核能及應(yīng)用的學(xué)習(xí)教案

核能及應(yīng)用的學(xué)習(xí)教案第1頁/共31頁第一章原子結(jié)構(gòu)原子核的組成一原子的核式結(jié)構(gòu)二原子核的組成三天然放射現(xiàn)象第2頁/共31頁一、原子的核式結(jié)構(gòu)物質(zhì)是有結(jié)構(gòu)的，物質(zhì)結(jié)構(gòu)是有層次的。物質(zhì)是由分子組成的，而分子又是由原子組成的，原子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)中一個(gè)重要的層次。第3頁/共31頁一、原子的核式結(jié)構(gòu)

1897年英國物理學(xué)家湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，并第一個(gè)提出原子模型。他認(rèn)為原子中的正電荷均勻分布在整個(gè)原子球體內(nèi)，而電子則鑲嵌在其中，稱為“葡萄干布丁”式原子模型(如圖7-1所示)。第4頁/共31頁一、原子的核式結(jié)構(gòu)1911年，英籍新西蘭物理學(xué)家盧瑟福和他的學(xué)生一起做了探索原子結(jié)構(gòu)的重要實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，盧瑟福提出了原子的核式模型：原子的絕大部分空間是空的，原子中的正電荷只占據(jù)原子中很小的空間，稱為“原子核”；原子中的電子在原子核外的空間中繞核高速運(yùn)動(dòng)(如圖7-2所示)；原子核的直徑大約是原子直徑的十萬分之一，卻集中了原子的絕大部分質(zhì)量。第5頁/共31頁一、原子的核式結(jié)構(gòu)

由于盧瑟福對(duì)原子結(jié)構(gòu)研究的杰出貢獻(xiàn)，人們稱他為“原子之父”。第6頁/共31頁二、原子核的組成1932年發(fā)現(xiàn)了中子，人們這才認(rèn)識(shí)到原子核是由中子和質(zhì)子組成的（如圖7-3所示），中子不帶電，質(zhì)子帶正電。第7頁/共31頁二、原子核的組成

原子核內(nèi)有一種比質(zhì)子間的排斥力大得多的力，使質(zhì)子和中子“團(tuán)聚”在一起，這種力稱為核力。

質(zhì)子和中子是組成原子核的基本單元?，F(xiàn)代科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子和中子也有結(jié)構(gòu)。有一種假設(shè)認(rèn)為，質(zhì)子、中子等“基本粒子”都是由一種稱為“夸克”的更小的粒子組成的。第8頁/共31頁三、天然放射現(xiàn)象1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾的放射現(xiàn)象。這是人類第一次在實(shí)驗(yàn)室里觀察到原子核現(xiàn)象。1899年，人們發(fā)現(xiàn)原子核能夠放出α射線和β射線；1900年，發(fā)現(xiàn)γ射線。α射線、β射線和γ射線有可能從這些原子核中被輻射出來。第9頁/共31頁三、天然放射現(xiàn)象

1903年，盧瑟福證實(shí)了α射線是帶正電荷的氦原子，β射線是負(fù)電子，而γ射線是原子核輻射的光子，稱為γ光子。

α射線電離作用大，穿透力小，紙張就可以擋住α射線；

β射線電離作用較小，但比α射線穿透力強(qiáng)，需要用鋁板方可屏蔽；

γ射線穿透力最強(qiáng)，必須使用非常厚的鉛或混凝土才可以被有效屏蔽(如圖7-4所示)。

第10頁/共31頁三、天然放射現(xiàn)象第11頁/共31頁三、天然放射現(xiàn)象(1)放射性射線由于電離作用和穿透力，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。放射性在醫(yī)學(xué)上用于透視檢查、癌癥治療等。放射性甚至可以幫助醫(yī)生對(duì)病變進(jìn)行手術(shù)。γ射線的穿透能力比χ射線要強(qiáng)許多倍，在工業(yè)上用于工業(yè)透視、工業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)自動(dòng)控制、量度電鍍薄膜的厚度、消除靜電等。第12頁/共31頁三、天然放射現(xiàn)象(2)放射性射線的電離作用會(huì)損害生物體的細(xì)胞。當(dāng)射線進(jìn)入生物體，會(huì)使細(xì)胞中的一些分子產(chǎn)生電離，電離會(huì)改變分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，細(xì)胞的某些功能會(huì)改變，嚴(yán)重的后果是對(duì)一個(gè)細(xì)胞的DNA分子的損害。放射性對(duì)人體的生物學(xué)傷害最直接的是輻射病，會(huì)對(duì)骨髓中的紅色造血細(xì)胞和腸道壁細(xì)胞造成損害。放射性對(duì)人體長期的損害有兩種，一種是產(chǎn)生癌變，另一種是產(chǎn)生基因突變。

第13頁/共31頁第二章核能核技術(shù)二重核裂變一核能三輕核聚變四核電站第14頁/共31頁一、核能

20世紀(jì)初，人類已經(jīng)認(rèn)識(shí)到原子核內(nèi)蘊(yùn)藏著巨大的核能?？茖W(xué)家經(jīng)過探索，發(fā)現(xiàn)了獲取核能的兩條途徑——重核的裂變和輕核的聚變。原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為“核子”。核子在組成原子核時(shí)，原子核的質(zhì)量小于組成原子核的質(zhì)子和中子的質(zhì)量，差值稱為“質(zhì)量虧損”。第15頁/共31頁一、核能愛因斯坦發(fā)現(xiàn)質(zhì)量和能量之間存在著一個(gè)簡單的關(guān)系E=mc2(c為真空中的光速)，所以原子核即使產(chǎn)生很小的質(zhì)量虧損，也會(huì)產(chǎn)生巨大的能量。質(zhì)子數(shù)Z＜20的原子核屬于質(zhì)量較輕的“輕核”，質(zhì)子數(shù)Z＞80的原子核屬于質(zhì)量較重的“重核”，當(dāng)重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)中等質(zhì)量的核，或者兩個(gè)輕核聚變?yōu)橐粋€(gè)中等質(zhì)量的核，都會(huì)釋放出巨大的能量。第16頁/共31頁二、重核裂變

1939年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用中子轟擊鈾時(shí)，鈾原子核可以分裂成質(zhì)量大致相等的兩個(gè)原子核，這種現(xiàn)象稱為“核裂變”(如圖7-5所示)。

第17頁/共31頁二、重核裂變第18頁/共31頁二、重核裂變

實(shí)驗(yàn)表明，鈾核發(fā)生裂變時(shí)，除了釋放能量外，每個(gè)鈾核同時(shí)還會(huì)放出2～3個(gè)中子。這些中子又能使其他鈾核發(fā)生裂變，這個(gè)過程會(huì)不斷地進(jìn)行，這種現(xiàn)象叫做“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”。如果對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不加控制，就會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的裂變，能量迅速增大，以致引起威力巨大的爆炸。這就是原子彈的工作原理。第19頁/共31頁二、重核裂變

1964年10月16日，中國第一顆原子彈成功爆炸(如圖7-6所示)。如果對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行控制，就可以利用核裂變能量為人類提供服務(wù)。第20頁/共31頁三、輕核聚變科學(xué)家們?cè)趯?duì)核反應(yīng)的研究中還發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)較輕的原子，如氘和氚等聚合成一個(gè)較重的原子核時(shí)，也可以釋放出大量的能量。這種現(xiàn)象稱為“核聚變”。核聚變必須在高溫及高壓條件下才能實(shí)現(xiàn)，所以稱為“熱核反應(yīng)”。氫彈就是依據(jù)“熱核反應(yīng)”原理制造的。第21頁/共31頁三、輕核聚變1967年6月17日，中國第一顆氫彈爆炸成功(如圖7-7所示)。第22頁/共31頁三、輕核聚變

要實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷朔磻?yīng)，最有希望的可能是環(huán)流器，又稱托克馬克(Tokamak)。我國自行設(shè)計(jì)制造的世界上第一座全超導(dǎo)托克馬克裝置(EAST)(如圖7-8所示)已于2006年9月在中國科學(xué)院等離子體物理研究所竣工驗(yàn)收，并開始實(shí)驗(yàn)。第23頁/共31頁三、輕核聚變

熱力學(xué)第一定律物體的熱力學(xué)能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做功的和。在熱力學(xué)第一定律中，如果外界向物體傳遞熱量或?qū)λ龉?，則Q為正或W為正；如果物體向外界傳遞熱量或?qū)ν庾龉Γ瑒tQ為負(fù)或W為負(fù)。不論Q和W是正還是負(fù)，其變化量總是等于二者之和。第24頁/共31頁四、核電站

反應(yīng)堆是核能裝置的核心。核反應(yīng)堆按用途可分為艦船推進(jìn)、發(fā)電、供熱的動(dòng)力堆、生產(chǎn)裂變材料的生產(chǎn)堆、做材料和燃料輻照試驗(yàn)用的試驗(yàn)堆等。核反應(yīng)堆是裝配了核燃料并實(shí)現(xiàn)可控裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置，裂變反應(yīng)堆系統(tǒng)一般由核燃料元件、控制棒及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、慢化劑、冷卻劑，以及堆內(nèi)結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成的堆芯組成。第25頁/共31頁四、核電站調(diào)節(jié)中子反應(yīng)的材料做成控制棒，通過專門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)控制棒插入燃料組件的深度，以控制反應(yīng)堆的反應(yīng)，緊急情況下可以由控制棒材料大量吸收中子，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無法維持而中止。第26頁/共31頁四、核電站為了防護(hù)中子、射線和熱輻射，必須在反應(yīng)堆外和輔助設(shè)備周圍設(shè)置屏蔽，對(duì)射線的屏蔽通常選擇鋼、鉛、普通混凝土和重混凝土。來自反應(yīng)堆的射線強(qiáng)度很高，被屏蔽體吸收后會(huì)發(fā)熱，因此緊靠屏蔽層常有冷卻系統(tǒng)。第27頁/共31頁四、核電站

核電站將核反應(yīng)堆內(nèi)所產(chǎn)生的熱能引出到外部設(shè)備，并高效率轉(zhuǎn)換成電能。如圖7-9所示。第28頁/共31頁四、核電站

根據(jù)核反應(yīng)堆所使用的使中子減速的減速劑和熱能載熱劑，目前各國使用的核反應(yīng)堆可以分為