第五章 原子与原子核 第五节 裂变和聚变 粤教版（2019）高中物理选择性必修第三册 原子核中蕴藏着巨大的能量，那么，怎样才能让这些能量有效释放出来从而造福人类呢？ 原子核中的质子数又称为原子序数，这是因为它与元素周期表中元素的排列序号一致。一般排在周期表前面的轻核，其质子和中子数相等(N=Z)，例如，氦4的原子核有2个质子和2个中子，硅28各有14个质子和中子.但是大多数重核是中子多于质子，例如，金197有79个质子和118个中子，铀238有92个质子和146个中子排在第83号元素铋之后的原子核不稳定，它们会自发裂变或衰变成更轻的原子核。排在第92号元素铀之后的原子核十分不稳定，很难在自然状态下存在。如第94号元素钚是人工制造出来的，主要用于核武器，目前在自然界中尚没有找到。 一、核裂变与链式反应 由原子核的比结合能随质量数的变化曲线可知，原子核的比结合能在中等质量(A=56，Fe元素)处有极大值。这意味着比铁原子核重的一个重核分裂成两个较轻的核时，会释放出能量，我们把这种核反应叫作核裂变。同样地，比铁原子核轻的两个轻核聚合成一个较重的核时，也会释放出能量，我们把这种核反应叫作核聚变。 比结合能小的重核裂变为两个较轻的原子核，为什么质量会发生亏损而释放能量？ 讨论： 【理论·探究】 一个原子核裂变所产生的能量，与日常生活的耗能相比是微不足道的。但由于物质所含的核子数目是十分巨大的，其单位质量所放出的能量也就十分惊人。为了使裂变产生的能量可以被利用，必须让一个原子核的裂变引发其他原子核发生裂变，让核裂变过程自己持续下去，源源不断地将核能释放出来(如图5-5-1所示)。这样的核反应叫作链式反应。 重核裂变的一个典型例子是铀核裂变，其反应方程如下：????????????????????????+????????????→????????????????????????+????????????????????????????+???????????????? ? 铀核裂变时，同时放出2~3个中子，有时甚至可以放出更多的中子。如果这些中子再引起其他铀235发生核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，形成链式反应。 在天然铀中，主要有两种同位素，其中99.3%是铀238，0.7%是铀235。这两种铀跟中子的作用很不相同，铀235俘获各种能量的中子时都可能发生裂变。铀238只有俘获能量大于1MeV的中子才可能发生裂变。能量低于1MeV的中子跟铀238基本上只发生弹性碰撞，不引起核反应、因此，为了使裂变的链式反应容易发生，最好是利用高浓度铀235。 铀块的体积对于产生链式反应也是一个重要因素。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最小体积叫作它的临界体积。如果铀235的体积超过了它的临界体积，只要有中子进入铀块，就会立即引起铀核的链式反应，在极短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。 二、核聚变及受控热核反应 两个轻核结合成质量较大的核，会发生核聚变，核聚变后比结合能增加，释放出大量的能量。例如，一个氘核与一个氚核结合成一个氦核（同时放出一个中子）的核反应方程为 ????????????+????????????→????????????????+???????????? ? 该过程约释放出17.6MeV的结合能。聚变时每个核子平均释放的结合能要比重核裂变时每个核子平均释放的结合能大3~4倍。 要使原子核发生聚变，必须使它们接近到?????????????????????也就是接近到核力能够发生作用的范围。由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服电荷之间强大的静电斥力。这就要把它们加热到很高的温度，使原子核具有很大的动能。理论上，物质达到一几百万摄氏度以上的高温时，小部分原子核就具有足够的动能，能够克服相互间的库仑斥力，在互相碰撞中接 ... ...
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