2023學(xué)年完整公開課版核能（上課）

第四章核能授課：鄭毅第1節(jié)核力與核能

原子核的組成中子質(zhì)子原子核的線度約10－14m一、核力與核的穩(wěn)定性相鄰粒子中心距離約10-15m

原子核的半徑約為10-15m,只相當(dāng)原子半徑的萬分之一。在這么小的空間里帶正電的質(zhì)子與質(zhì)子間的庫侖斥力是很大，萬有引力太小，只有庫侖力的10-36。而通常原子核是穩(wěn)定的,于是核內(nèi)還應(yīng)有另一種力把各種核子緊緊拉在一起,此力稱為核力。核力mpmp庫侖力庫侖力萬有引力萬有引力核力核子靠什么力結(jié)合成原子核？1、核力：能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一起的強(qiáng)大的力。核力：2、核力特點(diǎn)：（1）.核力是強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）的一種表現(xiàn)。

（2）.核力是短程力。（3）.核力具有飽和性。（4）.核力具有電荷無關(guān)性。核子只對相鄰的少數(shù)核子產(chǎn)生較強(qiáng)的引力，而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用。對給定的相對運(yùn)動狀態(tài)，核力與核子電荷無關(guān)。約在10-15m量級時(shí)起作用，距離為10×10-15m時(shí)核力幾乎消失，距離大于0.8×10-15m時(shí)為引力，距離小于0.8×10-15m時(shí)為斥力。*原子核中質(zhì)子與中子的比例觀察→發(fā)現(xiàn)：

自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對于較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多。為什么會這樣呢？原子核中的質(zhì)子數(shù)又稱為原子序數(shù)。周期表中比較靠后的元素對應(yīng)的原子核叫重核，靠前的叫輕核。將具有一定數(shù)目質(zhì)子和一定數(shù)目中子的一種原子稱為核素。核素圖核越來越大，有些核子間的距離越來越遠(yuǎn)。隨著距離的增加，核力與電磁力都會減小，但核力減小得更快。所以，原子核大到一定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個原子核就不穩(wěn)定了。這時(shí)，如果不再成對地增加核子，而只增加中子，中子與其他核子沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，有助于維系原子核的穩(wěn)定。由于這個原因，穩(wěn)定的重原子核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。由于核力的作用范圍是有限的，如果繼續(xù)增大原子核，一些核子間的距離會大到其間根本沒有核力的作用，這時(shí)即使再增加中子也無濟(jì)于事，這樣的核必然是不穩(wěn)定的。在宇宙演化的進(jìn)程中，各種粒子有機(jī)會進(jìn)行各種組合，但那些不穩(wěn)定的組合很快就瓦解了，只有200多種穩(wěn)定的原子核長久地留了下來。現(xiàn)在觀察到的天然放射性元素，則正在瓦解之中。由于核子間存在著強(qiáng)大的核力，所以核子結(jié)合成原子核或原子核分解為核子時(shí)，都伴隨著巨大的能量變化．可見，由于核子間存在強(qiáng)大的核力，要把原子核拆散成核子，要克服核力做功，必須吸收一定的能量。反之，根據(jù)能量守恒，核子結(jié)合成原子核時(shí)，也會放出同樣多的能量。這個能量叫做原子核的結(jié)合能。結(jié)合能可以以光子的形式放出來。二、結(jié)合能與平均結(jié)合能分解：結(jié)合：γ為光子，其能量≥2.2MeV，反應(yīng)才能發(fā)生

說明：結(jié)合能并不是由于核子結(jié)合成原子核而具有的能量，而是為把核子分開而需要的能量或者結(jié)合成原子核需要放出的能量。平均結(jié)合能：結(jié)合能與核子數(shù)之比。說明：1、平均結(jié)合能是核子結(jié)合成原子核時(shí)每個核子平均放出的能量，也是把原子核分解成自由核子時(shí)每個核子平均吸收的能量。2、平均結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，越難分離成單個核子。從圖象上看，哪一種原子的平均結(jié)合能更大？核子數(shù)原子核的平均結(jié)合能隨核子數(shù)（質(zhì)量數(shù)）的變化重核的平均結(jié)合能比中等核的平均結(jié)合能要小→容易裂變成中等質(zhì)量的核而放出能量。（重核裂變）輕核的平均結(jié)合能比稍重的核的平均結(jié)合能要小→容易聚集成較重的核而放出能量。（輕核聚變）核能的兩種釋放方法質(zhì)量虧損中子的質(zhì)量

=1.6749×10－27Kg質(zhì)子的質(zhì)量=1.6726×10－27Kg中子和質(zhì)子的質(zhì)量和=3.3475×10－27Kg氘核的質(zhì)量=3.3436×10－27Kg質(zhì)量差=0.0039×10－27Kg問題分析：質(zhì)子與中子結(jié)合成氘核前后總質(zhì)量的差異質(zhì)量虧損：原子分解為核子時(shí)，質(zhì)量增加；核子結(jié)合成原子核時(shí)，質(zhì)量減少。原子核的質(zhì)量小于組成原子核的核子的質(zhì)量之和，叫做質(zhì)量虧損。根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2核子在結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)的質(zhì)量虧損Δm，與它們在互相結(jié)合過程中放出的能量是否存在某種對應(yīng)關(guān)系呢？對質(zhì)量虧損的思考研究結(jié)果表明：以上等式確實(shí)成立，表明質(zhì)量虧損與能量變化有著密切的聯(lián)系。？有關(guān)問題的理解和注意事項(xiàng)第一.核反應(yīng)過程中:

核子結(jié)合成原子核時(shí),新核質(zhì)量小于核子的質(zhì)量(質(zhì)量虧損),同時(shí)以光子形式釋放核能;

原子核分解為核子時(shí),需要吸收一定能量,核子的總質(zhì)量大于原原子核的質(zhì)量.第二.核反應(yīng)過程中,質(zhì)量虧損時(shí),核子個數(shù)不虧損(即質(zhì)量數(shù)守恒),可理解為組成原子核后,核內(nèi)每個核子仿佛“瘦了”一些.第三.質(zhì)量虧損并非質(zhì)量消失,而是減少的質(zhì)量

m以能量形式輻射(動質(zhì)量),因此質(zhì)量守恒定律不被破壞.第四.公式ΔE=Δm·c2

的單位問題國際單位:

m用“kg”C用“m/s”ΔE用“J”常用單位:

m用“u(原子質(zhì)量單位)”1u=1.660566×10-27kgΔE用“uc2”1uc2=931MeV(表示1u

的質(zhì)量變化相當(dāng)于931MeV的能量改變)有關(guān)問題的理解和注意事項(xiàng)第五.核反應(yīng)中釋放或吸收的能量比化學(xué)反應(yīng)中釋放或吸收的能量大好幾個數(shù)量級。

當(dāng)然，2.19MeV的能量的絕對數(shù)量并不算大，但這只是組成1個氘核所放出的能量。如果組成的是6.02×1023個氘核時(shí)，放出的能量就十分可觀了。與之相對照的是，使1摩的碳完全燃燒放出的能量為393.5×103J。折合為每個碳原子在完全燃燒時(shí)放出的能量只不過4eV。若跟上述核反應(yīng)中每個原子可能放出的能量相比，兩者相差數(shù)十萬倍。典例探究反應(yīng)后氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量和。反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)不變，因而質(zhì)量不變。核子結(jié)合成核時(shí)，一定釋放核能。γ光子具有的能量為。例1（B級）.中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，同時(shí)釋放γ光子，核反應(yīng)方程是,下列說法正確的是（）為核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損

ACD2.已知中子的質(zhì)量mn=1.6749×10-27kg，質(zhì)子的質(zhì)量為mp=1.6726×10-27kg，氘核的質(zhì)量mD=3.3436×10-27kg。將一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成一個氘核，質(zhì)量減小了多少？能量減小了多少？氘核的結(jié)合能是多少？平均結(jié)合能是多少？質(zhì)量減小量:

△m=(mp+mn)-

mD=0.0039×10-27kg；能量減小量:

△E=△m

c2=3.51×10-13J=2.19×106eV；結(jié)合能:△E=△m

c2=2.19MeV；平均結(jié)合能為:△E/n=△E/2=1.10MeV。課堂練習(xí):(1)試證明，1原子質(zhì)量單位u相當(dāng)于931.50MeV的能量．1u=1.6606×10-27kg，光速c=2.9979×108m/s，1eV=1.6022×10-19J．證明：由愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2得1u對應(yīng)能量為E=mc2=1.6606×10-27×(2.9979×108)2J=1.4924×

10-10J=(1.4924×

10-10/1.6022×10-19)eV=931.50×106eV=931.50MeV第2節(jié)核裂變

[目標(biāo)定位]

1.知道核裂變的概念，知道重核裂變中能釋放出巨大的能量.2.知道什么是鏈?zhǔn)椒磻?yīng).3.會計(jì)算重核裂變過程中釋放出的能量.4.知道什么是核反應(yīng)堆．了解常用裂變反應(yīng)堆的類型．一、重核的裂變1．定義：重核用中子轟擊，分裂成質(zhì)量相近的兩部分，并釋放

的核反應(yīng)過程叫做核裂變，核裂變釋放的能量，稱為裂變能，也稱為

或

．能量核能原子能1MeV二、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)1．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：當(dāng)一個中子引起一個鈾核的裂變后，放出

，放出的

再引起其他鈾核

，且能不斷地繼續(xù)下去，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．2．發(fā)生條件 (1)有持續(xù)不斷的中子源． (2)達(dá)到

體積．2～3個中子中子裂變臨界三、裂變反應(yīng)堆1．核反應(yīng)堆：用人工的方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，能維持和控制

的裝置，叫做核反應(yīng)堆．2．組成：核反應(yīng)堆包括

、

、

.和

等部分．其中堆芯又由

、

和

.組成．核裂變堆芯中子反射層控制系統(tǒng)防護(hù)層燃料棒減速劑冷卻劑(1)燃料：

；(2)減速劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng)，采用

、

或

作減速劑；(3)控制棒：為了控制能量釋放的速度，就要想辦法減少中子的數(shù)目，采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法，利用鎘

的特性，就可以容易地控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度.鈾棒石墨重水普通水吸收中子強(qiáng)一、對裂變概念的理解1．核子受激發(fā)：當(dāng)中子進(jìn)入鈾235后，便形成處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核，復(fù)核中由于核子的激烈運(yùn)動，使核變成不規(guī)則的形狀．2．核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時(shí)放出2～3個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進(jìn)行下去，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．小試牛刀答案D

解析：重核的平均結(jié)合能小于中等質(zhì)量核的平均結(jié)合能，即將重核分成核子時(shí)比中等質(zhì)量核分成核子時(shí)每個核子平均吸收的能量小些（即原來擁有的能量大，需要的能量就?。梢娪芍睾肆炎兂蓛蓚€中等質(zhì)量的核要放出能量，選項(xiàng)D正確；鈾核裂變放出的能量是原子核的核能，而不是中子具有的動能，選項(xiàng)A錯誤；裂變過程遵守質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒規(guī)律，B錯誤；衰變是自發(fā)的現(xiàn)象，鈾核衰變后的新核仍是重核，而核電站利用的是裂變核能，選項(xiàng)C錯誤．借題發(fā)揮

重核裂變的實(shí)質(zhì)(1)重核裂變是中子轟擊質(zhì)量數(shù)較大的原子核，使之分裂成中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)釋放大量的能量，放出更多的中子的過程．(2)重核的裂變是放能核反應(yīng)，原因是核反應(yīng)前后質(zhì)量有虧損，根本原因是重核的平均結(jié)合能相比中等質(zhì)量的核的平均結(jié)合能要?。栽谥睾朔纸鉃閮蓚€中等質(zhì)量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時(shí)得到的能量．二、裂變反應(yīng)中釋放核能的計(jì)算【例2】

一個鈾235原子俘獲一個中子后，裂變?yōu)殡?39和鍶94，同時(shí)放出三個中子．(1)寫出核反應(yīng)方程并計(jì)算出一個鈾核裂變時(shí)釋放的核能．已知mU＝235.04394u，mXe＝138.91844u，mSr＝93.91557u，mn＝1.008665u.(2)計(jì)算1kg鈾完全裂變可釋放出的能量，其相當(dāng)于多少熱值為2.93×107J/kg的煤完全燃燒時(shí)放出的熱量？

借題發(fā)揮

裂變過程中質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒．由愛因斯坦質(zhì)能方程得釋放的核能ΔE＝Δmc2.鈾的摩爾質(zhì)量為235g/mol,1mol鈾含6.02×1023個鈾核，1kg鈾完全裂變可釋放的能量，等于各個鈾核所釋放能量的總和．第3節(jié)核聚變

第4節(jié)核能的利用和環(huán)境保護(hù)

[目標(biāo)定位]

1.了解聚變反應(yīng)的特點(diǎn)及其條件.2.了解可控?zé)岷朔磻?yīng)及其研究和發(fā)展.3.了解核電站的構(gòu)造和基本原理，了解核武器的種類.4.了解核能利用的優(yōu)勢、危害及其防護(hù)措施．一、輕核聚變1．定義：輕核聚合成

引起結(jié)合能變化的核反應(yīng)，稱為輕核聚變．2．核反應(yīng)舉例

.3．能量變化：輕核聚變后，平均結(jié)合能

，反應(yīng)中會

能量．較重核增加釋放二、可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)1．熱核聚變反應(yīng)的條件：必須使原子核的距離達(dá)到

m以下，使核具有足夠的

，輕核才能夠發(fā)生聚變．2．約束聚變材料的方法：

、

、

．三、核能的利用與環(huán)境保護(hù)1．核電站，是利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是

，核電站就是將反應(yīng)堆釋放的

能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電廠．10－15動能引力約束磁約束慣性約束核反應(yīng)堆核2．核武器原子彈和氫彈是眾所周知的兩種核武器．(1)原子彈：是一種沒有減速劑、不加控制的爆炸性

反應(yīng)裝置．(2)氫彈：是一種靠

、不需人工控制而實(shí)現(xiàn)

的反應(yīng)裝置．鏈?zhǔn)綉T性約束聚變3．核能的優(yōu)勢與危害(1)優(yōu)勢：核能發(fā)電比燃煤發(fā)電的成本低；核電站對環(huán)境污染比燃煤發(fā)電小得多．(2)危害：核廢料具有高放射性.一、核聚變及核能的計(jì)算1．聚變發(fā)生的條件：要使輕核聚變，必須使輕核接近到核力發(fā)生作用的距離10－15m內(nèi)，這要克服電荷間強(qiáng)大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能．要使原子核具有足夠大的動能，就要給它們加熱，使物質(zhì)達(dá)到幾百萬開爾文的高溫．4．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別反應(yīng)方式比較項(xiàng)目重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能量大約要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)容易得多【例1】以下說法正確的是 (

)A．聚變是裂變的逆反應(yīng)B．如果裂變釋放能量，則聚變反應(yīng)必定吸收能量C．聚變須將反應(yīng)物加熱至數(shù)百萬開爾文以上的高溫，顯然是吸收能量D．裂變與聚變均可釋放巨大的能量

小試牛刀D解析A選項(xiàng)從形式上看，裂變與聚變似乎是互為逆反應(yīng)，但其實(shí)不然，因?yàn)槎叩姆磻?yīng)物和生成物完全不同．裂變是重核分裂成中等核，而聚變則是輕核聚合成為次輕核，無直接關(guān)聯(lián)，并非互為逆反應(yīng)；B選項(xiàng)既然裂變與聚變不是互為逆反應(yīng)，則在能量流向上也不必相反；C選項(xiàng)要實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，必須使參加反應(yīng)的輕核充分接近，需要數(shù)百萬開爾文的高溫提供能量．但聚變反應(yīng)一旦實(shí)現(xiàn)，所釋放的能量遠(yuǎn)大于所吸收的能量．因此，總的來說，聚變反應(yīng)還是釋放能量，故D項(xiàng)對．【例2】

一個質(zhì)子和兩個中子聚變?yōu)橐粋€氚核，已知質(zhì)子質(zhì)量mH＝1.0073u，中子質(zhì)量mn＝1.0087u，氚核質(zhì)量m＝3.0180u．求： (1)寫出聚變方程； (2)釋放出的核能多大？ (3