自然科學概论讲义2.docVIP

第四章 核子反应与核能利用 教学目的：掌握核子反应的原理，了解核能利用的途径，理解受控核聚变的意义 教学重点：核能的概念及应用、同位素发现的意义及用途。 教学难点：核子反应的基本原理 课时分配：一、核反应的重要发现0.5课时； 二、核裂变与链式反应的实现0.5课时； 三、核裂变与链式反应的应用0.5课时； 四、受控核聚变——取之不尽的清洁能源0.5课时； 授课内容：核子反应与核能利用。 原子核的大门既已打开，一系列新发现便随之而来，其中最重要的是发现了人工放射性和开辟了利用重核裂变和轻核聚变产生巨大能量的途径。 强大的新能源——核能（即原子结构发生变化时释放出的能量），也是自然界给予人类的恩惠，它将在人类开发自然，认识自然和改造自然中扮演重要角色，它将几乎彻底地解决人类未来百亿年的能源需要。那么，怎样才能把原子核中贮藏的巨大能量释放出来呢？ 一、核反应的重要发现 1．人工放射性同位素的发现与诺贝尔奖家族 20世纪初的法国巴黎，有一所居里夫人亲手创办的原子物理研究所——巴黎镭学院。第一次世界大战前后，在这里培养出数以百计的研究原子核和放射性的人才，其中有居里夫人的助手，后来成为其女婿的弗兰德列克·约里奥。 贝克勒耳和居里夫妇发现的放射性，只存在于铀、钍、钋、镭等天然的放射性元素中。而且，随着时间的推移，由于放射性衰变规律的作用，它们会不断变为其它元素，因而这些元素在自然界越来越少了。供人们研究和应用的天然放射性元素的来源，成了一个大问题。正当科学家们为此发愁的时候，约里奥夫妇解决了这个问题。 2．费米发现用慢中子更容易制造人工放射性 人们在用α粒子轰击重元素时发现，由于重元素所含的质子数较多，所带的正电荷也就较多。而α粒子本身带两个单位正电荷，当它接近重核时要受到很大的静电斥力，很难击中重核，所以用α粒子轰击重核的实验总是能以成功。中子被发现后不久，物理学家很快意识到，不带电荷、不受静电斥力的中子，也许很容易钻入带电的原子核内。为此，人们制造了能够产生中子的中子源，用所得的中子做炮弹去轰击各种原子核，看看能不能搞出点名堂来。其中，意大利物理学家费米在罗马做出了富有成效的工作。 费米（1901-1954）是罗马一个铁路工人的儿子，21岁时就获得了物理学博士的学位。在罗马大学物理研究所工作期间，费米听说约里奥·居里夫妇用α粒子轰击一些金属，制造出人工放射性元素来，他也决定试试看。中子发现之后，费米觉得用中子来轰击，也许效果更好。他向意大利卫生局局长借了1克医疗用的镭，作为放射中子源，还自己动手做了一架盖革计数器。镭中子源能够持续不断地放出中子来，而测量受轰击后的元素发生了哪些变化时，也就很容易受到这些中子的干扰。为此，必须在轰击完成后，利用只有一分钟的间隙，把被轰击的元素试样迅速送到另一个房间进行测量。费米和他的助手就这样奔波往返，用中子把周期表上的元素，从头开始一个个轰击下来，竟然在短短的几个月，取得了了不起的成就。 费米用中子共轰击了63种元素，得到了37种放射性同位素，由于这方面的成就而获得了1938年诺贝尔物理奖。 3．放射性同位素C14—考古学家的时钟 考古学家为了去考证远古的地球及宇宙的变迁，人类及生物的进化，社会和经济的发展等事件的准确年代，除了有一些文字史料可查询外，便要用到放射性同位素C14这一特殊的计时工具了。 C14原子的原子核内有6个质子和8个中子，比一般碳原子多出两个中子。它跟其他碳原子的化学性质完全相同，只是具有放射性。当它放出特殊射线后就变成了普通的氮原子，现在的科学仪器一般能够根据测出射线的多少去得知物体内含放射性原子的多少，这样，它测定C14原子的多少，便也是轻而易举的事了。 自然界中，C14原子是从哪里来的呢？地球在太空中运行了几十亿年，它一直受着宇宙射线的冲击。宇宙射线中的绝大部分是具有很高能量的质子，当它进入了地球的大气层后，经过复杂的变化，就会变成短暂存在的自由中子。这种自由中子，如果碰巧击中一个N14（即普通氮原子，它的原子核内有7个质子和7个中子）的原子核，就会变成一个新的原子核同时还产生一个质子。这个新的原子核里有6个质子和8个中子，这便是C14原子核的来历。 在一定的条件下C14原子经过一段时间，又会从原子核里释放出一个电子而变成氮原子。并且这电子带着较高的能量以射线的形式放出，这就是C14具有放射性的原因。 放射性元素都具有一种特殊的性质，像C14原子，如果有一万个C14原子，它们并不是同时或者杂乱无章的释放出射线，而是按一定的含量和一定的时间来进行的。科学家经过测定发现：一万个C14原子，要经过5730年，才有一半变成氮原子，那么剩下的五千个C14原子中，又要经过5730年才会有五千的一半，即两千五百个C14原子变成氮原子。依此类推