5.4 核裂变与核聚变（同步课件）-2023-2024学年高二物理同步精品课堂（人教版2019选择性必修第三册）

§4 核裂变与核聚变 第五章 原子核 目录 CONTENTS 核裂变的发现 01 核聚变 反应堆与核电站 03 02 思考与讨论： 较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢？ 核电站 原子弹 核裂变的发现 01 1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的过程中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。 奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释，铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变。 一、核裂变的发现 哈恩 迈特纳 一、核裂变的发现 1.核裂变：物理学中把重核分裂成两个较轻的核时，释放出核能的反应叫做核裂变。 + → + + 一、核裂变的发现 2.链式反应：由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。 发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。 1947年，我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇在实验中发现铀核也可能分裂为三部分或四部分。其概率大约是分裂为两部分的概率的 。 3.核裂变释放大量的能量 一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能! 一、核裂变的发现 拓展学习：原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸。原子弹的燃料是铀235或钚239。在天然铀中只有0.7%的铀235，剩下的99.3%是不易核裂变的铀238。为得到高浓度的铀235，就必须进行同位素分离，形成铀235含量较高的浓缩铀。钚239在自然界并不存在，人们利用核反应堆中产生的中子打击铀238，生成物衰变后成为钚239，然后再利用化学方法将钚239从铀238中分离出来。图5.4-3是“内爆式”原子弹结构图。核燃料一般被分成若干块放置，每块的体积都小于临界体积。它的外部安放化学炸药，引爆时利用化学炸药爆炸的冲击波将核燃料压缩至高密度的超临界状态，聚心冲击波同时压缩放在核燃料球心的中子源，使它释放中子，引起核燃料的链式反应。其中，中子源的四周用铀238做成中子反射层，使逸出燃料区的部分中子返回，从而，降低中子逃逸率以减小临界质量，节省核燃料。 一、核裂变的发现 反应堆与核电站 02 二、反应堆与核电站 原子核的链式反应也可以在人工控制下进行。这样，释放的核能就可以为人类的和平建设服务。其实，在第一个原子弹制成以前，科学家们已经实现了核能的可控释放。 1942年，美籍意大利物理学家费米就主持建立了世界上第一个称为“核反应堆”的装置，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放。 反应堆 核心设施：浓缩铀制成的铀棒 减速剂：石墨、重水或普通水， 用于减小中子的速度。 控制棒：镉棒，用于吸收中子， 控制核反应的快慢。 二、反应堆与核电站 第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核反应放出的热使水的内能增加，水温升高，进入热交换器后，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆里。 在热交换器内，第二回路中的水被加热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。 建造核电站时需要特别注意防止放射线和放射性物质的泄漏，以避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染。 为此，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核反应堆中的核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。 二、反应堆与核电站 核聚变 03 三、核聚变 1.核聚变：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。 2.核聚变条件： 使原子核间的距离达到10-15m 3.实现的方法： 把原子核加热到温度达到几百万开尔文 4.核聚变应用： 氢弹 5.天然核聚变： 太阳的核燃烧 三、核聚变 三、核聚变 6.核聚变的优点： （1）轻核聚变产能效率高，也就是说，相同质量的核燃料，反应中产生的能量比较多； （2）地球上核聚变燃料氘和氚储量丰富； （3）轻核聚变更为安全、清洁。 7.实现可控核聚变的困难： 三、核聚变 核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。 8.解决的两种方案： （1）磁约束：带电粒子运动时，在匀强磁场中会由于洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质，这就是磁