15.3-15.4核能及其应用 粒子物理简介 课件-2023-2024学年高二下学期物理沪科版（2020）选择性必修第三册

选修系列 金山世外普高综合大组 Kimmy 2023年9月7日 第十五章 原子核 第三、四节 核能及其应用 粒子物理简介 1 若原子核内只存在库仑力 质子都是正电 一、核力 库仑斥力有使质子彼此远离并使原子核解体的趋势 原子核通常是稳定的 原子核内一定有一种比库仑斥力更强的吸引力 核力 核力有以下几个特点： 核子之间都存在核力 核力的作用范围很小 核力强度远大于库仑力 2 一、核力 单独存在的核子 吸收能量 释放能量 组成原子核的核子 为了帮助理解，可以类比化学中的化学键和键能 原子核各个核子彼此分离时的总能量与该原子核能量之差称为原子核的结合能 事实上，结合能是以“质量亏损”形式呈现。 质量亏损 Δm 与原子核的结合能 E 之间的关系符合爱因斯坦提出的质能方程 E = Δmc2 总质量稍多 总质量稍少 释放的能量是MeV级别，远大于化学能 3 一、核力 为了帮助理解，可以类比化学中的化学键和键能 50 100 150 200 250 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 O 原子核核子数 最大值约为8.8 MeV 平均结合能（MeV） 物理学家用平均结合能反映原子核结合的紧密程度，平均结合能等于原子核结合能与核子数之比。平均结合能越大，原子核越稳定。 均结合能在铁 56 附近达到最大值，这些原子核结合得最紧密，铁原子核最稳定。 很多天体的核心是铁核，代表着行星已经不发生核反应了。 Fe 4 德国 哈恩 1879-1968 二、核裂变 1938 年，德国物理学家哈恩与助手发现中子轰击铀 235 后，产生一个钡原子核。哈恩因为发现了核裂变获诺贝尔物理学奖。 n n n n X1 X2 奥地利 迈特纳 1879-1968 撞击前 复合核 不稳定变长 核力变弱 原子核分裂 并释放出中子 奥地利物理学家迈特纳和弗利胥用“液滴模型”对哈恩发现的核反应做了解释。 二、核裂变 重核受到其他粒子（如中子)轰击时分裂成两块或两块以上中等质量的核的过程称为裂变。裂变过程中放出中子并释放大量能量。 如果按一个铀 235 原子核裂变时放出 200 MeV 能量计算，1 kg 铀全部裂变所放出的核能相当于 2.5×106 kg 优质煤完全燃烧所放出的化学能。重核裂变成为人类利用核能的一种重要途径。 钱三强夫妇 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。 三、链式反应 一个原子核发生裂变所产生的能量还是微不足道的，但是许多原子核在短时间内一起发生裂变，将释放大量能量。 从每一次重核裂变过程中放出来的 2 ~ 3 个中子可以用来继续引发其他重核发生裂变再产生下一代中子，并使裂变反应不断进行下去，造成连锁式的裂变效果，放出巨大的能量。这种裂变反应称为链式反应。 要产生自发、持续的链式反应还需要具备三方面的条件。 慢中子 浓缩铀 临界体积 应用： 原子弹 三、链式反应 采用石墨作为减速剂的核反应堆示意图 石墨 镉棒 水泥防护层 铀棒 如果要利用核能作为能源而为人类造福，必须让核能释放的速度听从于人们的意愿，这就是反应堆的功能。 反应堆主要由以下几部分构成： 铀棒：核裂变的原始材料。 石墨：降低中子的速度，使之容易被铀俘获从而反应。 镉棒：吸收过多的中子，控制链式反应的速度。 冷却系统：防止多余的热量融化核燃料棒造成事故。 防护层：屏蔽堆中放出的各种射线。 三、链式反应 历史重大的核电站事故： 前苏联切尔诺贝利核电站爆炸 日本福岛核电站爆炸。 四、核聚变 相对于重核（如铀 235）而言，轻核（如氘）的平均结合能更小，某些轻核结合成质量较大的原子核时，能释放更多的结合能。轻核结合成质量较大的原子核的核反应称为核聚变，宇宙中的许多元素最初都是通过聚变的方式形成的。包括太阳在内的恒星，内部不断地发生着轻核聚变并向外辐射能量。 p-p 循环： ① 11H + 11H → 21H + 01e（0.42 MeV） ② 11H + 21H → 32He（5.49 MeV） ③ 32He + 32He → 42He + 2 11H（12.86 MeV） 四、核聚变 发生核聚变所需要的条件： 必须让轻核的距离非常接近(需要克服库仑斥力) 必须让轻核具有很大的动能 惯性约束聚变 磁约束聚变 王淦昌提出 五、基本粒子 奥地利 泡利 1900—1958 1930 年，泡利通过观察β衰变中能量不守恒，预言了还有一个轻的电中性粒子一起被发射出来。这个中性粒子的穿透力极强，很难被探测到，称之为中微子。 中微子没有电荷量，也几乎没有质量。 王淦昌曾提出一种探测中微子的实验方案，有人按此方案进行实验，得到了与王淦昌预期相符的实验结果，间接地证实了中微子的存在。1956 年，中微子 νe 的存在终于被实验所证实。1962 年和