第七章 核能利用与核武器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
质能关系式或称质能联系定律。 能量和质量都是物质的属性。具有一定质量m的物 体，它的相应的能量E由相对论公式给出：
E = mc2 m = m0 /(1-(v/c)2)1/2
式中， c为真空中的光速； v为物体运动的速度； m0为物体静止时的质量。
举例: 1g质量的能量是，
E =10-3×[2.9978×108]2＝8.9868 ×1013(J)
光辐射
• 核爆炸时从温度高达数百万、几千万度的火球辐 射出来的光和热。它可造成人员皮肤烧伤、视网 膜烧伤、闪光（致）盲；如果炽热的空气被吸入 还可造成呼吸道烧伤。
冲击波
• 爆炸瞬间形成的高温火球猛烈向外膨胀、压缩周 围空气形成的高压气浪。
早期核辐射
• 早期核辐射是指核爆炸前十几秒内放出的γ射线 和中子流。前者以光速传播，后者速度也可达每 秒数千米至几千万米，两行均有很强的穿透能力。 早期核辐射能引起人员、牲畜的放射病。
△M＞０ 体系发生放能变化； △M＜０ 体系发生吸能变化。
举例：
△M(4He ) = 2M(1H )+2mn－M(4He )
= 2(1.007825+1.008665)－4.002603
= 0.030377u
3、原子核的结合能
定义：任何原子核的质量亏损总是大于零，表明由自由 核子结合成原子核时，有能量释放出来。这种表示自由 核子组成原子核所释放的能量称为原子核的结合能，用 B( Z, A )表示，根据质能联系定律和能量守恒定律有， 它与质量亏损△M( Z, A )的关系是 B( Z, A ) = △M( Z, A )C2 举例 B(4He ) = △M(4He )C2 = 0.030377 (u)×931.5(MeV/u) = 28.30 MeV
1u(原子质量单位)的能量是,
E =1.6605×10-27×[2.9978×108]2 =1.4923 ×10-10(J) = 931.5(MeV)
来自百度文库
一些粒子的能量和质量 粒 子 静止质量m0(u) 能量m0c2 (MeV)
电子 e
质子 p 中子 n
0.0005485
1.0072764 1.0086650
二、核武器
利用能自持进行的链式裂变反应或聚变反应瞬间 释放巨大能量，产生爆炸作用，并具有大规模杀伤破 坏效应的武器。 核武器一般是指由核弹头及其投掷发射系统组成 的武器系统。
核武器的威力（释放的总能量）通常用爆炸释放 相同能量的TNT炸药量来表示，称TNT当量。核武器爆 炸时释放的能量，比只装化学炸药的常规武器要大得 多。1000克铀全部裂变释放的能量相当于近2万吨TNT 炸药的威力；1000克氘完全聚变释放的能量相当于6 万吨TNT炸药的威力。 核武器爆炸不同于化学炸药爆炸，具备特有的光 辐射、强冲击波、早期核辐射、核电磁脉冲和放射性 沾等杀伤破坏作用。
放射性沾染
• 核爆炸产生的放射性沉降物质对地面、水、空气、 食品、人体、武器装备等造成的污染，称为放射 性沾染。对于暴露的人员，放射性物质的各种射 线将使其患放射病。放射性沾染通过空气、水或 食物进入人的口、鼻、体内组织，也会引起放射 病。
1、原子弹
利用235U或239Pu等重原子核的链式裂变反应原理
1945年8月6日投到日本广岛的就是一颗枪法原子弹， 代号 “小男孩”，长约2.5米，直径0.71米，重约4吨， 威力不到 2万吨TNT当量。经过改进，枪法原子弹的体 积重量已有显著缩小。 美国用于203毫米大炮的Ｗ33AＭ422核炮弹，重量 为0.11－0.12吨，直径0.203米，长度0.94米，威力仍有 1万吨TNT当量。
第七章
核能利用与核武器
核能利用与核武器
该项技术主要是利用核裂变和核聚变反应释放
出能量的原理，开发出能源或动力装置和核武器， 主要应用有： 核电站、原子弹、氢弹、中子弹和核潜艇。
一、基本原理
能量和质量的一般关系 质量亏损 原子核的结合能 原子核的比结合能 物理学家对核能利用的预言
1、能量和质量的一般关系
△M( Z, A )=ZM(1H)+(A－Z)mn－M(Z,A)
式中： Z为核电荷数 A为核质量数 M(1H) 和mn分别为氢原子和中子的质量
意义：广义的说，对于一个孤立体系的质量亏损有，
△M＝∑Mi － ∑Mf
式中：
∑Mi为体系变化前的静止质量
∑Mf为体系变化后的静止质量
根据质能联系定律和能量守恒定律有：
制成的核武器。
利用炸药实现超临界状态，利用中子源点火实
现裂变。
超临界状态的实现：枪法、内爆法
【枪法原子弹】又称压拢型原子弹，一种把2－3块处于 次临界状态的裂变装料，在炸药爆炸产生的高压推动下 迅速合拢成为超临界状态的核武器。枪法原子弹结构简 单，形状细长，但要求装较多裂变材料，利用效率较低。 裂变材料宜用铀－235，不宜用钚。因钚中含自发裂变 概率较大的钚－240， 容易使合拢速度较慢的枪法原子 弹发生过早点火，威力下降。
核电磁脉冲
• 核爆炸瞬间释放的r和X射线与周围的分子、原子 相互作用产生大量带电粒子，这些粒子高速运动， 在爆心周围形成很强的瞬时电磁场，并以波的形 式向四面八方扩散传播，这就是核电磁脉冲。核 电磁脉冲场强很高、频谱很宽，传播速度快（光 速），作用范围比光辐射、冲击波和早期核辐射 大得多。它能在导体中感生出很大的瞬时电压和 电流，干扰或破坏无防护的电子设备、电路和元 器件。
0.5110034
938.2796 939.5731
氘核 d
氚核 t 氦核 α
2.0135530
3.0155010 4.0015060
1875.628
2808.944 3727.409
2、质量亏损
定义：任何原子核的质量总是小于组成它的所有核子 的质量之和。组成某一原子核的核子质量和与该原子 核的质量之差称为原子核的质量亏损。即
4、原子核的比结合能
定义：原子核的比结合能是该原子核中每个核子的平 均结合能ε，也就是该原子核的总结合能B( Z, A )与质 量数A的比值，即
ε＝ B( Z, A ) ／A
比结合能曲线图
5、物理学家对核能利用的预言
原子核比结合能曲线的特点 曲线的形状是中间高， 两端低。说明A为50～150的中等质量的核结合得比较 紧；很轻的核和很重的核(A＞200)结合得比较松。 物理学家对核能利用的预言 一种是重核的裂变， 一个很重的原子核分裂成两个中等质量原子核，比结 合能ε由小变大，有核能释放出来；另一种是轻核的 聚变，两个很轻的原子核聚合成一个重一些的核，比 结合能ε同样由小变大，也有核能释放出来。
E = mc2 m = m0 /(1-(v/c)2)1/2
式中， c为真空中的光速； v为物体运动的速度； m0为物体静止时的质量。
举例: 1g质量的能量是，
E =10-3×[2.9978×108]2＝8.9868 ×1013(J)
光辐射
• 核爆炸时从温度高达数百万、几千万度的火球辐 射出来的光和热。它可造成人员皮肤烧伤、视网 膜烧伤、闪光（致）盲；如果炽热的空气被吸入 还可造成呼吸道烧伤。
冲击波
• 爆炸瞬间形成的高温火球猛烈向外膨胀、压缩周 围空气形成的高压气浪。
早期核辐射
• 早期核辐射是指核爆炸前十几秒内放出的γ射线 和中子流。前者以光速传播，后者速度也可达每 秒数千米至几千万米，两行均有很强的穿透能力。 早期核辐射能引起人员、牲畜的放射病。
△M＞０ 体系发生放能变化； △M＜０ 体系发生吸能变化。
举例：
△M(4He ) = 2M(1H )+2mn－M(4He )
= 2(1.007825+1.008665)－4.002603
= 0.030377u
3、原子核的结合能
定义：任何原子核的质量亏损总是大于零，表明由自由 核子结合成原子核时，有能量释放出来。这种表示自由 核子组成原子核所释放的能量称为原子核的结合能，用 B( Z, A )表示，根据质能联系定律和能量守恒定律有， 它与质量亏损△M( Z, A )的关系是 B( Z, A ) = △M( Z, A )C2 举例 B(4He ) = △M(4He )C2 = 0.030377 (u)×931.5(MeV/u) = 28.30 MeV
1u(原子质量单位)的能量是,
E =1.6605×10-27×[2.9978×108]2 =1.4923 ×10-10(J) = 931.5(MeV)
来自百度文库
一些粒子的能量和质量 粒 子 静止质量m0(u) 能量m0c2 (MeV)
电子 e
质子 p 中子 n
0.0005485
1.0072764 1.0086650
二、核武器
利用能自持进行的链式裂变反应或聚变反应瞬间 释放巨大能量，产生爆炸作用，并具有大规模杀伤破 坏效应的武器。 核武器一般是指由核弹头及其投掷发射系统组成 的武器系统。
核武器的威力（释放的总能量）通常用爆炸释放 相同能量的TNT炸药量来表示，称TNT当量。核武器爆 炸时释放的能量，比只装化学炸药的常规武器要大得 多。1000克铀全部裂变释放的能量相当于近2万吨TNT 炸药的威力；1000克氘完全聚变释放的能量相当于6 万吨TNT炸药的威力。 核武器爆炸不同于化学炸药爆炸，具备特有的光 辐射、强冲击波、早期核辐射、核电磁脉冲和放射性 沾等杀伤破坏作用。
放射性沾染
• 核爆炸产生的放射性沉降物质对地面、水、空气、 食品、人体、武器装备等造成的污染，称为放射 性沾染。对于暴露的人员，放射性物质的各种射 线将使其患放射病。放射性沾染通过空气、水或 食物进入人的口、鼻、体内组织，也会引起放射 病。
1、原子弹
利用235U或239Pu等重原子核的链式裂变反应原理
1945年8月6日投到日本广岛的就是一颗枪法原子弹， 代号 “小男孩”，长约2.5米，直径0.71米，重约4吨， 威力不到 2万吨TNT当量。经过改进，枪法原子弹的体 积重量已有显著缩小。 美国用于203毫米大炮的Ｗ33AＭ422核炮弹，重量 为0.11－0.12吨，直径0.203米，长度0.94米，威力仍有 1万吨TNT当量。
第七章
核能利用与核武器
核能利用与核武器
该项技术主要是利用核裂变和核聚变反应释放
出能量的原理，开发出能源或动力装置和核武器， 主要应用有： 核电站、原子弹、氢弹、中子弹和核潜艇。
一、基本原理
能量和质量的一般关系 质量亏损 原子核的结合能 原子核的比结合能 物理学家对核能利用的预言
1、能量和质量的一般关系
△M( Z, A )=ZM(1H)+(A－Z)mn－M(Z,A)
式中： Z为核电荷数 A为核质量数 M(1H) 和mn分别为氢原子和中子的质量
意义：广义的说，对于一个孤立体系的质量亏损有，
△M＝∑Mi － ∑Mf
式中：
∑Mi为体系变化前的静止质量
∑Mf为体系变化后的静止质量
根据质能联系定律和能量守恒定律有：
制成的核武器。
利用炸药实现超临界状态，利用中子源点火实
现裂变。
超临界状态的实现：枪法、内爆法
【枪法原子弹】又称压拢型原子弹，一种把2－3块处于 次临界状态的裂变装料，在炸药爆炸产生的高压推动下 迅速合拢成为超临界状态的核武器。枪法原子弹结构简 单，形状细长，但要求装较多裂变材料，利用效率较低。 裂变材料宜用铀－235，不宜用钚。因钚中含自发裂变 概率较大的钚－240， 容易使合拢速度较慢的枪法原子 弹发生过早点火，威力下降。
核电磁脉冲
• 核爆炸瞬间释放的r和X射线与周围的分子、原子 相互作用产生大量带电粒子，这些粒子高速运动， 在爆心周围形成很强的瞬时电磁场，并以波的形 式向四面八方扩散传播，这就是核电磁脉冲。核 电磁脉冲场强很高、频谱很宽，传播速度快（光 速），作用范围比光辐射、冲击波和早期核辐射 大得多。它能在导体中感生出很大的瞬时电压和 电流，干扰或破坏无防护的电子设备、电路和元 器件。
0.5110034
938.2796 939.5731
氘核 d
氚核 t 氦核 α
2.0135530
3.0155010 4.0015060
1875.628
2808.944 3727.409
2、质量亏损
定义：任何原子核的质量总是小于组成它的所有核子 的质量之和。组成某一原子核的核子质量和与该原子 核的质量之差称为原子核的质量亏损。即
4、原子核的比结合能
定义：原子核的比结合能是该原子核中每个核子的平 均结合能ε，也就是该原子核的总结合能B( Z, A )与质 量数A的比值，即
ε＝ B( Z, A ) ／A
比结合能曲线图
5、物理学家对核能利用的预言
原子核比结合能曲线的特点 曲线的形状是中间高， 两端低。说明A为50～150的中等质量的核结合得比较 紧；很轻的核和很重的核(A＞200)结合得比较松。 物理学家对核能利用的预言 一种是重核的裂变， 一个很重的原子核分裂成两个中等质量原子核，比结 合能ε由小变大，有核能释放出来；另一种是轻核的 聚变，两个很轻的原子核聚合成一个重一些的核，比 结合能ε同样由小变大，也有核能释放出来。