原子能及能量的利用.ppt

专题二 原子能及能量的利用 应用物理系 1914年，卢瑟福在华盛顿的一次演讲中说过：“我想，用另一个原子核，比如一颗α粒子，去轰击一个原子，从而改变它的核是可能的。这样做的结果，被轰击的原子将会接受另一个原子，然后分裂。”?? 1919年，卢瑟福在发射数以百万计的粒子中，观察到有几发成功地击中目标，他喜出望外。他利用镭作为机关枪，把从镭枪里射出的α粒子当子弹，朝氮元素轰击，他获得的惊人成果是产生了氧和氢！在这个实验里，他将一种元素变成别的元素，把炼金术士的古老梦想变成了现实。 他开发出一种没有料想到的丰富能源，从而向人类揭示了一种新的潜在资源。卢瑟福是第一个分裂了被认为是“不可分割”的原子核，并且部分地释放出蕴藏其中威力的人。 但是，卢瑟福却并没有看到这一切意味着核能利用时代的到来，他认为“任何想从原子蜕变中找寻能源的人，都是在空谈。”20年之后，他的这一结论于1945年7月16日被一颗原子弹轰垮了。 在1930年到1940年，依靠带有高压发生器的粒子直线加速器和回旋加速器，对原子核进行了大规模轰击，造成了许多元素的蜕变。原了核物理学家们不仅用质子和粒子进行轰击，后来还用了氘核，它是氢的一种同位素的核，叫做重氢核，于1932年被发现。 构成重氢核的氢核的不单单是一个质子，而是一个质子和一个中子。平均5000亿个氢原子中就有一个“重氢”。它同氧的化合物便是“重水”，比普通水重10%。 1932年，物理学家查德威克发现了其质量同质子相当的中性粒子，这正是1920年卢瑟福猜想原子核内可能存在的一种中性的粒子，即中子。他获1935年诺贝尔物理学奖。 1932年，海森伯和伊凡宁柯各自独立地提出了原子核是由质子和中子组成的核结构模型。由于中子不带电荷，不受静电作用的影响，可以比较自由地接近以至进入原子核，容易引起核的变化，因此，它立即被用来作为轰击原子核的理想“炮弹”。 中子的发现为核物理学开辟了一个新的纪元，它不仅使人们对原子核的组成有了一个正确的认识，而且为人工变革原子核提供了有效手段。它可以说是打开原子核奥秘的“钥匙”，在开发原子能的伟大事业中大显身手。 中子可以引起裂变链式反应，科学家们根据爱因斯坦质能公式，即E=mc2，估算出一个铀核裂变时会释放出2亿电子伏的能量，这比一个碳原子氧化成二氧化碳分子时所释放的能量（煤燃烧时的化学能）大5000万倍。 1942年，费米建成了第一个反应堆。这是人类第一次实现人工自控链式反应，开创了可控核能释放的历史。 人类探索热核聚变反应，其燃料氘可直接从海水中提取，海水相当广阔,用之不竭。 中子发现后，人们认识到各种原子都是由电子、质子和中子组成，当时把这3种粒子和光子称为基本粒子。但随着物理实验技术的提高，人们很快发现更多的基本粒子。 一.?? 原子能 1.??? 原子能和原子核的结合能? 原子核的能量不能简单地归纳为质子质量和中子质量的整数倍, 而是要是”整数”略小一些. 这是由于质子和中子间存在着强大的核力, 把质子和中子”粘”成原子核. 在形成原子核过程中, 要释放出能量. 由决定, 进而有一个质量亏损. 1.原子能和原子核的结合能 在原子核结合过程中所释放出的能量, 叫做结合能B. 其中mH是氢原子的质量, mn是中子的质量, Z为质子数, N为中子数, 是原子核为 (Z,A)的原子的质量. A=Z+N为原子核的质量数, 也叫A个”核子”. B/A: max时: A=60, B/A=8.8Mev min时: B/A=1.113Mev 向A=60 的核趋近的, 必定要释放原子能. 2.原子能的可能的释放模式  (1)原子核的衰变 . 3.核裂变和原子能 N .玻尔, 液滴模型. 中子对U235,U233 , Pu239的核进行激发、诱发裂变, 进而大量释放原子能. (中子的能量为0.025ev的中子, 称为热中子, 相当于T=293K) 链式反应(中子增殖): 原子弹爆炸的原理. 1千克的燃耗=2×104吨的TNT爆炸当量. 核裂变和原子能 1千克的燃耗=2×104吨的TNT爆炸当量. 链式反应的控制: 主要控制中子数的增长速率, 使它维持在某一个数量上, 进而释放能量的速率也放缓慢. 这是核反应堆或核电站的工作原理. 控制方式: 慢中子堆, 快中子堆. 核裂变和原子能 中子分: 缓发中子(寿命长), 瞬发中子(毫秒内蒸发出来). 维持链式反应的必要条件: 中子产生数-中子消耗数≥1 中子慢化剂: 选轻元素, 如水, 重水, 石墨. 核裂变和原子能 第二代中子的平均能量为2Mev (快中子), 可使裂变, 但打到上, 裂变几率很小, (1/500). 因此必须慢化中子.