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1、第四章第五节裂变和聚变本讲稿第一页，共二十页目标定位目标定位1.知道重核的裂知道重核的裂变变反反应应和和链链式反式反应发应发生的条件生的条件.2.掌握核聚掌握核聚变变的定的定义义及及发发生条件生条件.3.会会计计算裂算裂变变、聚、聚变变所所释释放的能量放的能量本讲稿第二页，共二十页一、核裂变与链式反应一、核裂变与链式反应1核裂变核裂变：_分裂分裂为为两个或两个以上的两个或两个以上的较轻质较轻质量的核的反量的核的反应应2链式反应链式反应：一个核的裂：一个核的裂变变能能够够引引发发一个或一个以上的核一个或一个以上的核发发生裂生裂变变，让让核裂核裂变变的的过过程能程能_进进行下去，源源不断地将行下去
2、，源源不断地将_释释放出来放出来3铀铀235与铀与铀238比较比较(1)天然天然铀储铀储量：量：铀铀238占占99.3%.铀铀235占占0.7%.重核重核自自发发核能核能本讲稿第三页，共二十页(2)与中子的作用特点与中子的作用特点铀铀235俘俘获获各种能量的中子都会各种能量的中子都会发发生裂生裂变变，而且俘，而且俘获获能量能量低的中子低的中子发发生裂生裂变变的几率的几率_铀铀238只有俘只有俘获获能量能量_ 1 MeV的中子才可能的中子才可能发发生裂生裂变变，并且，并且几率几率_，俘，俘获获能量低于能量低于1 MeV的中子的中子时时，不，不发发生裂生裂变变，而，而变为变为铀铀239.为为使使链
3、链式反式反应应容易容易发发生，最好生，最好选选用用_4一种典型的裂变反应方程一种典型的裂变反应方程较较大大大于大于很小很小铀铀235本讲稿第四页，共二十页5临界体积临界体积：能：能够发够发生生链链式反式反应应的的铀块铀块的的_体体积积二、受控热核反应二、受控热核反应1核聚变核聚变：轻轻核核结结合成合成质质量量_核，核，轻轻核聚核聚变变必必须须在高温下在高温下进进行，行，因此又叫因此又叫_2能量变化能量变化：轻轻核聚核聚变变后，平均后，平均结结合能合能_，反，反应应中会中会_能量能量4核反应条件核反应条件：必：必须须使它使它们们的距离达到的距离达到_m以内，使核具有足以内，使核具有足够够的的_，
4、轻轻核才能核才能够发够发生聚生聚变变最小最小较较大的大的热热核反核反应应增加增加释释放放1015动动能能本讲稿第五页，共二十页5特点特点：在消耗相同：在消耗相同质质量的核燃料量的核燃料时时，轻轻核聚核聚变变比重核裂比重核裂变变_的能量的能量热热核反核反应应一旦一旦发发生，就不再需要外界生，就不再需要外界给给它能量，靠它能量，靠_就会使反就会使反应继续应继续下去下去6受控热核反应受控热核反应：如果要使巨大的：如果要使巨大的热热核反核反应应能量不是以爆炸的形式能量不是以爆炸的形式释释放，放，而是在人工控制下逐而是在人工控制下逐渐渐地地释释放出来并加以利用放出来并加以利用(例如例如发电发电)，这这称
5、称为为受控受控热热核反核反应应7实现受控热核反应的条件实现受控热核反应的条件(1)要把要把热热核燃料加核燃料加热热到非常高的温度；到非常高的温度；(2)要使聚要使聚变变反反应维应维持下去并能加以控制以提供可用的能量；持下去并能加以控制以提供可用的能量；(3)使使热热核反核反应释应释放的能量足以放的能量足以补偿补偿形成聚形成聚变过变过程中所程中所损损失的能量，失的能量，这这个个条件称条件称为为“点火点火”条件条件.释释放更多放更多自身自身产产生的生的热热本讲稿第六页，共二十页一、核裂变和链式反应一、核裂变和链式反应1核子受激发核子受激发：当中子：当中子进进入入铀铀235后，便形成了后，便形成了处
6、处于激于激发发状状态态的复的复核，复核中由于核子的激烈运核，复核中由于核子的激烈运动动，使核，使核变变成不成不规则规则的形状的形状2核子分裂核子分裂：核子：核子间间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于子核由于质质子子间间的斥力作用而分裂成几的斥力作用而分裂成几块块，同，同时时放出放出23个个中子，中子，这这些中子又引起其他些中子又引起其他铀铀核裂核裂变变，这样这样，裂，裂变变就会不断地就会不断地进进行下去，形成行下去，形成链链式反式反应应本讲稿第七页，共二十页3能量能量：铀铀核裂核裂变为变为中等中等质质量的原子核，量的原子核，发发生生质质量量亏亏损损
7、，所以放出，所以放出能量一般来能量一般来说说，平均每个核子放出的能量，平均每个核子放出的能量约为约为1 MeV，1 kg铀铀235全部裂全部裂变变放出的能量相当于放出的能量相当于2 800 t优质优质煤燃煤燃烧时释烧时释放的能放的能量，裂量，裂变时变时能能产产生几万度的高温生几万度的高温4用中子用中子轰击铀轰击铀核核时时，铀铀核裂核裂变变的的产产物是多种多物是多种多样样的，其中两种典型的的，其中两种典型的反反应应是：是：本讲稿第八页，共二十页【例例1】(单选单选)关于重核的裂关于重核的裂变变，下列，下列说说法正确的是法正确的是()A核裂核裂变时释变时释放的能量等于它俘放的能量等于它俘获获中子中
8、子时时得到的能量得到的能量B重核裂重核裂变时释变时释放出大量的能量，放出大量的能量，产产生明生明显显的的质质量量亏亏损损，所，所以核子数减少以核子数减少C铀铀核自核自发发放出放出粒子、粒子、粒子粒子时时要要释释放能量，核放能量，核电电站利站利用的就用的就是是这这一能量一能量D重核的比重核的比结结合能小于中等合能小于中等质质量核的比量核的比结结合能，所以重合能，所以重核裂核裂变变成中等成中等质质量核量核时时，要放出核能，有，要放出核能，有质质量量亏亏损损答案答案D本讲稿第九页，共二十页解析解析核电站利用的是裂变链式反应所放出的核能原子核的衰变以核电站利用的是裂变链式反应所放出的核能原子核的衰变以
9、及人工核反应也要释放核能，但天然衰变进行得非常缓慢，放出的能及人工核反应也要释放核能，但天然衰变进行得非常缓慢，放出的能量也很小，人工无法控制，实用价值不大，原子核的人工转变也放出量也很小，人工无法控制，实用价值不大，原子核的人工转变也放出能量，但作为能量，但作为“炮弹炮弹”的粒子击中原子核的机会太少，这种做法得不的粒子击中原子核的机会太少，这种做法得不偿失所以核能的获取主要是通过裂变或聚变的途径比结合能是核偿失所以核能的获取主要是通过裂变或聚变的途径比结合能是核子结合成原子核时，每个核子平均放出的能量，或原子核拆解成核子子结合成原子核时，每个核子平均放出的能量，或原子核拆解成核子时，每个核子
10、平均吸收的能量重核的比结合能小于中等质量核的比时，每个核子平均吸收的能量重核的比结合能小于中等质量核的比结合能，即将重核分成核子时比中等质量核分成核子时每个核子平均结合能，即将重核分成核子时比中等质量核分成核子时每个核子平均吸收的能量小些，可见吸收的能量小些，可见本讲稿第十页，共二十页由重核裂变成两个中等质量的核要放出能量，选项由重核裂变成两个中等质量的核要放出能量，选项D正确；铀核裂变正确；铀核裂变放出的能量是原子核的核能，而不是中子具有的动能，选项放出的能量是原子核的核能，而不是中子具有的动能，选项A错误；错误；裂变过程遵守质量数、电荷数守恒规律，裂变过程遵守质量数、电荷数守恒规律，B错误
11、；衰变是自发的现象，错误；衰变是自发的现象，铀核衰变后的新核仍是重核，而核电站利用的是裂变核能，选项铀核衰变后的新核仍是重核，而核电站利用的是裂变核能，选项C错误错误借题发挥借题发挥重核裂变的实质重核裂变的实质(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小
12、所以在重核分解是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量中子时得到的能量本讲稿第十一页，共二十页mU390.313 91027 kg，mn1.674 91027 kg；mBa234.001 61027 kg，mKr152.604 71027 kg.试试写出核反写出核反应应方程，求出反方程，求出反应应中中释释放的核能放的核能解析解析根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒，就可以写出
13、核反应方程量守恒，就可以写出核反应方程根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能的核能本讲稿第十二页，共二十页 则核反应前后的质量亏损为则核反应前后的质量亏损为mmUmnmBamKr3mn0.357 81027 kg.由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为Emc20.357 81027(3108)2 J3.220 21011 J.本讲稿第十三页，共二十页二、核聚变及核能的计算二、核聚变及核能的计算1聚变发生的条件聚变发生的条件：要使：要使轻轻核聚核聚变变，必，必须须使使轻轻核接近核力核接近
14、核力发发生作生作用的距离用的距离1015 m，这这要克服要克服电电荷荷间间强强大的斥力作用，要求使大的斥力作用，要求使轻轻核具有足核具有足够够大的大的动动能要使原子核具有足能要使原子核具有足够够大的大的动动能，就能，就要要给给它它们们加加热热，使物，使物质质达到几百万开达到几百万开尔尔文的高温文的高温2轻核聚变是放能反应轻核聚变是放能反应：从比：从比结结合能的合能的图线图线看，看，轻轻核聚核聚变变后比后比结结合合能增加，因此聚能增加，因此聚变变反反应应是一个放能反是一个放能反应应3聚变方程聚变方程：本讲稿第十四页，共二十页4重核裂变与轻核聚变的区别重核裂变与轻核聚变的区别重核裂重核裂变变轻轻核
15、聚核聚变变放能原理放能原理重核分裂成两个或多个重核分裂成两个或多个中等中等质质量的原子核，放量的原子核，放出核能出核能两个两个轻轻核核结结合成合成质质量量较较大的原子核，放出核能大的原子核，放出核能放能多少放能多少聚聚变变反反应应比裂比裂变变反反应应平均每个核子放出的能量平均每个核子放出的能量大大约约要大要大34倍倍核核废废料料处处理理难难度度聚聚变变反反应应的核的核废废料料处处理要比裂理要比裂变变反反应应容易得多容易得多反应反应方式方式比较比较项目项目本讲稿第十五页，共二十页【例例3】(单选单选)以下以下说说法正确的是法正确的是()A聚聚变变是裂是裂变变的逆反的逆反应应B如果裂如果裂变释变释
16、放能量，放能量，则则聚聚变变反反应应必定吸收能量必定吸收能量C聚聚变须变须将反将反应应物加物加热热至数百万开至数百万开尔尔文以上的高温，文以上的高温，显显然是吸收能量然是吸收能量D裂裂变变与聚与聚变变均可均可释释放巨大的能量放巨大的能量答案答案D本讲稿第十六页，共二十页解析解析A选项从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，选项从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同裂变是但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应；接关
17、联，并非互为逆反应；B选项既然裂变与聚变不是互为选项既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量流向上也不必相反；逆反应，则在能量流向上也不必相反；C选项要实现聚变反应，选项要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量因此，但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量因此，总的来说，聚变反应还是释放能量总的来说，聚变反应还是释放能量本讲稿第十七页，共二十页【例例4】一个一个质质子和两个中子聚子和两个中子聚变为变为一个一个氚氚核，已知核，已知质质子子质质量量mH1.007 3 u，中子，中子质质量量mn1.008 7 u，氚氚核核质质量量mT3.018 0 u求：求：(1)写出聚写出聚变变方程；方程；(2)释释放出的核能多大？放出的核能多大？(3)平均每个核子平均每个核子释释放的能量是多大？放的能量是多大？本讲稿第十八页，共二十页本讲稿第十九页，共二十页再见再见本讲稿第二十页，共二十页