1、第十九章第十九章 原子核原子核19.619.6重核的重核的裂变裂变19.719.7核聚变核聚变19.819.8粒子和宇宙粒子和宇宙一一.核裂变核裂变 物理学中把重核分裂成几个较轻的核时，释放出物理学中把重核分裂成几个较轻的核时，释放出核能的反应叫做核能的反应叫做核裂变（核裂变（fission)裂变后比结合能增加，裂变后比结合能增加，核子平均质量减小，质量核子平均质量减小，质量亏损，释放核能。亏损，释放核能。（哈恩（哈恩-德国）德国）19381938年底，哈恩及其助手斯特拉斯曼年底，哈恩及其助手斯特拉斯曼发现核裂变发现核裂变：用中子轰击铀核，：用中子轰击铀核，生成物中发现元素生成物中发现元素Ba
2、Ba（迈特纳迈特纳-奥地利）奥地利）（弗里施弗里施-奥地利）奥地利）理论解释理论解释哈恩发现的核裂变现象哈恩发现的核裂变现象二二.核裂变产物多样性核裂变产物多样性三三.链式反应链式反应（3 3）维持链式反应的宏观条件：维持链式反应的宏观条件：铀块纯度足够高铀块纯度足够高铀块质量（或体积）足够大铀块质量（或体积）足够大大于临界质量或体积大于临界质量或体积 2.维持链式反应的条件维持链式反应的条件（1 1）维持链式反应的微观条件：裂变放射出来的新一）维持链式反应的微观条件：裂变放射出来的新一代中子中，平均至少有一个中子又能引起新的裂变。代中子中，平均至少有一个中子又能引起新的裂变。（2 2）定义中
3、子增殖系数：）定义中子增殖系数：k此代中子总数前代中子总数;-27Um=390.3139 10kg-27nm=1.674910kg;-27Bam=234.0016 10kg-27krm=152.604710kg四四.核裂变能量释放核裂变能量释放2201EmcMeV 2010.85236MeVEMeV计算：1kg铀全部裂变，它放出的能量相当于多少千克优质煤完全燃烧时释放的能量？（标准煤热值为232416.02 10/2.55 10236/AmkgnNmolMg mol个72.93 10/Jkg242413132.55 102012.55 10201 1.6 108.2 10QMeVJJ13678
4、.2102.81028002.9310/coalQJmkgtqJkg五五.核裂变应用核裂变应用原子弹原子弹（内爆式原子弹）（内爆式原子弹）（抢式原子弹）（抢式原子弹）中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图六六.核裂变应用核裂变应用核电站核电站 核反应堆的防护措施：核反应堆的防护措施：第一道屏障第一道屏障耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块可以把可以把98%98%以上的裂变产物滞留在芯块内。以上的裂变产物滞留在芯块内。第二道屏障第二道屏障燃料元件包壳燃料元件包壳由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。第三道屏障第三道屏
5、障压力壳压力壳将燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元将燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包壳少量射线泄漏。件包壳少量射线泄漏。第四道屏障第四道屏障安全壳安全壳由由1m多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都装在安全壳中。装在安全壳中。核电站放射性气态废物和液态废物的处理：核电站放射性气态废物和液态废物的处理：采取贮存衰变等方法进行稀释，再排放到指定采取贮存衰变等方法进行稀释，再排放到指定的区域。的区域。核电站固体废物的处理：核电站固体废物的处理：先在核电站内专用的废物库暂存，然后送到人先在核电站内专用的废物库暂存，然后送到人烟稀少、地质稳定、地下水位低又
6、远离天然水烟稀少、地质稳定、地下水位低又远离天然水源的放置场永久贮存，一般要存放几百年。源的放置场永久贮存，一般要存放几百年。一一.核聚变核聚变 两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做做聚变（聚变（fusionfusion）。比结合能增加，核子平比结合能增加，核子平均质量减小，质量亏损，均质量减小，质量亏损，释放核能。释放核能。二二.核聚变典例核聚变典例-氢弹氢弹23411120HHHen已知：氘核的质量：已知：氘核的质量：mmD D2.014102u2.014102u 氚核的质量：氚核的质量：mmT T3.016050u3.016050u 氦核
7、的质量：氦核的质量：mm4.002603u4.002603u 中子的质量：中子的质量：mmn n=1.008665u=1.008665u 求：上面核反应放出的能量，及平均每个核子释放的能量？求：上面核反应放出的能量，及平均每个核子释放的能量？()0.018884uDTnm mmmm 20.01884931.5MeVEmc 17.6MeVE17.6MeV3.52MeV5oneE三三.核聚变典例核聚变典例-太阳太阳（一）质子循环（一）质子循环1120111112311233412221H+HH+e H+H2 HHeHeHeHe（二）碳氮循环（二）碳氮循环1121316713130761131146
8、1714115718151508711511247162H+e HHe HCNNCCNNOONNCHe两种循环本质：氢核聚变为氦核两种循环本质：氢核聚变为氦核1401214 H+2 e He四四.轻轻核聚变条件及实现方法核聚变条件及实现方法（一）条件：使原子核间的距离达到（一）条件：使原子核间的距离达到1010-15-15m m，whywhy？（二）实现方法：把聚变反应物加热到（二）实现方法：把聚变反应物加热到几百万开尔文，几百万开尔文，whywhy？弹体弹体引爆装置引爆装置小小型型原原子子弹弹三种炸药：三种炸药：普通炸药普通炸药235氘、氚氘、氚爆炸爆炸裂变裂变聚变聚变氘、氚、重氘、氚、重氢
9、化钾等氢化钾等铀铀235外壳外壳普通炸药普通炸药五五.轻轻核聚变应用核聚变应用氢弹氢弹氢弹爆炸形成的磨姑云氢弹爆炸形成的磨姑云1.1.核聚变产能效率高核聚变产能效率高2.2.地球上聚变燃料的储量丰富，每升海水中就有地球上聚变燃料的储量丰富，每升海水中就有0.03g0.03g氘氘3.3.轻核聚变更为安全清洁轻核聚变更为安全清洁地球上没有任何容器能经受如此高的温度！地球上没有任何容器能经受如此高的温度！1.1.磁约束磁约束2.2.惯性约束惯性约束磁场约束磁场约束惯性约束惯性约束核反应及核反应类型核反应及核反应类型高考热点讲透练熟命题命题点点三三1.核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变衰变自
10、发衰变自发人工转变人工控制(卢瑟福发现质子)(查德威克发现中子)人工转变人工控制约里奥居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子重核裂变容易控制轻核聚变现阶段很难控制道尔顿（原子）道尔顿（原子）汤姆逊（电子）汤姆逊（电子）卢瑟福（质子）卢瑟福（质子）查德威克（中子）查德威克（中子）盖尔曼（夸克）盖尔曼（夸克）核反应及核反应类型核反应及核反应类型高考热点讲透练熟命题命题点点三三1.核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变衰变自发衰变自发人工转变人工控制(卢瑟福发现质子)(查德威克发现中子)人工转变人工控制约里奥居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子重核裂变容易控制轻核聚变现阶段很难控制基本粒
11、子，基本？基本粒子，基本？分子分子原子原子质子质子中子中子电子电子夸克夸克子子K介子介子介子介子反粒子反粒子原子核原子核共共400多种多种强子强子轻子轻子媒介子媒介子作用作用参与强相参与强相互作用互作用不参与强不参与强相互作用相互作用传递各种传递各种相互作用相互作用举例举例质子，质子，中子等中子等电子，电子，子子光子，光子，中间玻色中间玻色子，胶子子，胶子按粒子与各种相互作用的不同按粒子与各种相互作用的不同强子结构的夸克模型强子结构的夸克模型 下夸克下夸克 d 上夸克上夸克 u 奇夸克奇夸克 s粲夸克粲夸克 c 底夸克底夸克 b 顶夸克顶夸克 t强子强子介子（夸克和反夸克组成）介子（夸克和反夸
12、克组成）重子（三个夸克组成）重子（三个夸克组成）六种夸克：六种夸克：宇宙的演化宇宙的演化宇宙宇宙从何而来？从何而来？大爆炸理论大爆炸理论(The Big Bang Theory)宇宙从一个宇宙从一个“奇点奇点”爆炸产生爆炸产生 早在早在1929年，埃德温年，埃德温哈勃作出了一个具有里哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约事实上，似
13、乎在大约100亿至亿至200亿年之前的某一亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开时就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每从
14、一开时就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。该理解为空间的急剧膨胀。整个空间整个空间可以指的可以指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。从从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：大爆炸开始时大爆炸开始时 150200亿年前，极小体
15、积，极高密度，亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。极高温度。大爆炸后大爆炸后10-44秒秒 1032 度产生了夸克、轻子、胶子等粒子。度产生了夸克、轻子、胶子等粒子。大爆炸后大爆炸后10-6秒秒 10万亿度，夸克构成了质子和中子等强万亿度，夸克构成了质子和中子等强子，进入强子时代。子，进入强子时代。大爆炸后大爆炸后0.01秒秒 1000亿度，光子、电子、中微子等轻亿度，光子、电子、中微子等轻子为主，质子中子仅占子为主，质子中子仅占10亿分之一，进入轻子时代。亿分之一，进入轻子时代。大爆炸后大爆炸后13.8秒后秒后 30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。进
16、入核合成时代。元素）形成。进入核合成时代。大爆炸后大爆炸后30万年后万年后 3000度，化学结合作用使中性原子度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。恒星的演化恒星的演化恒星的摇篮恒星的摇篮星云星云人马座礁湖星云人马座礁湖星云天蛇座老鹰星云天蛇座老鹰星云猎户座马头星云猎户座马头星云麒麟座玫瑰星云麒麟座玫瑰星云猎户座猎户座女巫星云女巫星云恒星的演化恒星的演化壮年期的恒星壮年期的恒星我们的太阳我们的太阳全天最亮恒星全天最亮
17、恒星天狼星天狼星(其伴星是一颗白矮星其伴星是一颗白矮星)质量不同的恒星质量不同的恒星,它们寿命的长短取决于其自身的质量。它们寿命的长短取决于其自身的质量。0.2太阳质量的恒星，为太阳质量的恒星，为1万亿年；万亿年；1 太阳质量的恒星太阳质量的恒星,为为100亿年；亿年；15太阳质量的恒星，为太阳质量的恒星，为2000万年。万年。恒星的演化恒星的演化不稳定期不稳定期红巨星、恒星的爆发红巨星、恒星的爆发 红巨星红巨星当内部氦核心被点燃后当内部氦核心被点燃后的恒星的爆发的恒星的爆发而核的质量小于而核的质量小于144个太阳质量，这颗恒星便可能个太阳质量，这颗恒星便可能演化成为演化成为白矮星白矮星。由于
18、引力十分巨大，和外电子被。由于引力十分巨大，和外电子被紧密压缩，密布在原子核周围，处于一种超密状态紧密压缩，密布在原子核周围，处于一种超密状态,其中一个火柴盒大小的物质其中一个火柴盒大小的物质,如果能拿到地球上来如果能拿到地球上来,就重达就重达1吨左右。吨左右。人马座钻石星，人马座钻石星，这块钻石直径是这块钻石直径是4000公里，质量公里，质量2千亿亿亿吨。千亿亿亿吨。太阳在太阳在70亿年后，也将变成类似的钻石。亿年后，也将变成类似的钻石。恒星的演化恒星的演化恒星的死亡（一）恒星的死亡（一）白矮星白矮星 恒星的演化恒星的演化瞬间的绚烂（二）瞬间的绚烂（二）超新星爆发超新星爆发 对于大质量的恒星
19、，由于引力巨大，氢烧完后，引力导致的坍缩会十分猛烈，这对于大质量的恒星，由于引力巨大，氢烧完后，引力导致的坍缩会十分猛烈，这时，大量的能量瞬间爆发出来，恒星的亮度瞬间爆增上千万倍，乃至上百亿倍，时，大量的能量瞬间爆发出来，恒星的亮度瞬间爆增上千万倍，乃至上百亿倍，这就是超新星爆发。一颗超新星在爆发时输出的能量可高达这就是超新星爆发。一颗超新星在爆发时输出的能量可高达1043焦，这几乎相当焦，这几乎相当于我们的太阳在于我们的太阳在100亿年时间里输出能量的总和。超新星爆发时，抛射物质的速亿年时间里输出能量的总和。超新星爆发时，抛射物质的速度可达度可达107m/s，超新星并不是新的星，而是恒星死亡
20、的绽放。，超新星并不是新的星，而是恒星死亡的绽放。金牛座蟹状星云是金牛座蟹状星云是1054年爆发年爆发超新星的遗骸超新星的遗骸大麦哲伦大麦哲伦星云星云1987A超超新星新星恒星的演化恒星的演化恒星的死亡（三）恒星的死亡（三）中子星中子星 超新星爆发后，如果剩下的核的质量在超新星爆发后，如果剩下的核的质量在1442个太阳质量之间。巨大的引个太阳质量之间。巨大的引力使得电子被压入原子核，整个恒星成为一个中子球，依靠中子的泡利不相容力使得电子被压入原子核，整个恒星成为一个中子球，依靠中子的泡利不相容原理产生的简并压力对抗引力。它的直径只有原理产生的简并压力对抗引力。它的直径只有10千米左右，其密度特
21、别大，千米左右，其密度特别大，1立方厘米可达立方厘米可达1亿吨以上，自转特别快。亿吨以上，自转特别快。白矮星、地球和中白矮星、地球和中子星大小的比较子星大小的比较恒星的演化恒星的演化恒星的死亡（四）恒星的死亡（四）黑洞黑洞 质量更大的致密天体，中子的简并压力不足以质量更大的致密天体，中子的简并压力不足以抗衡引力，这个天体还要坍缩抗衡引力，这个天体还要坍缩,它坍缩的结果会它坍缩的结果会变成一种非常特殊的比中子星更致密的天体变成一种非常特殊的比中子星更致密的天体其体积无限被压缩，以致其第二宇宙速度超过其体积无限被压缩，以致其第二宇宙速度超过光速，光也无法从其内部逃出，所以叫黑洞。光速，光也无法从其
22、内部逃出，所以叫黑洞。正在吞噬恒星的正在吞噬恒星的黑洞的想象图黑洞的想象图钱德拉望远镜拍摄钱德拉望远镜拍摄黑洞攻击星系照片黑洞攻击星系照片【习题巩固】【习题巩固】【1】核裂变】核裂变(2019湖南娄底市第二次模拟)在磁感应强度为B的匀强磁场中，一个静止的放射性原子核()发生了一次衰变.放射出的粒子()在与磁场垂直的平面内做圆周运动，其轨道半径为R.以m、q分别表示粒子的质量和电荷量，生成的新核用Y表示，如图4.下列说法正确的是图图4【2】衰变】衰变D.发生衰变后产生的粒子与新核Y在磁场中运动的轨迹正确的是图丙由质能方程得：Emc2由动量守恒可知，衰变后粒子与新核Y运动方向相反，所以，轨迹圆应外
23、切，由圆周运动的半径公式R 可知，粒子半径大，由左手定则可知题图丁正确，故D错误.3.(2019福建龙岩市3月质量检查)两个氘核以相等的动能Ek对心碰撞发生核聚变，核反应方程为 ，其中氘核的质量为m1，氦核的质量为m2，中子的质量为m3.假设核反应释放的核能E全部转化为动能，下列说法正确的是A.核反应后氦核与中子的动量相同B.该核反应释放的能量为E(m1m2m3)c2C.核反应后氦核的动能为D.核反应后中子的动能为解析核反应前两氘核动量和为零，因而核反应后氦核与中子的动量等大反向，故A错误；该核反应释放的能量E(2m1m2m3)c2，故B错误；4.(2019天津卷天津卷6)如图2，我国核聚变反
24、应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础.下列关于聚变的说法正确的是图图2A.核聚变比核裂变更为安全、清洁B.任何两个原子核都可以发生聚变C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加解析与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易发生的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据Emc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，所以核子的比结合能增加，D正确.【5】【6】【7】【8】
