物理讲座11核物理学.ppt

物理讲座 原子核再分割——放射现象 质子的发现 中子的发现 原子核结构 例 例 半衰期 衰变知识应用 核力（强力） 核聚变和核裂变 核反应与化学反应能量比较 铀核裂变 链式反应 原子弹原理 核电站 慢中子反应堆 核聚变 氢弹 人类的希望——受控热核反应 聚变所需燃料的约束 基本粒子 新粒子的发现 粒子的物理性质 基本粒子分类 标准模型 规范粒子 夸克 物理理论的统一 证明：1u质量对应的能量为931.5MeV 碳原子质量的1/12称为 原子质量单位 ，用u表示 例 解：根据质能关系 E=mc2=1.6605×10-27×（3.0×108 ） =1.49445×10-10（J） =1.46445×10-10/1.602×10-19 =0.9315×109 =931.5MeV 1uc2=931MeV 中子的质量 =1.6749×10－27Kg 质子的质量 = 1.6726×10－27Kg 中子和质子的质量和 = 3.3475×10－27Kg 氘核的质量 = 3.3436×10－27Kg 质量差 = 0.0039×10－27Kg 放出的核能ΔE=ΔmC2=Δm/μ931MeV = (0.0039/1.6605) ×931=2.1866MeV 例 求放出的能量。 解： 中子与质子结合生成氘放出2.19MeV的能量，这能量的绝对数量并不算大，但这只是组成1个氘核所放出的能量．如果组成的是6.02×1023个（1摩尔）氘核时，放出的能量就十分可观了。与之相对照的是，使1摩的碳完全燃烧放出的能量为393.5×103J。折合为每个碳原子在完全燃烧时放出的能量只不过4eV。两者相差数十万倍。可见核能比化学能强得多。如： 1克铀相当于2500吨优质煤。 92U 235 0n 1 92U 236 92U 236 0n 1 56Ba 144 36Kr 89 1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，核发生了裂变。 哈恩 铀核裂变的产物是多种多样的，有时裂变为氙（Xe)和锶(Sr),有时裂变为钡（Ba）和氪（Kr）或者锑（Sb）和 铌（Nb），同时放出2～3个中子。铀核还可能分裂成三部分或四部分，不过这种情形比较少见。讨论其中一个裂变： 92235u+01n→3890sr+54136xe+1001n 计算可知：反应过程中质量减少了△m=0.1510u.放出核能△E= △mc2=141MeV 铀核裂变时，同时释放出2～3个中子，如果这些中子再引起其他U235核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫做链式反应。 使裂变物资能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。 核燃料存在一个临界体积。当体积大于此临界体积时，核反应将得到放大，否则链式反应将终止。临界体积对应的质量称为临界质量。例如铀的临界质量为30磅，钚的临界质量为5磅 。原子弹用控制临界体积的方法引发核链式反应。 枪式 内爆式 1942年，在奥本海默领导下出色完成美国 “曼哈顿” 计划，造出世界上第一颗原子弹。 核电站和原子弹是核裂变能的两大应用，两者机制上的差异主要在于链式反应速度是否受到控制。 核反应堆按中子能量可分为：热中子堆和快中子堆。 热中子堆：中子能量在0.1eV左右。中子能量在2ｅV左右。快中子，可以使12至16个铀238变成钚239。生产核燃料生产的比消耗的还要多，几乎可以百分之百地利用铀资源，所以各国都在积极开发，现在全世界已有几十座中小型快堆在运行。 水泥防护层 控制棒——镉棒 燃料棒—铀棒 减速剂（石墨、重水、轻水） 聚变是核裂变平均每个核子放出能量的四倍。 海水中氢与氘的原子数之比约为1:0.00015 1升海水中的氘核聚变放出的能量相当于燃烧300升汽油所放出的能量。地球上所有海水中的氘可供人类使用数百亿年。 核聚变常用氘氚（d+T）或氘氘（d+ d反应） d+T： d+d： 发生聚变的条件:要使原子核间的距离达到10-15m 实现方法:产生高温108～109 K。 普通炸药 Ｕ235 氘、氚 爆炸 裂变 聚变 弹体 引爆装置 小型原子弹 氘、氚、重氢化钾等 铀235 外壳 普通炸药 氢弹是利用原子弹实现高温的。 恐怖地氢弹爆炸 1967年6月17日，中国第一颗氢弹爆炸成功 太阳是一个巨大的热核反应堆。还能维持90亿~100亿年 受控核聚变必须具备以下3个条件： (1)足够高的点火温度，需要几千万摄氏度甚至几亿摄氏度的高温； (2)反应装置中的气体密度要很低，相当于常温常压下气体密度的几万分之一； (3)充分约束，能量的约束时间要超过1秒钟。