中職物理 第7章

第7章核能及其應用簽到掃碼下載文旌課堂APP掃碼簽到（2022.3.2515:00至2022.3.2515:10）簽到方式教師通過“文旌課堂APP”生成簽到二維碼，并設置簽到時間，學生通過“文旌課堂APP”掃描“簽到二維碼”進行簽到。。本章導讀3核能是人類歷史上的一項偉大發(fā)現(xiàn)。時至今日，核能已經(jīng)被廣泛應用于軍事、能源、航天等領域。核能為人類帶來了新的能源，成為人類獲取能源的重要途徑。截至2020年8月，我國共有62個核電機組，其中有47個機組裝料投入運行，分布在18座核電廠中。核電站究竟是怎樣的設施？它又是如何產(chǎn)生電能的呢？本章將帶大家學習核能、核技術相關知識。學習目標 了解原子結構。 了解放射現(xiàn)象。 了解核能、核技術及其應用。目錄Contents7.1原子結構7.2核能與核技術7.1原子結構7.1原子結構7.1.1原子結構模型1909—1911年，英國物理學家盧瑟福和他的助手們進行了粒子散射實驗，即用粒子（氦原子核）轟擊金箔片，如下圖所示。通過實驗發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)粒子穿過金箔片后仍沿原來的方向前進，只有少數(shù)粒子發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)粒子的偏轉(zhuǎn)角度幾乎達到180°。通過對實驗結果進行分析，盧瑟福提出了原子的核式結構模型：原子中的絕大部分空間是空的，原子的幾乎全部質(zhì)量都集中在原子的中心，即原子核。原子核的直徑大約是原子直徑的十萬分之一。原子中的全部正電荷都集中在原子核中，帶負電的電子在核外空間繞著原子核高速旋轉(zhuǎn)。這個模型，可以很好地解釋粒子散射現(xiàn)象：大多數(shù)粒子穿過原子時，距離原子核很遠，因此與原子核之間的作用力可忽略，它們依然可以沿原方向前進；少數(shù)粒子在穿過原子時，由于距離原子核較近，受到原子核的排斥力，導致粒子的前進方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)；而更少的粒子非常接近原子核，導致前進方向發(fā)生幾乎180°的偏轉(zhuǎn)，如下圖所示。7.1原子結構7.1原子結構7.1原子結構7.1.2原子核的組成1919年，盧瑟福用粒子轟擊氮原子核，發(fā)現(xiàn)某些粒子能夠把氮原子核中的一個粒子驅(qū)逐出來，使氮原子核變成一個新的原子核。經(jīng)過大量實驗，盧瑟福測出了這個被驅(qū)逐出來的新粒子的質(zhì)量和電荷，并將其命名為質(zhì)子。在發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的基礎上，盧瑟福進而猜想原子核內(nèi)存在不帶電的中子，這一猜想在1932年被他的學生查德威克證實。后來人們也陸續(xù)從其他原子核中打出了中子，證明中子也是原子核的組成部分。7.1原子結構質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。質(zhì)子與中子、質(zhì)子與質(zhì)子以及中子與中子之間以一種強大的核力結合在一起，如下圖所示。質(zhì)子帶正電，中子不帶電；質(zhì)子和中子的質(zhì)量幾乎相等，而原子核的質(zhì)量近似等于質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和；原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)等于核外電子數(shù)。7.1原子結構7.1.3放射現(xiàn)象能放射射線的性質(zhì)叫作物質(zhì)的放射性。具有放射性的元素叫作放射性元素。元素的這種自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象叫作天然放射現(xiàn)象。對放射性元素發(fā)出的射線進行研究，發(fā)現(xiàn)它們在垂直穿過磁場時分為3束，人們把這3束射線分別叫作射線、射線和射線，如下圖所示。1．天然放射現(xiàn)象7.1原子結構這三種射線分別具有如下特點：（1）射線是由氦原子核組成的粒子流，帶正電，其速度為光速的十分之一，穿透物質(zhì)的能力很弱，用一張紙就可以擋住，但是它具有很強的電離作用，很容易使空氣電離，也容易使底片感光。（2）射線是高速電子流，帶負電，速度接近光速，貫穿能力較強，能穿透幾毫米厚的鋁板，但是電離能力較弱。（3）射線是波長極短的電磁波，即光子，不帶電，貫穿能力最強，要幾厘米厚的鉛板或幾十厘米厚的混凝土墻才能阻擋它，其電離能力最弱。7.1原子結構人在接受微量的輻射時不會受到損傷，只有大劑量和長時間的輻射才會對人體造成傷害。度量人體所接受輻射劑量的單位是希，符號為Sv，1Sv表示1kg的人體組織吸收了1J的輻射量。目前我們所接受的輻射劑量中有82%來自自然界，18%來自人為因素。大劑量的放射性輻射會對人體和動物造成損害，甚至造成死亡。有些輻射不會立即造成損害，其損害作用可能經(jīng)過數(shù)十年才會表現(xiàn)出來。放射性輻射還能損傷生物遺傳物質(zhì)，引起基因突變和染色體畸變，使生物的一代甚至幾代受害。2．放射性輻射對生物體的影響7.1原子結構一個人一年受到的天然和人為放射性輻射的總劑量約為2mSv。在一個鋪有大理石地面的大廳，測得瞬時輻射劑量是每小時0.1μSv，而在秦山核電站反應堆安全殼旁測得的瞬時輻射劑量只有每小時0.08μSv。7.1原子結構為了防止放射性輻射對人類和自然的破壞，人們采取了以下有效的防護措施。（1）對放射性輻射進行檢測放射性輻射不能被人體感受到，但是可以用專門的儀器檢測出來。（2）安全存放放射性物質(zhì)在核電站的核反應堆外層用厚厚的水泥建筑來防止放射性物質(zhì)的外泄。（3）對放射性廢棄物進行處理對放射性廢水的處理方法主要有稀釋排放法、放置衰變法、混凝沉降法、離子變換法、蒸發(fā)法、瀝青固化法、水泥固化法、塑料固化法以及玻璃固化法等。3．放射性輻射的防護7.1原子結構課后實踐請在課后收集資料，了解物質(zhì)的放射性在醫(yī)療實踐和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要應用，以及科學家在放射性研究和應用方面所做的貢獻，并與同學們分享調(diào)查結果。7.2核能與核技術7.2核能與核技術7.2.1核能由于核子之間存在著核力，所以原子核分裂成核子或者核子結合成原子核都伴隨著能量的變化，這種能量稱為核能，又稱為原子能。愛因斯坦根據(jù)狹義相對論原理指出，物體的能量E與它的質(zhì)量m之間存在著密切的關系，即

式中，c表示光速，這就是著名的愛因斯坦質(zhì)能方程。根據(jù)質(zhì)能方程，物體的能量跟它的質(zhì)量成正比。物體的質(zhì)量增大，其能量也增大；物體的質(zhì)量減小，其能量也減小。7.2核能與核技術在核反應中，反應前所有核子的總質(zhì)量與反應后新核的總質(zhì)量之差叫作質(zhì)量虧損。核子在結合成原子核時出現(xiàn)質(zhì)量虧損，因此要釋放能量。用表示虧損的質(zhì)量，用表示釋放的能量，則有7.2核能與核技術7.2.2重核裂變1938年，物理學家哈恩和斯特拉斯曼等科學家發(fā)現(xiàn)，用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生了分裂，產(chǎn)生了鋇、鑭等一些中等質(zhì)量的原子核。后來，科學家把這種重原子核分裂成兩個中等質(zhì)量原子核的過程叫作重核裂變，簡稱裂變或核裂變。例如，用中子轟擊鈾235的原子核時，鈾核分裂成兩個中等質(zhì)量的新核，同時釋放出2～3個中子，并釋放了約200MeV的能量。1．重核裂變7.2核能與核技術由于鈾核裂變總要釋放出2～3個中子，這些中子又會引起其他的鈾核裂變，這樣，裂變反應就會不斷地進行下去，釋放出越來越多的能量，這就是鏈式反應，如右圖所示。鈾塊的體積大小是產(chǎn)生鏈式反應的重要因素。能夠產(chǎn)生鏈式反應的鈾塊的最小體積稱為鈾塊的臨界體積，相應的質(zhì)量稱為臨界質(zhì)量。2．鏈式反應7.2核能與核技術鏈式反應使核能的大規(guī)模應用成為可能。原子彈就是利用鏈式反應的原理制成的。如果鈾的體積大于臨界體積，只要有中子進入鈾塊，就會立刻引起鈾核的鏈式反應，在不到百萬分之一秒的時間內(nèi)就會釋放出驚人的核能，形成劇烈的爆炸。如右圖所示為我國第一顆原子彈在西部地區(qū)爆炸成功形成的蘑菇云。3．重核裂變的應用7.2核能與核技術原子彈爆炸時的鏈式反應速度非?？?，為了用人工方法控制鏈式反應的速度，使核能能用比較平緩的方式釋放出來，人們研制出了核反應堆。核反應堆就是用人工方法控制重核裂變并獲得核能的裝置。核反應堆是用濃縮鈾作為核燃料，用石墨、重水或普通水作為中子的減速劑，用易于吸收中子的金屬鎘制成控制棒，并用計算機自動地調(diào)節(jié)鎘棒插入反應堆的深度以控制裂變反應的快慢，促使反應堆保持一定的功率安全地工作。核電站是利用原子核裂變所釋放的能量產(chǎn)生電能的發(fā)電站。在反應堆工作時，核燃料裂變釋放出的核能轉(zhuǎn)化為熱力學能，使反應堆溫度升高。在反應堆外用水等作為循環(huán)冷卻劑控制反應堆的溫度，使其正常工作，并帶走一部分熱力學能。這些熱力學能將蒸汽發(fā)生器中的水變成蒸汽，蒸汽又推動蒸汽輪機發(fā)電，從而將核能成功轉(zhuǎn)化為電能。7.2核能與核技術核電站一般分為兩個部分：利用原子核裂變產(chǎn)生蒸汽的核島和利用蒸汽發(fā)電的常規(guī)島。核電站工作原理示意圖如下圖所示。7.2核能與核技術2019年全年，我國運行核電機組累計發(fā)電量為，約占全國累計發(fā)電量的4.88%。與燃煤發(fā)電相比，核能發(fā)電相當于減少了燃燒標準煤，減少二氧化碳排量，減少二氧化硫排量，減少氮氧化物排量。秦山核電站是我國自行設計、建造和運營管理的第一座的大型核電站，地處浙江省海鹽縣。秦山核電站工程于1985年開工，1991年并網(wǎng)發(fā)電。秦山核電站的建成發(fā)電，結束了中國大陸無核電的歷史，實現(xiàn)了零的突破，標志著“中國核電從這里起步”。秦山核電站的建成發(fā)電，標志著中國核工業(yè)的發(fā)展邁上了一個新臺階，成為我國和平利用核能的典范；使我國成為繼美、英、法、蘇聯(lián)、加拿大和瑞典之后世界上第七個能夠自主設計、建造核電站的國家。7.2核能與核技術知識角7.2核能與核技術7.2.3輕核聚變1．輕核聚變某些較輕的原子核結合成一個較重的原子核時，能釋放出大量的能量，這種現(xiàn)象叫作輕核聚變，簡稱聚變或核聚變。例如，一個氘核（含一個質(zhì)子和一個中子）和一個氚核（含一個質(zhì)子和兩個中子）結合，聚變成一個氦原子核，同時釋放出一個中子，平均每個核子放出的能量比裂變反應中平均每個核子放出的能量大3～4倍。7.2核能與核技術2．熱核反應要使輕核發(fā)生聚變，就必須使它們之間的距離小于。由于原子核都是帶正電的，要使原子核間的距離小于，必須克服原子核之間巨大的核力。為了達到這一距離要求，就必須把原子核加熱到很高的溫度。當物體達到以上的高溫時，劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能，以克服它們之間的作用力在相互碰撞時發(fā)生聚變，因此，聚變反應又叫作熱核反應。熱核反應一旦發(fā)生，就不需要外界再提供能量，僅靠自身產(chǎn)生的熱量就可以使反應進行下去。7.2核能與核技術3．輕核聚變的應用人們利用輕核聚變制造出了比原子彈威力更大的核武器——氫彈。氫彈是利用原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫來引起熱核反應的，其威力往往相當于數(shù)百個原子彈的威力。如右圖所示為我國第一顆氫彈爆炸形成的蘑菇云。7.2核能與核技術與重核裂變反應相比較，輕核聚變反應具有許多優(yōu)越性。①輕核聚變產(chǎn)能效率高。②地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富。③輕核聚變更為安全、清潔，高溫不能維持反應就能自動終止。7.2核能與核技術核聚變能夠釋放出巨大的能量，且產(chǎn)生的能量清潔、無污染。但目前人們還不能進行受控核聚變，主要是因為進行核聚變所需要的條件十分苛刻。當前面臨的主要問題有兩個：第一個問題是熱核反應的點火溫度很高，而沒有什么容器可以承受住高溫；另一個問題是不知如何約束核聚變所需的燃料，從而約束反應范圍。盡管輕核聚變的利用仍然存在不少問題，但經(jīng)過人們的不