1、第8章核能及其应用8.1原 子 结 构8.1.1汤姆逊的原子结构模型 1897年，英国物理学家汤姆逊（18561940，见图8-1）通过对阴极射线的研究发现了电子，并证明了电子是原子的组成部分。电子是带负电的，而原子是中性的，可见原子内部还有带正电的物质。这些带正电的物质和带负电的电子是怎样构成原子的，就成了当时物理学家们最关心的问题之一。图8-18.1原 子 结 构8.1.1汤姆逊的原子结构模型 1903年，汤姆逊综合他的实验结果，提出了原子结构枣糕模型假说。他设想原子中的正电荷是均匀地分布在整个原子球体中，而电子却像枣糕中的枣那样镶嵌在原子中，如图8-2所示。该模型虽然能解释原子为何呈现中
2、性等现象，但不久就被新的实验事实否定了。图8-28.1原 子 结 构8.1.2卢瑟福的原子核式结构模型 19091911年，英国物理学家卢瑟福（18711937）做了用粒子轰击金箔的实验。他通过实验发现，绝大多数粒子穿过金箔片后仍沿原来的方向前进，只有少数粒子发生大角度的偏转，极少数粒子的偏转角度几乎达到180，如图8-3所示。图8-38.1原 子 结 构8.1.2卢瑟福的原子核式结构模型 卢瑟福通过对粒子散射实验结果的仔细研究，提出了原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，称为原子核；原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内，带负电的电子在核外空间绕着原子核旋转（见图8-4）；
3、原子核所带的正电荷数等于核外的电子数，整个原子是电中性的。图8-48.1原 子 结 构8.1.2卢瑟福的原子核式结构模型 根据这个模型，可以很好地解释粒子的散射现象：大多数粒子穿过原子时，离原子核的距离都相当远，原子核对它们的作用力很小，因此，它们仍然可以沿直线前进；少数粒子在穿过原子时，离原子核的距离较近，原子核对它们的排斥力较大，因此使它们发生偏转。偏转角度大的粒子极少，那是因为原子核非常小，粒子非常接近原子核的情形很不容易发生。8.1原 子 结 构8.1.2卢瑟福的原子核式结构模型 根据粒子散射实验的数据，可以估算出原子核的半径为10-1510-14 m，而原子的半径约为10-10 m，
4、即原子核的半径只相当于原子半径的万分之一，原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一。如果把原子放大成一座能容纳万人的体育馆，那么原子核只相当于一个乒乓球。8.1原 子 结 构8.1.3原子核的组成 1919年，卢瑟福做了用镭放射出的粒子轰击氮原子核的实验。他发现某些粒子钻进了氮原子核，并把氮核内的一个粒子驱逐出来，使氮核变成一个新的原子核。为了了解这个从氮原子核里被驱逐出来的新粒子的性质，卢瑟福就在这个实验装置里加进电场和磁场，并根据它在电场和磁场中的偏转，测出了它的质量和电荷量，从而确定了这个新粒子就是氢原子核，他把它称为质子。1.质子8.1原 子 结 构8.1.3原子核的组成 1932年，
5、英国物理学家查德威克（18911974）通过实验证实了原子核内除了质子外还有中子。他先用粒子轰击铍原子，再用铍产生的穿透力极强的射线轰击氢原子和氮原子，结果打出了氢核和氮核。查德威克测量了被打出的氢核和氮核的速度，并由此推算出这种射线粒子是一种质量与质子差不多的中性粒子，将其命名为中子。2.中子8.1原 子 结 构8.1.3原子核的组成 原子核的质量等于核内质子和中子的质量之和，因质子和中子的质量几乎相等，所以原子核的质量近似等于核子质量的整数倍，即称为原子核的质量数，用A表示。因为中子不带电，所以原子核带的电荷量等于质子电荷量的整数倍，即称为原子核的电荷数，用Z表示。3.原子核的性质8.1原
6、 子 结 构8.1.3原子核的组成 原子核内的质子数等于核外的电子数。同种元素的质子数相同，中子数可以不同。质子数相同而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因而互称为同位素。若用X表示元素符号，N表示中子数，则原子的组成及粒子之间的关系可表示为3.原子核的性质8.1原 子 结 构8.1.4天然放射现象 像铀、钋、镭等物质放射出射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素。放射性元素自发地放出射线的现象称为天然放射现象。8.1原 子 结 构8.1.4天然放射现象 研究发现，放射性元素发出的射线在垂直穿过磁场时会分成三束，中间一束射线是不带电的，另两束射线分别带正电荷和负电荷，人
7、们把这三束射线分别称为射线、射线和射线，如图8-5所示。图8-58.1原 子 结 构8.1.4天然放射现象 射线是由氦原子核组成的粒子流（粒子），很容易使气体电离，使底片感光的本领也很强；但贯穿本领最弱，用一张纸就可以挡住。射线是高速电子流（粒子），其电离作用较弱，贯穿本领较强。要阻挡射线，需要用厚度大约为6 mm的铝板。射线是波长极短的电磁波（光子），其电离作用最弱，贯穿本领最大，要用几厘米厚的铅或几十厘米厚的混凝土墙才能阻挡住它。8.1原 子 结 构8.1.4天然放射现象 图8-6所示的图标是国际通用的放射性物质的标志，大家要培养对放射性物质的防范意识，尽可能地远离放射源。图8-6练习8.
8、11简述原子的核式结构。2简述射线的特性。8.1原 子 结 构8.2核能核技术8.2.1核能 20世纪初，爱因斯坦从相对论思想出发，导出了物质的能量E与其质量m、光速c之间的关系式:这就是著名的质能方程。该式说明，物体的质量和能量相对应。如果通过某种转化使物质的质量减少，也就是说产生了质量亏损，根据质能方程可知，必然有能量放出。通过转化物质的质量从其原子核释放的能量就称为核能。8.2核能核技术8.2.2重核裂变 1939年12月，德国化学家哈恩（18791968）和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击元素周期表中的第92号元素铀时，铀核发生了分裂，变成了钡、镧等一些中等质量的原子核。后来科学家们
9、把这种重原子核分裂成两个中等质量原子核的过程称为重核裂变，示意图如图8-7。图8-78.2核能核技术8.2.2重核裂变 由于一般情况下，铀核裂变时总要释放出23个中子，这些中子又会引起其他铀核的裂变，这样，裂变反应就会不断地进行下去，释放出越来越多的能量，这就是链式反应，如图8-8所示。图8-88.2核能核技术8.2.2重核裂变 铀块的体积对于产生链式反应是一个重要因素。因为原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时，可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了。能够发生链式反应的铀块的最小体积称为它的临界体积。8.2核能核技术8.2.2重核裂变 如果铀的体积超过了它的临界体积，只要有中子
10、进入铀块，便会立即引起铀核的链式反应，在极短的时间内就会释放出大量的核能，发生猛烈的爆炸。原子弹就是根据这个原理制成的。图8-9所示为原子弹爆炸图示。图8-98.2核能核技术8.2.3轻核聚变 当把某些轻核结合成质量较大的核时，能释放出比裂变更多的能量，这样的反应称为核聚变。如图8-10所示，一个氘核和一个氚核结合，聚变成一个氦核（同时放出一个中子）时，平均每个核子放出的能量比裂变反应中平均每个核子放出的能量要大34倍。图8-108.2核能核技术8.2.3轻核聚变 由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的电磁力。要使大量原子核获得足够的动能来产生聚变，就需要把它们加热到1
11、107 以上，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服相互间的电磁力发生聚变。因此，聚变反应又称热核反应。8.2核能核技术8.2.3轻核聚变 人们利用轻核聚变制造出了比原子弹威力更大的核武器氢弹。氢弹是利用原子弹爆炸产生的高温来引起热核反应的，其威力往往相当于数百个原子弹。图8-11所示为我国第一颗氢弹爆炸图示。图8-118.2核能核技术8.2.3轻核聚变 热核反应在宇宙中是很普遍的。太阳内部和许多恒星内部的温度都在1107 以上，热核反应在那里激烈地进行着。太阳每秒辐射出来的能量约为3.81026 J，就是由热核反应产生的。地球只接受了其中的二十亿分之一左右就使得地面温暖，万物得
12、以生长。8.2核能核技术8.2.3轻核聚变 核聚变能释放出巨大的能量，但目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务，就必须使核聚变在人们的控制下进行，这就是受控核聚变。实现受控核聚变具有极其诱人的前景。8.2核能核技术8.2.4核电站 图8-12所示是用浓缩铀作为核燃料，用石墨、重水或普通水作为中子的减速剂，用易于吸收中子的金属镉做控制棒而制成的核反应堆图示。当反应过于激烈时，使镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，反应速度就会慢下来。图8-128.2核能核技术8.2.4核电站 核电站是利用核裂变或核聚变反应所释放的能量产生电能的热力发电厂。核电站的结构示意图如图8-13所示。图8-138.2核能核技术 反应堆工作时，核燃料裂变释放出的核能转变为热能，使反应堆的温度升高。为了控制反应堆的温度，使它能正常工作，需要用水等流体做冷却剂，在反应堆内外循环流动，不断地带走热能。这些热能将水转变为蒸汽，蒸汽又推动蒸汽轮机发电。8.2.4核电站练习8.21简述核力发电的主要优点。2.什么是核裂变和链式反应？3.在核反应堆中，用什么方法控制核裂变的速度？8.2核能核技术 谢谢大家
