1、重核裂變和輕核聚變重核裂變和輕核聚變) (9536138561023592KrBanU) (102121nHH) (2228622688RnRa) (01146eC復習復習:1、完成下列的核反應方程式：、完成下列的核反應方程式：n103He32He42N1472 2、核反應遵循的基本規律：、核反應遵循的基本規律：質量數和電荷數都守恒質量數和電荷數都守恒3 3、核反應的能量來源分析：、核反應的能量來源分析： 愛因斯坦的相對論指出愛因斯坦的相對論指出, ,物體的能量物體的能量荷質量之間存在著密切的聯系荷質量之間存在著密切的聯系. .4 4、質量虧損：組成核的核子總質量和、質量虧損：組成核的核子總質

2、量和 原子核的質量之差原子核的質量之差mm5 5、質能方程：、質能方程： E Em m c c2 2 E E mm c c2 2一一. .利用核能的途徑利用核能的途徑要質量有虧損，是利用核能的先決條件。要質量有虧損，是利用核能的先決條件。 核反應前物質的核子數和反應后的核子數核反應前物質的核子數和反應后的核子數有什么關系？有什么關系？ 相等相等 要實現要實現“反應后的質量反應前的質量反應后的質量反應前的質量”，如果我們引進如果我們引進“核子平均質量核子平均質量”，則核反應前，則核反應前核子平均質量和反應后的核子平均質量有什么核子平均質量和反應后的核子平均質量有什么關系？關系？ 較大較大 科學家

3、們經過定量研究，發現組成各種元素科學家們經過定量研究，發現組成各種元素的核子平均質量不盡相同，而且已經得出各種的核子平均質量不盡相同，而且已經得出各種元素的核子平均質量曲線元素的核子平均質量曲線 針對這個曲線觀察一下，并總結：針對這個曲線觀察一下，并總結：a a、誰的平均、誰的平均質量最小？質量最小？b b、怎樣才能獲得質量虧損的核反應？、怎樣才能獲得質量虧損的核反應？c c、哪一類核反應的質虧損比較、哪一類核反應的質虧損比較“快快”？a a、FeFe的平均質量最小；的平均質量最小；b b、重核裂變；、重核裂變；c c、輕核聚變。輕核聚變。 結論：結論： 利用核能的兩大途徑：輕核聚變和重核裂變

4、利用核能的兩大途徑：輕核聚變和重核裂變 重核裂變重核裂變重核俘獲一個中子后分裂為幾個中等重核俘獲一個中子后分裂為幾個中等質量的核的反應過程質量的核的反應過程. . 在裂變的同時在裂變的同時要放出幾個中子和大量的核能。要放出幾個中子和大量的核能。二二. .重核裂變重核裂變-以鈾核的裂變為例以鈾核的裂變為例MeVKrBanU6 .200_+ + + +9292363614114156561 10 02352359292（1 1）一種典型的鈾核裂變）一種典型的鈾核裂變n103 裂變產物不是唯一確定的，有時還會發生裂變產物不是唯一確定的，有時還會發生三分裂和四分裂。我國物理學家錢三強、何澤三分裂和四分

5、裂。我國物理學家錢三強、何澤慧夫婦慧夫婦19461946年在巴黎首次發現了鈾的三分裂和年在巴黎首次發現了鈾的三分裂和四分裂。但是，鈾的的三分裂和四分裂概率是四分裂。但是，鈾的的三分裂和四分裂概率是相當小的相當小的. . 介紹介紹27u27Ba27K r27nm390.313910kgm234.001610kgm152.604710kgm1.674910kgm =(mm =(mu u + m + mn n) )(m(mBaBa + m + mKrKr + 3m + 3mn n)= )= 0.35780.357810102727kgkg計算計算“質量虧損質量虧損” ：E = mCE = mC2 2

6、 = 201MeV = 201MeV1kg1kg鈾完全裂變，釋放的核能為：鈾完全裂變，釋放的核能為： AmENEM23810006.02 102.01 1023532135.15 108.24 10eVJ 對應常規能源：合對應常規能源：合2.512.51106kg106kg（即（即25102510噸）煤炭燃燒噸）煤炭燃燒 （2 2）鏈式反應：）鏈式反應： 鈾核裂變時放出幾個中子，再引起其鈾核裂變時放出幾個中子，再引起其他鈾核裂變而使裂變反應不斷進行下去稱他鈾核裂變而使裂變反應不斷進行下去稱為鏈式反應。為鏈式反應。鏈式反應的示意圖：鏈式反應的示意圖：(3)(3)重核裂變的應用重核裂變的應用核電站

7、核電站核心設施：核反應堆核心設施：核反應堆 濃縮鈾制成的鈾棒濃縮鈾制成的鈾棒減速劑：減速劑：石墨、重水或普通水，用于減石墨、重水或普通水，用于減小中子的速度小中子的速度控制棒：鎘，用于控制棒：鎘，用于 吸收中子，控制吸收中子，控制核反應的快慢。核反應的快慢。原子彈：原子彈： 不可控的核反應不可控的核反應原子彈爆炸時的蘑菇云原子彈爆炸時的蘑菇云“小男孩小男孩”（前）和（前）和“胖子胖子”三、輕核聚變三、輕核聚變 某些輕核結合成質量較大的核的核反應過某些輕核結合成質量較大的核的核反應過程，同時放出大量的核能。程，同時放出大量的核能。 MeVnHeHH6 .1710422131例：例：1 1、輕核聚

8、變的條件：、輕核聚變的條件：核子要距核子要距離十分近離十分近加熱加熱高溫高溫熱核反應熱核反應幾百萬幾百萬度高溫度高溫17.623201235 1計算表明，這個核反應釋放的能量是計算表明，這個核反應釋放的能量是17.6MeV 17.6MeV 。這個量值雖然比一個鈾核裂變產生的能量這個量值雖然比一個鈾核裂變產生的能量（201MeV201MeV）少，但平均每個核子產生的能量）少，但平均每個核子產生的能量= 3.52MeV= 3.52MeV卻是鈾裂變（卻是鈾裂變（= 0.852MeV= 0.852MeV）的約）的約4 4倍。倍。條件、應用條件、應用使輕核發生聚變，必須使它們的距離十分使輕核發生聚變，必

9、須使它們的距離十分接近，達到接近，達到1010-15-15mm的距離。的距離。為了克服巨大的庫侖力，需要使原子核有為了克服巨大的庫侖力，需要使原子核有極大的動能。極大的動能。一般的辦法是把它們加熱到很高的溫度。一般的辦法是把它們加熱到很高的溫度。通常需要幾百萬度以上的高溫。通常需要幾百萬度以上的高溫。例如：氫彈是利用核聚變原理制造的大規模殺傷例如：氫彈是利用核聚變原理制造的大規模殺傷性武器性武器為了獲取高熱，常常使用重核裂變作為為了獲取高熱，常常使用重核裂變作為“引引子子”。所以，原子彈可以作為氫彈的。所以，原子彈可以作為氫彈的“雷管雷管”。氫彈氫彈世界第一顆氫彈世界第一顆氫彈麥克麥克“麥克麥

10、克”爆炸爆炸成功成功我國第一顆氫彈爆炸生成的蘑菇云我國第一顆氫彈爆炸生成的蘑菇云四、熱核反應四、熱核反應1.1.學生閱讀解決學生閱讀解決(1)(1)什么是熱核反應什么是熱核反應(2)(2)太陽的能源來自熱核反應太陽的能源來自熱核反應(3)(3)什么是可控熱核反應什么是可控熱核反應(4)(4)氘核氘核, ,氚核的來源氚核的來源2 2、 熱核反應的優點：熱核反應的優點：（1 1）熱核反應釋放的能量比裂變大得多。）熱核反應釋放的能量比裂變大得多。（2 2）反應后的廢物較易處理。）反應后的廢物較易處理。（3 3）原料易得。）原料易得。例題例題 1.1.兩個中子和兩個質子可以結合成一個氦兩個中子和兩個質

11、子可以結合成一個氦核核, , 已知中子的質量是已知中子的質量是1.0086651.008665u u, , 質子的質量是質子的質量是1.0072761.007276u u, , 氦核的質量是氦核的質量是4.00264.0026u u, , 求此核反應求此核反應的質量虧損和結合能的質量虧損和結合能, (, (1 1u u=1.66=1.661010-27-27千克千克, , c c=3=310108 8米秒米秒) )解：解：mm0.0292820.029282u u E E mcmc2 2=931.5 =931.5 0.029282 0.029282= = 27.327.3MeVMeV或或 E

12、E mcmc2 2 0.029282 0.029282 1.66 1.661010-27 -27 (3 (310108 8 ) )2 2 4.37 4.37 10101212J J27.327.3MeVMeV例例1 1、已知氘核質量為、已知氘核質量為2.0136u2.0136u，中子質量為，中子質量為1.0087u 1.0087u 核的質量為核的質量為3.0150u3.0150u。求：。求：（1 1）寫出兩個氘核聚變成）寫出兩個氘核聚變成 的核反應方程式的核反應方程式（2 2）計算上述核反應中釋放的核能。）計算上述核反應中釋放的核能。23 He23 He【分析分析】算出核反應中的質量虧損，利用

13、愛因斯坦質能方算出核反應中的質量虧損，利用愛因斯坦質能方程即可求出反應釋放的核能。程即可求出反應釋放的核能。解答：解答： （1）nHeHH10322121（2 2）由題給條件可求得質量虧損為：）由題給條件可求得質量虧損為：m=2.01362(3.0150+1.0087)=0.0035u釋放的核能為釋放的核能為E=mc2 2=931.50.0035=3.26MeV19941994年年 全國全國 2. 2. 一個鈾核衰變為釷核時釋放出一個一個鈾核衰變為釷核時釋放出一個 粒子，粒子，已知鈾核的質量為已知鈾核的質量為3.8531313.8531311010-25-25 kg kg，釷核質，釷核質量為量

14、為3.7865673.7865671010-25-25 kg kg， 粒子的質量為粒子的質量為6.646726.646721010-27-27 kg kg，在這個衰變過程中釋放出，在這個衰變過程中釋放出來的能量等于來的能量等于 J J（保留兩位二位數字（保留兩位二位數字） 8.710 -13 3. 3. 中子質量為中子質量為1.0087u1.0087u，質子質量為，質子質量為1.0073u1.0073u，氘核的質量為，氘核的質量為2.0136u2.0136u，中子和質子結合為，中子和質子結合為氘核時釋放的能量為氘核時釋放的能量為 J J。 （1989年年 全國全國）3.710 -1320002

15、000年高考試題年高考試題4.4.裂變反應是目前利用中常用的反應，以原子核裂變反應是目前利用中常用的反應，以原子核 為燃料的反應堆中，當為燃料的反應堆中，當 俘獲一個慢中子后發生的俘獲一個慢中子后發生的裂變反應可以有多種方式，其中一種可表示為裂變反應可以有多種方式，其中一種可表示為 反應方程下方的數字為中子及有關原子的靜止質量（以反應方程下方的數字為中子及有關原子的靜止質量（以原子質量單位原子質量單位u u為單位）。已知為單位）。已知1u 1u 的質量對應的能量為的質量對應的能量為9.39.310102 2MeVMeV，此裂變反應釋放出的能量是，此裂變反應釋放出的能量是 _MeV。235.04

16、39 1.0087 93.9154 138.9178 235U92 92 0 38 54 0 235 U + 1 n 9494 Sr + Sr + 139139Xe+ 3 Xe+ 3 1 1 n n 235U92解：解：m=0.1933um=0.1933u E=931.5 E=931.50.1933=1.8 0.1933=1.8 10102 2 MeV MeV1.8 10220022002年廣東高考年廣東高考5.5.如下一系列核反應是在恒星內部發生的，如下一系列核反應是在恒星內部發生的， CNpeNOONpNCpeCNNCp126157157158158147147136136137137126 其中其中p p為質子，為質子，為為粒子，粒子，e e+ + 為正電子，為正電子，為一種中微子。為一種中微子。已知質子的質量為已知質子的質量為m mp p =1.672648 =1.67264810 10 -27-27kgkg， 粒子的質量為粒子的質量為m m=6.644929=6.64492910 10 -27-27kgkg，正電子的質量為，正電子的質量為m me e=9.11=9.111010-31-31kgkg，中，中微子的質量可忽略不計。真空中的光速微子的質量可忽略不計。真空中的光速c=3c=310108 8 m/sm/s。試計算該。試計算該系列核反應完成后釋放的能量。系列核反應