5.4 核裂变与核聚变 课件-2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

5.4 核裂变与核聚变 1. 核裂变的发现 核裂变的发现 核裂变是在1938年被时任德国柏林威廉皇家化学研究所主任的德国化学家奥托-哈恩与合作者弗里茨-斯特拉斯曼最先确认的。 在此之前，由于意识到中子不带电荷而较容易越过核势垒与核发生作用，有些物理学家开始了中子轰击原子核的实验研究。 意大利物理学家恩 里科・费米在1934年曾发表过用中子轰击铀核并得到一种半衰期为13 min的放射性产物。 1938年，法国的约里奥•居里用中子轰击铀，得到了一种半衰期为3.5 h的放射性产物。 不过，费米和居里等人一直认为受到轰击的铀核只是发生了衰变。 核裂变的发现 哈恩第一个采用化学的方法明确了上述反应的产物。 但哈恩作为化学家，未敢轻易断言，于是告诉了物理学家迈特纳。 当迈特纳收到哈恩的来信时，正好她的外甥——当时在玻尔研究所工作的弗里施——前去探望她，于是俩人一同讨论了哈恩的实验结果。 迈特纳用玻尔的液滴模型解释了这一过程，认为是一个重核分裂成了两个轻核，“裂变”一词就是弗里施从细胞分裂那里借用的名词。 复合核铀 236 处于高激发态，存在的时间很短，很容易裂开 两种典型的铀 235 裂变的核反应是 铀 235 的裂变产物可能为氙和锶、钡和氪或者锑和铌,同时放出 2~3 个中子和巨大的能量。1946 年至 1948 年间,我国核物理学家钱三强(1913— 1992)、何泽慧(1914— 2011)夫妇及其合作者首次发现铀 235 还有极低概率裂变为三个或四个原子核(三分裂、四分裂)的现象发生。 链式反应 链式反应 铀235在被一个热中子轰击后，会产生裂变并同时释放出2〜3个中子， 如果附近还有铀235，则这些中子击中铀235后，又使其裂变，并产生第二代中子， 继续导致周围的铀235发生裂变并放出第三代中子，不断继续这一过程， 如果中子没有损失，裂变反应将持续下去，并不断加强，直至全部的铀235都发生裂变为止。这种反应过程就是链式反应。 发生链式反应的条件 由于核裂变中产生的中子，其动能多在5 MeV的量级，是快中子，不容易发生核反应。 因此，要实现链式反应，首要条件是使裂变产生的快中子减速为慢中子。 其次，天然铀中铀 238 占 99.3%，铀 235 仅占 0.7%。 由于铀 238 比铀 235 稳定，因此经常采用扩散和离心分离技术将天然铀制成浓缩铀，使得铀 235浓度足够高。 最后，铀块的体积是链式反应能否发生的决定性条件。能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做临界体积。 小结 重核裂变的本质：中子轰击重核，使重核分解为两个中等质量原子核，反应前后出现质量亏损，释放大量能量，放出更多中子的过程。 2. 反应堆与核电站 核反应堆 利用链式反应的装置之一就是核反应堆（也称原子反应堆），这是一种可控的链式反应装置。 将核燃料、中子减速剂与冷却剂放在一起，就构成了反应堆的堆芯。核燃料可以用浓缩铀，也可以用天然铀。 中子减速剂主要是轻水或重水、固态石墨或液态金属，其中重水同时起冷却的作用。 链式反应速度（及中子增值速度）的控制是依靠控制棒实现的，控制棒用硼或镉制成，它们对快中子有很大的吸收截面，通过插入或拔出控制棒来改变反应堆中中子的增值速度。 为防止中子的外泄，将堆芯用中子反射层包围起来，中子反射层多用石墨制成。反应中产生的能量将其中的循环水加热产生蒸汽，即可利用。 核反应堆不仅可以作为能源使用，而且由于核裂变反应中产生了大量的放射性同位素、中子、各种射线以及轻子，还是科学研究的重要基地。 原子弹 核裂变是在第二次世界大战时期被发现的，由于担心希特勒首先掌握并拥有核武器，美国启动了曼哈顿工程，动员了全美国优秀的科学家，终于在1945年7 月6日试爆了第一颗原子弹。 原子弹也是依靠链式反应爆炸的，由于用作军事目的，要求质量轻、体积小、反应激烈、威力巨大，所以原子弹是用高纯的浓缩铀或钵制成的。 原子弹中，浓缩的核燃料分成两块，每一块不到链式反应的临界体积；但是，如果将两块合在一起，则达到临界状态，立刻爆炸，将巨大的能量瞬间释放。 3. 核聚变 核聚变 核聚变是两个或多个轻原子核聚合为一个较大等质量原子核的反应。 为了使原子核发生聚变，原子核必须具有足够大的动能以克服核之间相互作用的库仑斥力，使原子核之间的距离达到核力能发生作用的范围。要使大量的轻核具有足够大的动能，意味着需要将它们加热到很高的温度，因此这类聚变反应又称为热核反应。 典型的核聚变： 氢弹就是利用核聚变的原理制造的。 两弹元勋，指为氢弹和原子弹的研究做出突出贡献的人。主要人物有邓稼先、钱三强、赵九章、钱学森、孙家栋等人。 共和国永远铭记他们的贡献。 可控核聚变 核聚变比核裂变的能效高，地球上核聚变的材料氘核容易获得且轻核聚变更加安全、清洁。因此，人类一直在探索实现可控核聚变的途径。