1、第十九章 原子核19.6重核的裂變19.7核聚變19.8粒子和宇宙第十九章 原子核19.6重核的裂變19.7核聚變一.核裂變 物理學(xué)中把重核分裂成幾個較輕的核時，釋放出核能的反應(yīng)叫做核裂變（fission) 裂變后比結(jié)合能增加，核子平均質(zhì)量減小，質(zhì)量虧損，釋放核能。一.核裂變 物理學(xué)中把重核分裂成幾個較輕的核時，釋放出（哈恩-德國）1938年底，哈恩及其助手斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)核裂變：用中子轟擊鈾核，生成物中發(fā)現(xiàn)元素Ba（邁特納-奧地利）（弗里施-奧地利）理論解釋哈恩發(fā)現(xiàn)的核裂變現(xiàn)象（哈恩-德國）1938年底，哈恩及其助手斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)核裂變二.核裂變產(chǎn)物多樣性二.核裂變產(chǎn)物多樣性三.鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 1.

2、定義：由重核裂變產(chǎn)生的中子使反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)三.鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 1.定義：由重核裂變產(chǎn)生的中子使反應(yīng)一代（3）維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的宏觀條件：鈾塊純度足夠高鈾塊質(zhì)量（或體積）足夠大大于臨界質(zhì)量或體積 使裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫做它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量2.維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件（1）維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的微觀條件：裂變放射出來的新一代中子中，平均至少有一個中子又能引起新的裂變。（2）定義中子增殖系數(shù)：（3）維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的宏觀條件：2.維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件（1）維已知鈾核裂變的反應(yīng)：求：該核反應(yīng)釋放能量和平均每個核子釋放能量？虧損質(zhì)量：釋放能量：m = (mu+ m

3、n) - (mBa+mKr+3mn) = 0.35781027kg四.核裂變能量釋放平均每個核子釋放能量：已知鈾核裂變的反應(yīng)：求：該核反應(yīng)釋放能量和平均每個核子釋放能計算：1kg鈾全部裂變，它放出的能量相當(dāng)于多少千克優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時釋放的能量？（標(biāo)準(zhǔn)煤熱值為計算：1kg鈾全部裂變，它放出的能量相當(dāng)于多少千克優(yōu)質(zhì)煤完全五.核裂變應(yīng)用原子彈（內(nèi)爆式原子彈）（搶式原子彈）五.核裂變應(yīng)用原子彈（內(nèi)爆式原子彈）（搶式原子彈）中國第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖中國第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖水泥防護(hù)層控制棒鎘棒燃料棒鈾棒減速劑六.核裂變應(yīng)用核電站水泥防護(hù)層控制棒鎘棒燃料棒鈾棒減速劑六.核裂變應(yīng)用核核電站核心

4、設(shè)施：核反應(yīng)堆 濃縮鈾制成的鈾棒減速劑：石墨、重水或普通水，用于減小中子的速度控制棒：鎘棒，用于吸收中子， 控制核反應(yīng)的快慢。解決能源危機(jī)重要途徑核能。可開發(fā)的核裂變?nèi)剂腺Y源可使用上千年。核聚變資源可使用幾億年。核電站核心設(shè)施：核反應(yīng)堆 減速劑：石墨、重水或普通水，用于減 核反應(yīng)堆 通過受控核裂變反應(yīng)獲得核能的裝置，可使裂變產(chǎn)生的中子數(shù)等于各種過程消耗的中子數(shù), 以形成所謂的自持鏈反應(yīng)(self-sustaining chain reaction)。 核反應(yīng)堆 通過受控核裂變反應(yīng)獲得核能核電的安全性核反應(yīng)堆的防護(hù)措施：第一道屏障耐高溫腐蝕的陶瓷體燃料芯塊可以把98%以上的裂變產(chǎn)物滯留在芯塊內(nèi)。

5、第二道屏障燃料元件包殼由優(yōu)質(zhì)的鋯合金制成，具有良好的密封性。第三道屏障壓力殼將燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包殼少量射線泄漏。第四道屏障安全殼由1m多厚的鋼筋混凝土制成，整個核反應(yīng)堆都裝在安全殼中。核電的安全性核反應(yīng)堆的防護(hù)措施：核電站放射性氣態(tài)廢物和液態(tài)廢物的處理：采取貯存衰變等方法進(jìn)行稀釋，再排放到指定的區(qū)域。核電站固體廢物的處理：先在核電站內(nèi)專用的廢物庫暫存，然后送到人煙稀少、地質(zhì)穩(wěn)定、地下水位低又遠(yuǎn)離天然水源的放置場永久貯存，一般要存放幾百年。核電站放射性氣態(tài)廢物和液態(tài)廢物的處理：一.核聚變 兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫做聚變（fusion）。 比結(jié)合能增加，核

6、子平均質(zhì)量減小，質(zhì)量虧損，釋放核能。一.核聚變 兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫做二.核聚變典例-氫彈已知：氘核的質(zhì)量：mD2.014102u 氚核的質(zhì)量：mT3.016050u 氦核的質(zhì)量：m4.002603u 中子的質(zhì)量：mn=1.008665u 求：上面核反應(yīng)放出的能量，及平均每個核子釋放的能量？二.核聚變典例-氫彈已知：氘核的質(zhì)量：mD2.014102三.核聚變典例-太陽（一）質(zhì)子循環(huán)（二）碳氮循環(huán)兩種循環(huán)本質(zhì)：氫核聚變?yōu)楹ず巳?核聚變典例-太陽（一）質(zhì)子循環(huán)（二）碳氮循環(huán)兩種循環(huán)本質(zhì)四.輕核聚變條件及實(shí)現(xiàn)方法（一）條件：使原子核間的距離達(dá)到10-15m，why？（二）實(shí)現(xiàn)方

7、法：把聚變反應(yīng)物加熱到幾百萬開爾文，why？四.輕核聚變條件及實(shí)現(xiàn)方法（一）條件：使原子核間的距離達(dá)到1彈體引爆裝置小型原子彈三種炸藥：普通炸藥235氘、氚爆炸裂變聚變氘、氚、重氫化鉀等鈾235外殼普通炸藥五.輕核聚變應(yīng)用氫彈彈體引爆裝置小型原子彈三種炸藥：普通炸藥235氘、氚爆炸裂人教版高二物理選修35第十九章196重核的裂變197核聚變198粒子和宇宙(0429)(共58張)課件氫彈爆炸形成的磨姑云氫彈爆炸形成的磨姑云六、受控?zé)岷朔磻?yīng)1.核聚變產(chǎn)能效率高2.地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富，每升海水中就有0.03g氘3.輕核聚變更為安全清潔(一）核聚變的優(yōu)點(diǎn)（相比核裂變）(二）核聚變的難點(diǎn)地球上沒

8、有任何容器能經(jīng)受如此高的溫度！(三）解決方案1.磁約束2.慣性約束六、受控?zé)岷朔磻?yīng)1.核聚變產(chǎn)能效率高(一）核聚變的優(yōu)點(diǎn)（相比磁場約束磁場約束慣性約束慣性約束核反應(yīng)及核反應(yīng)類型高考熱點(diǎn)講透練熟命題點(diǎn)三1.核反應(yīng)的四種類型類型可控性核反應(yīng)方程典例衰變衰變自發(fā)衰變自發(fā)人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂?盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)核反應(yīng)及核反應(yīng)類型高考熱點(diǎn)講透練熟命題點(diǎn)三1.核反應(yīng)的四種人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂萍s里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時發(fā)現(xiàn)正電子重核裂變?nèi)菀卓刂戚p核聚變現(xiàn)階段很難控制人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂萍s里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時發(fā)現(xiàn)正道爾頓（原子）湯姆遜（電子）盧瑟福（質(zhì)子）查德威克（中子）蓋爾曼（

9、夸克）道爾頓（原子）湯姆遜（電子）盧瑟福（質(zhì)子）查德威克（中子）蓋核反應(yīng)及核反應(yīng)類型高考熱點(diǎn)講透練熟命題點(diǎn)三1.核反應(yīng)的四種類型類型可控性核反應(yīng)方程典例衰變衰變自發(fā)衰變自發(fā)人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂?盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)核反應(yīng)及核反應(yīng)類型高考熱點(diǎn)講透練熟命題點(diǎn)三1.核反應(yīng)的四種人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂萍s里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時發(fā)現(xiàn)正電子重核裂變?nèi)菀卓刂戚p核聚變現(xiàn)階段很難控制人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂萍s里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時發(fā)現(xiàn)正基本粒子，基本？分子原子質(zhì)子中子電子夸克子K介子介子反粒子原子核共400多種基本粒子，基本？分子原子質(zhì)子中子電子夸克子K介子介子反粒強(qiáng)子輕子媒介子作用參與強(qiáng)相

10、互作用不參與強(qiáng)相互作用傳遞各種相互作用舉例質(zhì)子，中子等電子，子光子，中間玻色子，膠子按粒子與各種相互作用的不同參與強(qiáng)相互作用不參與強(qiáng)相互作用傳遞各種相互作用質(zhì)子，電子，光強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型 下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s粲夸克 c 底夸克 b 頂夸克 t強(qiáng)子介子（夸克和反夸克組成）重子（三個夸克組成）六種夸克：強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型 下夸克 d 上夸克 u 奇夸宇宙的演化宇宙從何而來？大爆炸理論 (The Big Bang Theory)宇宙從一個“奇點(diǎn)”爆炸產(chǎn)生宇宙的演化宇宙從何而來？大爆炸理論 (The Big B 早在1929年，埃德溫哈勃作出了一個具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，即不管你往哪個方

11、向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去。換言之，宇宙正在不斷膨脹。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實(shí)上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當(dāng)時宇宙無限緊密。大爆炸宇宙論 早在1929年，埃德溫哈勃作出了一 1950年前后，伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念。這個創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習(xí)見于地球上發(fā)生在一個確定的點(diǎn)，然后向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是一種在各處同時發(fā)生，從一開時就充滿整個空間的那種爆炸，爆炸中每一個粒子都離開其它每一個粒子飛奔。事實(shí)上應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹。整個空間可以指的是整個無限的宇宙，或者

12、指的是一個就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。 大爆炸宇宙論 1950年前后，伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來，通過幾十年的努力，宇宙學(xué)家們?yōu)槲覀児串嫵鲞@樣一部宇宙歷史：大爆炸開始時 150200億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。 大爆炸后10-44秒 1032 度產(chǎn)生了夸克、輕子、膠子等粒子。 大爆炸后10-6秒 10萬億度，夸克構(gòu)成了質(zhì)子和中子等強(qiáng)子，進(jìn)入強(qiáng)子時代。 大爆炸后0.01秒 1000億度，光子、電子、中微子等輕子為主，質(zhì)子中子僅占10億分之一，進(jìn)入輕子時代。 大爆炸后13.8秒后 30億度，氘、氦類穩(wěn)定原子核（化學(xué)元素）形成。進(jìn)入

13、核合成時代。 大爆炸后30萬年后 3000度，化學(xué)結(jié)合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態(tài)物質(zhì)，并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊，直至恒星和恒星系統(tǒng)。從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來，通過幾十年的努力，恒星的演化恒星的搖籃星云人馬座礁湖星云天蛇座老鷹星云獵戶座馬頭星云麒麟座玫瑰星云獵戶座女巫星云恒星的演化恒星的搖籃星云人馬座礁湖星云天蛇座老鷹星云獵戶恒星的演化壯年期的恒星我們的太陽全天最亮恒星天狼星(其伴星是一顆白矮星)質(zhì)量不同的恒星,它們壽命的長短取決于其自身的質(zhì)量。0.2太陽質(zhì)量的恒星，為1萬億年；1 太陽質(zhì)量的恒星, 為100億年；15太陽質(zhì)量的恒星，為2000萬年

14、。恒星的演化壯年期的恒星我們的太陽全天最亮恒星天狼星(其伴恒星的演化不穩(wěn)定期紅巨星、恒星的爆發(fā) 紅巨星當(dāng)內(nèi)部氦核心被點(diǎn)燃后的恒星的爆發(fā)恒星的演化不穩(wěn)定期紅巨星、恒星的爆發(fā) 紅巨星當(dāng)內(nèi)部氦核心被而核的質(zhì)量小于144個太陽質(zhì)量，這顆恒星便可能演化成為白矮星。由于引力十分巨大，和外電子被緊密壓縮，密布在原子核周圍，處于一種超密狀態(tài), 其中一個火柴盒大小的物質(zhì), 如果能拿到地球上來, 就重達(dá)1噸左右。人馬座鉆石星，這塊鉆石直徑是4000公里，質(zhì)量2千億億億噸。太陽在70億年后，也將變成類似的鉆石。恒星的演化恒星的死亡（一）白矮星 而核的質(zhì)量小于144個太陽質(zhì)量，這顆恒星便可能演化成為白矮恒星的演化瞬間

15、的絢爛（二）超新星爆發(fā) 對于大質(zhì)量的恒星，由于引力巨大，氫燒完后，引力導(dǎo)致的坍縮會十分猛烈，這時，大量的能量瞬間爆發(fā)出來，恒星的亮度瞬間爆增上千萬倍，乃至上百億倍，這就是超新星爆發(fā)。一顆超新星在爆發(fā)時輸出的能量可高達(dá)1043焦，這幾乎相當(dāng)于我們的太陽在100億年時間里輸出能量的總和。超新星爆發(fā)時，拋射物質(zhì)的速度可達(dá)107m/s，超新星并不是新的星，而是恒星死亡的綻放。金牛座蟹狀星云是1054年爆發(fā)超新星的遺骸大麥哲倫星云1987A超新星恒星的演化瞬間的絢爛（二）超新星爆發(fā) 對于大質(zhì)量的恒星，恒星的演化恒星的死亡（三）中子星 超新星爆發(fā)后，如果剩下的核的質(zhì)量在1442個太陽質(zhì)量之間。巨大的引力使

16、得電子被壓入原子核，整個恒星成為一個中子球，依靠中子的泡利不相容原理產(chǎn)生的簡并壓力對抗引力。它的直徑只有10千米左右，其密度特別大，1立方厘米可達(dá)1億噸以上，自轉(zhuǎn)特別快。白矮星、地球和中子星大小的比較恒星的演化恒星的死亡（三）中子星 超新星爆發(fā)后，如果剩下恒星的演化恒星的死亡（四）黑洞 質(zhì)量更大的致密天體，中子的簡并壓力不足以抗衡引力，這個天體還要坍縮 , 它坍縮的結(jié)果會變成一種非常特殊的比中子星更致密的天體其體積無限被壓縮，以致其第二宇宙速度超過光速，光也無法從其內(nèi)部逃出，所以叫黑洞。正在吞噬恒星的黑洞的想象圖錢德拉望遠(yuǎn)鏡拍攝黑洞攻擊星系照片恒星的演化恒星的死亡（四）黑洞 質(zhì)量更大的致密天體

17、，【習(xí)題鞏固】【1】核裂變【習(xí)題鞏固】【1】核裂變(2019湖南婁底市第二次模擬)在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，一個靜止的放射性原子核( )發(fā)生了一次衰變.放射出的粒子( )在與磁場垂直的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動，其軌道半徑為R.以m、q分別表示粒子的質(zhì)量和電荷量，生成的新核用Y表示，如圖4.下列說法正確的是圖4【2】衰變(2019湖南婁底市第二次模擬)在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場D.發(fā)生衰變后產(chǎn)生的粒子與新核Y在磁場中運(yùn)動的軌跡正確的是圖丙D.發(fā)生衰變后產(chǎn)生的粒子與新核Y在磁場中運(yùn)動的軌跡正確的是人教版高二物理選修35第十九章196重核的裂變197核聚變198粒子和宇宙(0429)(共58張)課件由質(zhì)

18、能方程得：Emc2由質(zhì)能方程得：Emc2由動量守恒可知，衰變后粒子與新核Y運(yùn)動方向相反，所以，軌跡圓應(yīng)外切，由圓周運(yùn)動的半徑公式R 可知，粒子半徑大，由左手定則可知題圖丁正確，故D錯誤.由動量守恒可知，衰變后粒子與新核Y運(yùn)動方向相反，所以，軌跡3.(2019福建龍巖市3月質(zhì)量檢查)兩個氘核以相等的動能Ek對心碰撞發(fā)生核聚變，核反應(yīng)方程為 ，其中氘核的質(zhì)量為m1，氦核的質(zhì)量為m2，中子的質(zhì)量為m3.假設(shè)核反應(yīng)釋放的核能E全部轉(zhuǎn)化為動能，下列說法正確的是A.核反應(yīng)后氦核與中子的動量相同B.該核反應(yīng)釋放的能量為E(m1m2m3)c2C.核反應(yīng)后氦核的動能為D.核反應(yīng)后中子的動能為3.(2019福建龍巖市3月質(zhì)量檢查)兩個氘核以相等的動能解析核反應(yīng)前兩氘核動量和為零，因而核反應(yīng)后氦核與中子的動量等大反向，故A錯誤；該核反應(yīng)釋放的能量E(2m1m2m3)c2，故B錯誤；解析核反應(yīng)前兩氘核動量和為零，因而核反應(yīng)后氦核與中子的動量4.(2019天津卷6)如圖2，我國核聚變反應(yīng)研究大科學(xué)裝置“人造太陽”2018年獲得重大突破，等離子體中心電子溫度首次達(dá)到1億攝氏度，為人類開發(fā)利用核聚變能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ).下列關(guān)于聚變的說法正確的是圖2A.核聚變比核裂變更為安全、清潔B.任何兩個原子核都可以發(fā)生聚變C.兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較