平均只能听到8次响声，那就能判定这块木碳是在5730年前由活的树木被人砍下后烧成碳的，由此可知那些古人在六千年前曾经在这个洞穴附近生活过。那棵活的树木从砍下的那一天起，它体内的C14原子就不再跟大气中的二氧化碳保持平衡了，而是逐渐按半衰期的速度减少，因而也就开始计时了。
二、核裂变——巨大的能量宝藏
1. “铀x”是什么？
当费米公布他发现了“第93号元素”的时候，德国著名放射化学家哈恩（1879-1968）与他的合作者奥地利物理学家迈特纳小姐也正在柏林从事类似的工作。他们重复了费米所做的实验。同时，法国物理学家约里奥·居里夫妇在巴黎也进行着类似费米所做的实验。他们都发现被中子轰击过的铀，会变成一种新的元素。但是，他们都按照过去已知的核反应规律推断：“元素受到中子的轰击后，生成原子序数增加1的新元素”，同样错误地认为发现了第93号和94号元素。
约里奥·居里夫人也进行了这方面的实验，她做出来的结果是，“铀x”像镧而不像铼。铼是第75号元素，镧却是第57号元素；铼在周期表的第7行，而镧却在第3行，两者的化学性质相去甚远。所以当约里奥。居里夫人在一次国际物理学会议上报告有关“铀x”的鉴别工作时，遭到了迈特纳的尖锐批评，引起了一场不愉快的争论。双方都是权威，各执己见，相持不下。
正当研究工作进入关键的时刻，德国占领了奥地利。迈特纳因出身于犹太家庭，所以在柏林她无法再呆下去了。哈恩托人到有关当局为迈特纳求情，可是无济于事，纳粹秘密警察勒令迈特纳限期离开德国。柏林方面的实验只好由物理学家斯特拉斯曼来充当哈恩的助手，继续进行。
几个月以后（1938年），哈恩和斯特拉斯曼发现，在用慢中子轰击“铀x”时，得到了一种化学性
