原子核物理NO.7.ppt

原子能的利用 原子核的裂变 原子核的聚变 核武器 核动力 原子核的裂变 核裂变的发现 1939年，哈恩和史特拉斯曼发现：利用中子轰击U时，产物中存在Ba。随后，梅特纳和弗里什指出：U在中子的轰击下，裂变为两个中等质量核素。 1947年，钱三强和何泽惠发现了核裂变的三分裂现象，其发生几率约为二分裂的千分之三。 原子核的裂变 U分裂过程： 原子核的裂变 核裂变特征 裂变的碎块为丰中子素，因此，不可能以b+或EC方式衰变； 除中子外，其它粒子也可以诱发衰变； 伴随裂变产生的中子是实现链式反应的关键。 原子核的裂变 裂变机制 液滴模型：表面张力-库仑斥力 可裂变率：复合核的库仑能与表面能之比 原子核裂变与否取决于复合核的激发能和可裂变率。 原子核的裂变 核燃料 235U是自然界仅有的能由热中子诱发裂变的核素。 238U是只能由快中子（1MeV）诱发裂变，其主要原因是238U是偶偶核素，外来中子的结合能比较小。 原子核的裂变 Pu的生产 U分离技术是制造原子弹的关键技术 原子核的裂变 自发裂变：势垒贯穿 1940年，首次发现U的自发裂变； 230Th有可能发生自发裂变，T1.5?1017a; 235U可发生自发裂变，T=1.8?1017a; 239Pu可发生自发裂变，T=5.5?1013a; 254Cf自发裂变，T=60.5d; 259Md自发裂变，T=1.8h; 252fAm自发裂变，T=14ms; 原子核的裂变 裂变能量分配：每个235U裂变释放约200MeV 碎片的动能： 170MeV 中子的动能： 5MeV b-, g 的能量： 15MeV 中微子能量： 10MeV 一个U原子可以提供约185MeV的能量，相当于化学反应的一亿倍！！！ 一个U原子可以提供2.5中子，可以维持链式反应！！！ 原子核的裂变 临界质量：当体积太小时，中子容易逃逸，无法维持自持反应 热中子： 235U裂变的中子能量峰值为1MeV,无法维持自持反应 中子减速：重水和石墨 原子核的裂变 裂变反应堆 缓发中子： 原子核的聚变 轻核聚变 原子核的聚变 原子核的聚变 太阳能?引力约束聚变 碳循环： 原子核的聚变 质子-质子循环： 温度低于1.8x107K，质子-质子循环为主 原子核的聚变 太阳 每天燃烧5x1013吨氢，相当于3.5x1011吨的质量转化为能量； 所释放的能量相当于每秒爆炸900亿颗百万吨级的氢弹 太阳的质量： 2x1027吨； 太阳核巨变反应：引力约束等离子体； 碳循环周期： 6x106年，质子-质子循环周期： 3x109年 太阳的外层温度：6000K, 太阳的中心温度：15,000,000K 原子核的聚变 氢弹?惯性约束聚变 d+T反应截面比d+d反应大两个数量级 T的制备 氢弹方案：高效炸药+裂变原料+氘化锂 氢弹是不可控的热核反应 原子核的聚变 裂变弹的能量分配： 爆震与冲击波： 50% 热辐射： 35% 剩余辐射： 10% 早期辐射： 5% 中子弹：聚变的贡献远远大于裂变，使爆震、冲击波与热辐射部分的能量增加5-10倍。纯聚变不产生剩余辐射。 原子核的聚变 激光惯性约束聚变 在直径为0.4mm的小球内充以30-100大气压的氘氚混合气体，用强激光（1012-1014W)均匀照射，使氘氚混合气体的密度达到液体密度的一千到一万倍，温度达到108K而引发聚变。 其它惯性约束方案：电子束、重离子束惯性约束 原子核的聚变 可控聚变反应堆?磁约束聚变 采用强磁场约束高密度的等离子体，同时用电磁场对等离子体进行加热。 核武器 原子弹 利用235U或239Pu等重原子核的链式裂变反应原理制成的核武器。 利用炸药实现临界状态，利用中子源点火实现裂变。 临界状态的实现：枪法、内爆法 核武器 氢弹 利用氘、氚等轻原子核的热核聚变反应原理制成的核武器。 初级：用于提供自持热核反应条件的起爆装置。（原子核裂变） 次级：实现热核聚变反应的部分。 氢弹没有填料的限制 核武器 中子弹 能量分配： 光辐射 ~E1/2 冲击波 ~E1/3 中子与g ~lnE 中子弹的能量不能太高 中子弹是一颗小型氢弹 核武器 核试验 核试验是在预定条件下进行的核爆炸装置或核武器爆炸实验。 核试验的目的：鉴定核爆炸装置的威力和其它性能，检验理论计算及结构设计。研究核爆炸的宏观效应，为使用及防护提供依据；检验库存核武器的可靠性；改进核爆炸探测技术；研究核爆炸的和平利用等。 大气核试验