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《核裂變與核聚變》教學(xué)
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>《待分類》
2022.06.20 山西
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E=mc
2
一圖一式,指明了利用核能的途徑:裂變和聚變??醋挚赡芫筒碌搅?,裂變是重核裂成小核,聚變是輕核變成大核,當(dāng)然,大小是相對的。而且輕核一般就是指氫核。
恐怖的蘑菇云,看到蘑菇云,估計(jì)就會想到原子彈、氫彈、中子彈等等核武器。
核裂變的發(fā)現(xiàn)
德國物理學(xué)家哈恩和他的助手用中子轟擊鈾核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),生成物中有原子序數(shù)為
56的元素鋇。奧地利物理學(xué)家邁特納和弗里施對此給出了解釋:鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊。弗里施借用細(xì)胞分裂的生物學(xué)名詞,把這類核反應(yīng)定名為
核裂變(nuclear fifission)。
原子彈的核反應(yīng)方程式之一,鈾裂變的產(chǎn)物很多。這是其中一種可能反應(yīng)。
一個(gè)中子轟擊鈾核后,又可生成多個(gè)中子,生成物中的中子又可轟擊鈾核,反應(yīng)就可持續(xù)進(jìn)行下去,這叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。這就是原子彈、核電站的原理。
核反應(yīng)不同于炸藥爆炸,炸藥爆炸是化學(xué)反應(yīng),是原子外層的電子發(fā)生了變化,核反應(yīng)是原子核發(fā)生變化,但能否發(fā)生裂變與反應(yīng)的溫度無關(guān),溫度無法達(dá)到使原子核變化的程度。
臨界體積、臨界質(zhì)量
鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生需要一定的體積條件,體積太小,中子從反應(yīng)物中穿過去時(shí)碰著鈾核的概率就會降低,因此,要維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng),就需要反應(yīng)物達(dá)到一定的體積,相應(yīng)的體積對應(yīng)相應(yīng)的質(zhì)量。叫做臨界體積、臨界質(zhì)量。
有關(guān)原子彈的軼事,二戰(zhàn)時(shí)德國先于美國研制原子彈,但最終沒有研制成功,關(guān)鍵的人物——德國研制原子彈的負(fù)責(zé)人海森伯。極具爭議,研制未成功的關(guān)鍵是對原子彈所需鈾的質(zhì)量計(jì)算有誤,爭議在于是有意算錯了還是因?yàn)閿?shù)學(xué)計(jì)算能力差算錯了,但海森伯對于量子力學(xué)及原子物理學(xué)的貢獻(xiàn)是不容質(zhì)疑的。
核電站
原子彈爆炸時(shí)是不可控的,可控的裂變就使核能的和平利用成為可能,可控的關(guān)鍵是控制反應(yīng)發(fā)生的速度,就需要有使生成物中的快中子變慢的物質(zhì)和吸收生成物中中子的物質(zhì)。常用的慢化劑有石墨、重水和普通水(也叫輕水);吸收中子的鎘棒叫做控制棒。配套汽輪機(jī)就可發(fā)電。
當(dāng)然,為了安全,核電站的防核泄漏和核輻射的裝置、核廢料的處理同樣需要重視。
核聚變
從比結(jié)合能的圖象上可以看出,同樣質(zhì)量的反應(yīng)物,聚變比裂變釋放的能量要多得多。這也是氫彈威力更大的原因。能量越大,反應(yīng)條件越苛刻。如同點(diǎn)著一張紙比點(diǎn)燃一段木頭容易,但燃燒木頭釋放的熱量要多于同樣質(zhì)量的紙一樣。
要使輕核發(fā)生核聚變,必須使它們的距離達(dá)到
10
-
15
m 以內(nèi),核力才能起作用。由于
原子核都帶正電,要使它們接近到這種程度,必須克服巨大的庫侖斥力,就需要特別大的初速度,當(dāng)物質(zhì)的溫度達(dá)到幾百萬開爾文時(shí),劇烈的熱運(yùn)動使得一部分原子核具有足夠的動能,可以克服庫侖斥力,碰撞時(shí)十分接近,發(fā)生核聚變。因此,核聚變又叫熱核反應(yīng)。熱核反應(yīng)一旦發(fā)生,就不再需要外界給它能量,靠自身產(chǎn)生的熱就會使反應(yīng)繼續(xù)下去。如何達(dá)到這樣的高溫呢?利用原子彈爆炸產(chǎn)生的熱量,沒有原子彈引爆,氫彈是無法引爆的,可以抱著玩,沒事。實(shí)際上,太陽就是一個(gè)巨大的熱核聚變反應(yīng)堆,,其中
20億分之一左右的能量被地球接收。
知道了熱核聚變的反應(yīng)條件,就會想到,使聚變可控是很難辦到了,雖然反應(yīng)釋放的能量驚人,而且相比裂變,原材料很豐富,可以說取之不盡,用之不竭。但可控的能和平利用的道路還很漫長,從我上學(xué)到現(xiàn)在從教將近20年,教材中對可控聚變的描述好像就沒變,前景極其誘人,道路異常艱難。
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