第5章_核裂变与核聚变_473105992
裂变和聚变.ppt
对核裂变的理解
【典例1】 关于重核的裂变，下列说法正确的是 ( )． A．核裂变时释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B．重核裂变时释放出大量的能量，产生明显的质量亏 损，所以核 子数减少 C．铀核自发放出α粒子、β粒子时要释放能量，核电 站利用的就 是这一能量 D．重核的比结合能小于中等质量核的比结合能，所以重核裂变成 中等质量核时，要放出核能，有质量亏损
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解析 核电站利用的是裂变链式反应所放出的核能．原子核的衰变以 及人工核反应也要释放核能，但天然衰变进行得非常缓慢，放出的能 量也很小，且人工无法控制，实用价值不大，原子核的人工转变也放 出能量，但作为“炮弹”的粒子击中原子核的机会太少，这种做法得 不偿失．所以核能的获取主要是通过裂变或聚变的途径．比结合能是 核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量，或原子核拆解成单个 核子时每个核子平均吸收的能量．
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重核的比结合能小于中等质量核的比结合能，即将重核分成核子时比 中等质量核分成核子时每个核子平均吸收的能量小些，可见由重核裂 变成两个中等质量的核要放出能量，选项D正确．铀核裂变放出的能 量是原子核的核能，而不是中子具有的动能，选项A错误．裂变过程 遵守质量数、电荷数守恒规律，B错误．衰变是自发的现象，铀核衰 变后的新核仍是重核，而核电站利用的是裂变核能，选项C错误． 答案 D
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(2)23592U 裂变的产物及核反应方程： 23592U 裂变为锶9358Sr 和氙13954Xe，核反应方程： 10n＋23592U→9358Sr＋13954Xe＋210n. 23592U 裂变为钡14156Ba 和氪9326Kr，核反应方程： 10n＋23592U→14156Ba＋9326Kr＋310n. (3)23592U 裂变释放的能量是巨大的，裂变反应中每个核子释 放的能量约 1 MeV. (4)在不同的裂变反应中，23592U 释放的能量也不同．
《核裂变与核聚变》 讲义
《核裂变与核聚变》讲义一、引言在现代科学的领域中，核裂变与核聚变是两个极其重要的概念。
它们不仅在能源领域有着重要的应用，也在物理学、化学等多个学科中占据着关键的地位。
接下来，让我们深入了解这两个神奇的核反应过程。
二、核裂变核裂变，简单来说，就是一个重原子核分裂成两个或多个较轻原子核的过程。
这个过程的发生通常是由于外来粒子（如中子）撞击重原子核，使其变得不稳定，从而发生分裂。
以铀-235 为例，当一个中子撞击铀-235 原子核时，铀-235 会分裂成两个较小的原子核，同时释放出两到三个新的中子，并伴随着巨大的能量。
核裂变所释放的能量是相当惊人的。
在核电站中，就是利用核裂变产生的能量来发电。
核裂变的优点在于其反应过程相对容易控制，能够实现稳定的能量输出。
然而，它也存在一些不足之处。
首先，核裂变所使用的燃料（如铀、钚等）在地球上的储量有限。
其次，核裂变产生的核废料具有放射性，需要妥善处理和存放，否则会对环境和人类健康造成严重威胁。
三、核聚变核聚变则是与核裂变相反的过程，它是指两个或多个轻原子核结合成一个较重的原子核，并释放出巨大能量的过程。
最常见的核聚变反应是氢的同位素（氘和氚）聚变成氦。
核聚变的发生需要极高的温度和压力条件。
在太阳内部，由于其中心温度高达1500 万摄氏度，压力也极大，氢原子能够不断发生核聚变，从而为太阳提供持续的能量。
在地球上实现可控核聚变是一项极具挑战性的任务。
但一旦成功，核聚变将为人类带来几乎无限的清洁能源。
核聚变的优点非常显著。
首先，核聚变所使用的燃料（氘和氚）在地球上的储量丰富，几乎取之不尽。
其次，核聚变产生的放射性废物相对较少，对环境的影响较小。
然而，目前实现可控核聚变还面临着诸多技术难题。
例如，如何长时间维持高温高压的反应条件，如何有效地控制等离子体等。
四、核裂变与核聚变的比较从能量释放的角度来看，核聚变释放的能量通常比核裂变要大得多。
在燃料的可持续性方面，核聚变具有明显优势，其燃料来源丰富，而核裂变的燃料则相对有限。
核裂变与核聚变
核裂变与核聚变核裂变和核聚变是两种不同的核反应过程，分别描述了原子核的分裂和融合。
这两种反应过程在能源生产和核武器技术等领域具有重要的应用。
本文将介绍核裂变和核聚变的基本概念、过程及其在实际应用中的重要性。
一、核裂变核裂变是指重原子核在受到外部刺激或衰变过程中分裂成两个或多个较小的核片段的过程。
最典型的核裂变反应是铀-235核（U-235）受到慢中子的轰击时分裂成巴里-144核（Ba-144）和克里顿-89核（Kr-89）等两个核片段，并释放出大量能量和中子。
这种能量释放是以核能的形式，广泛应用在核电站中。
核裂变还具有重要的军事应用，即核武器。
通过控制裂变反应的进行，可以产生巨大的爆炸能量。
然而，核裂变还伴随着放射性废物的产生，对环境和人类健康造成极大危害，因此在核能的开发和使用过程中需要严格控制核材料的安全性。
二、核聚变核聚变是指两个或多个轻原子核在高温和高压条件下相互融合生成较重的原子核的过程。
在太阳和恒星内部，核聚变是主要的能量来源，通过将氢聚变成氦释放巨大的能量。
人类在进行可控核聚变的研究，目的是为了实现高效、可持续的能源供应。
研究者通过使用磁约束或惯性约束等方法，将氘和氚等氢同位素加热并高压起来。
在这样的条件下，氘和氚的原子核可以克服库伦势的排斥力，靠近足够的近距离，发生核反应并生成氦和中子等产物。
然而，实现可控核聚变仍然面临着巨大的挑战。
现有的技术复杂度和能量成本非常高，同时还面临材料的耐受性和中子的产生等问题。
然而，随着科学技术的进步和新材料的研发，可控核聚变有望成为未来清洁、高效能源的重要来源。
三、核裂变和核聚变的对比核裂变和核聚变是两种截然不同的核反应过程，其主要不同点包括以下几个方面：1. 能量释放方式：核裂变通过原子核的分裂释放能量，而核聚变通过原子核的融合释放能量。
核裂变能量释放较为剧烈，核聚变能量释放较为持续。
2. 反应物：核裂变的反应物通常是较重的原子核，如铀-235等，而核聚变的反应物通常是轻质原子核，如氢的同位素氘和氚等。
【新人教版教材】高中物理选择性必修3：第五章4 核裂变与核聚变
第五章 4 核裂变与核聚变问题？较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。
核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。
在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢？20世纪30年代，物理学家的一个重大发现改变了人类历史。
原子核在“分裂或聚合”时，会释放出惊人的能量。
核裂变的发现1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。
奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此给出了解释：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块（图5.4-1）。
弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变（nuclear fission）。
铀核裂变的产物是多样的，一种典型的铀核裂变是生成钡和氪（铀236为中间过程，不稳定），同时放出3个中子，核反应方程是23592U ＋10n →14456Ba ＋8936Kr ＋310n图 5.4-1 核裂变示意图核裂变中放出中子，数目有多有少，中子的速度也有快有慢。
以铀235为例，核裂变时产生两或三个中子。
如果这些中子继续与其他铀235发生反应，再引起新的核裂变，就能使核裂变反应不断地进行下去（图5.4-2）。
这种由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应（chain reaction ）。
铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。
原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，很有可能碰不到铀核而跑到铀块外面去，链式反应不能继续。
只有当铀块足够大时，核裂变产生的中子才有足够大的概率打中某个铀核，使链式反应进行下去。
通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
我国科学家钱三强、何泽慧夫妇于1947年在实验中发现铀核也可能分裂为三部分或四部分，其概率大约是分裂为两部分的概率的 1300 和 15 000 。
(浙江专版)新教材高中物理第5章原子核4核裂变与核聚变课件
为 +n
Kr+
Ba+
n,选项 A 正确;原子核的半衰期由
核内部自身因素决定,与原子所处的化学状态和外部条件无关,选
项B
错误;
Th
经过 1 次 β 衰变可变成 Pa,选项 C 错误;重核
裂变的过程中释放能量,所以重核分裂成中等大小的核,核子的比
(1)核子受激发:当中子进入铀235后,便形成了处于激发状态
的复核,复核中由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状。
(2)核子分裂:核子间的距离增大,因而核力迅速减弱,使得原子
核由于质子间的斥力作用而分裂成几块,同时放出2或3个中
子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变就会不断地进行
下去,释放出越来越多的核能。
提示: (1)
+n
Ba+
Kr+
n。
(2)不是。
(3)有中子轰击铀块,铀块的体积大于临界体积,这样就可以产
生链式反应。
典例剖析
钍基熔盐堆核能系统是第四代核能系统之一,其中钍基核燃
料铀由较难裂变的钍吸收一个中子后经过若干次β衰变而来。
铀的一种典型裂变产物是钡和氪。以下说法正确的是( A )
( √ )
(3)中子的速度越快,越容易发生铀核裂变。( × )
(4)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。( √ )
(5)铀核裂变的产物是钡和氪,且固定不变,同时放出三个中子。
( × )
二、反应堆与核电站
1.反应堆的构造和用途。
(1)铀棒的用途:核燃料。
(2)慢化剂:石墨、 重水 和普通水(也叫轻水)。
《核裂变与核聚变》 讲义
《核裂变与核聚变》讲义一、什么是核裂变核裂变，简单来说，就是一个重原子核分裂成两个或多个较轻原子核的过程。
这个过程会释放出巨大的能量。
我们先来了解一下原子核。
原子核是原子的核心部分，由质子和中子组成。
在某些重原子核中，它们的结构相对不稳定。
当受到外部条件的刺激，比如被一个中子撞击时，就可能发生裂变。
以铀-235 为例，当它吸收一个中子后，会变得不稳定，然后分裂成两个质量较小的原子核，同时释放出两到三个新的中子，并释放出大量的能量。
这些释放出来的中子又可以去撞击其他铀-235 原子核，引发链式反应，从而持续释放出更多的能量。
核裂变的发现具有重要的历史意义。
在 20 世纪 30 年代，科学家们通过一系列的实验和研究，逐渐揭示了这一现象。
二、核裂变的过程核裂变的过程相当复杂，但我们可以大致将其分为几个阶段。
首先是引发阶段，就是前面提到的重原子核吸收中子，变得不稳定。
然后是分裂阶段，原子核分裂成两个或多个部分，这些部分的质量和电荷分布都不同。
在分裂的同时，会释放出大量的能量，包括热能、光能、辐射能等等。
而且，还会释放出一些快速运动的粒子，比如中子、β粒子和γ射线。
三、核裂变的应用核裂变最广为人知的应用就是核电站。
核电站利用核裂变产生的能量来发电。
在核电站中，核燃料（通常是铀）被制成燃料棒，放置在反应堆中。
通过控制中子的数量和速度，来控制核裂变的反应速度，从而稳定地产生热量。
这些热量被用来加热水，产生蒸汽，驱动涡轮机转动，进而带动发电机发电。
除了发电，核裂变还在医学领域有应用，比如用于癌症的放射治疗。
通过精确控制放射性同位素的衰变和辐射，来杀死癌细胞。
然而，核裂变也存在一些问题和风险。
四、核裂变的风险与挑战首先是核废料的处理问题。
核裂变产生的核废料具有高放射性，需要妥善处理和存放，以避免对环境和人类健康造成危害。
但找到安全、长期有效的处理方法并非易事。
其次是核事故的风险。
虽然核电站在正常运行时是安全的，但如果出现故障或人为失误，可能会导致核泄漏等严重事故，造成巨大的灾难。
核裂变与核聚变课件-2022-2023学年高二下学期物理人教版(2019)选择性必修第三册
▪ 3. 简述核聚变发生的条件。
▪ 4. 有人认为,原子核内核子距离很近,因此万有引力非常大,所以原子核非常 稳定。请简要评价这一观点。
5.4 核裂变与核聚变
1. 核裂变的发现
核裂变的发现
▪ 核裂变是在1938年被时任德国柏林威廉皇家化学研究所主任的德国化学家 奥托-哈恩与合作者弗里茨-斯特拉斯曼最先确认的。
▪ 在此之前，由于意识到中子不带电荷而较容易越过核势垒与核发生作用， 有些物理学家开始了中子轰击原子核的实验研究。
▪ 意大利物理学家恩 里科・费米在1934年曾发表过用中子轰击铀核并得到一 种半衰期为13 min的放射性产物。
也可以用天然铀。 ▪ 中子减速剂主要是轻水或重水、固态石墨或液态金属，其中重水同时起冷却的作用。 ▪ 链式反应速度（及中子增值速度）的控制是依靠控制棒实现的，控制棒用硼或镉制成，它们
对快中子有很大的吸收截面，通过插入或拔出控制棒来改变反应堆中中子的增值速度。 ▪ 为防止中子的外泄，将堆芯用中子反射层包围起来，中子反射层多用石墨制成。反应中产生
作用的库仑斥力，使原子核之间的距离达到核力能发生作用的范围。要使 大量的轻核具有足够大的动能，意味着需要将它们加热到很高的温度，因 此这类聚变反应又称为热核反应。 ▪ 典型的核聚变：
▪ 氢弹就是利用核聚变的原理制造的。
▪ 两弹元勋，指为氢弹和原子弹的研究做出突出 贡献的人。主要人物有邓稼先、钱三强、赵九 章、钱学森、孙家栋等人。
▪ 1938年，法国的约里奥•居里用中子轰击铀，得到了一种半衰期为3.5 h的 放射性产物。
《核裂变和核聚变》课件
安全和环保问题
安全监管
无论是核裂变还是核聚变，都需要严格的安全监管以确保反应堆的正常运行和 事故预防。
环保要求
核能作为一种能源形式，需要符合环保要求，包括减少温室气体排放、降低能 源消耗等。
THANKS 感谢观看
与核裂变不同，核聚变不会产生有害 的放射性废料，因此被认为是清洁和 可持续的能源来源。
核聚变的发现
核聚变的研究始于20世纪初，最早由英国物理学家卢瑟福提出。
1930年代，德国科学家奥托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼发现核裂变现象，开启了原 子能研究的新篇章。
1950年代，美国科学家首次成功实现氢弹爆炸，标志着核聚变技术的实际应用。
核裂变和核聚变
• 核裂变简介 • 核聚变简介 • 核裂变和核聚变的区别 • 核裂变和核聚变的应用 • 核裂变和核聚变的争议
01 核裂变简介
核裂变的定义
核裂变是指一个重的原子核分裂 成两个或多个较轻的原子核，同
时释放出巨大能量的过程。
这个过程需要消耗一定的能量， 通常由中子撞击引发。
裂变过程中释放出的能量与质量 亏损相关，符合爱和压力下，氢原子 核（如氢和氚）相互碰撞，合并
形成氦原子核并释放能量。
这个过程需要巨大的能量输入， 因此需要特殊的装置（如托卡马 克装置）来产生和控制所需的极
端条件。
核聚变反应释放的能量是核裂变 反应的数倍，且不会产生长期放
射性废料。
03 核裂变和核聚变的区别
反应过程
核裂变
核聚变的争议
技术难题
核聚变技术目前尚未完全成熟， 实现可控的核聚变反应仍存在许 多技术难题，需要进一步研究和
探索。
资源限制
核聚变所需的燃料（如氚）相对 稀少，地球上的储量有限，这也 限制了核聚变作为能源的可行性
《核裂变与核聚变》 讲义
《核裂变与核聚变》讲义一、引言核能作为一种强大的能源形式，对于人类社会的发展具有重要意义。
核裂变和核聚变是核能利用的两种主要方式，它们的原理、特点以及应用领域各不相同。
接下来，让我们深入了解核裂变与核聚变。
二、核裂变（一）核裂变的原理核裂变，简单来说，就是一个重原子核（如铀-235 或钚-239）在吸收一个中子后分裂成两个或多个质量较小的原子核，并同时释放出大量能量和中子的过程。
例如，铀-235 吸收一个中子后会分裂成钡-141 和氪-92，同时释放出 2 3 个中子以及巨大的能量。
（二）核裂变的链式反应释放出的中子又能继续撞击其他原子核，引发新的裂变，从而形成链式反应。
要实现可控的链式反应，需要精确控制中子的数量和速度，以保证反应稳定进行。
（三）核裂变的应用1、核电站核裂变产生的能量被用于核电站，通过蒸汽轮机将热能转化为电能。
核电站能够为大量的家庭和企业提供稳定的电力供应。
2、核武器不可控的核裂变链式反应则被应用于原子弹，其具有极大的破坏力。
（四）核裂变的优点1、能量密度高少量的核燃料就能产生大量的能量。
2、技术相对成熟经过多年的发展，核裂变技术在核电站中的应用已经相对成熟。
（五）核裂变的缺点1、放射性废料核裂变会产生具有高放射性的废料，这些废料的处理和存放是一个严峻的问题。
2、资源有限可用于核裂变的燃料（如铀）在地球上的储量有限。
三、核聚变（一）核聚变的原理核聚变是指将轻原子核（如氢的同位素氘和氚）在高温、高压等极端条件下聚合成较重的原子核（如氦），同时释放出巨大能量的过程。
（二）实现核聚变的条件要实现核聚变，需要极高的温度（约一亿摄氏度以上）和极高的压力，以使原子核具有足够的动能克服彼此之间的静电排斥力，从而发生聚合。
（三）核聚变的应用目前，核聚变仍处于研究和实验阶段，但未来有望为人类提供几乎无限的清洁能源。
（四）核聚变的优点1、能量巨大核聚变释放的能量比核裂变要大得多。
2、燃料丰富核聚变的燃料（氘和氚）在海水中大量存在，几乎取之不尽。
核裂变与核聚变-2023-2024学年高二物理集体备课课件(人教版2019选择性必修第三册)
2．关于核反应的相关知识，下列说法错误的是（ D ）A．过量放射
性辐射对人体组织有破坏作用，所以辐射强度应严格控制在安全剂量
内B．核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度C．核反应堆中
存在核反应方程为
的核反应D．核裂变反应中，反
应物的结合能之和大于生成物的结92合235 U能10 n之和15464 Ba
二、反应堆与核电站
反应堆
核心设施：浓缩铀制成的铀棒
减速剂：石墨、重水或普通水， 用于减小中子的速度。
控制棒：镉棒，用于吸收中子， 控制核反应的快慢。
二、反应堆与核电站
第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核反 应放出的热使水的内能增加，水温升高，进入热交换器后， 把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆里。
02 反应堆与核电站
二、反应堆与核电站
原子核的链式反应也可以在人工控制下 进行。这样，释放的核能就可以为人类的和 平建设服务。其实，在第一个原子弹制成以 前，科学家们已经实现了核能的可控释放。
1942年，美籍意大利物理学家费米就主 持建立了世界上第一个称为“核反应堆”的 装置，首次通过可控制的链式反应实现了核 能的释放。
现聚变发电具有重要意义，下列说法正确的是（ C ）A．目前人类只能通过裂变利
用核能B．核反应只有裂变与聚变两种，α衰变也属于裂变C．地球上核聚变燃料氘 储量丰富，氚则需要制取
D．聚变反应中带正电的2 H 与3H 结合过程需通过高温克服核子间的强相互作用
【答案】C【详解】A．目前人类可以通过裂变和聚变利用核能。故A错误； B．核反应有裂变、聚变、衰变和人工转变四种，α衰变属于衰变。故B错误； C．地球上核聚变燃料氘储量丰富，氚则需要制取。故C正确；
【课件】核裂变与核聚变+课件高二下学期物理人教版(2019)选择性必修第三册
高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是没有放射性的。废 物主要是泄露的氘，高速中子，质子与其他物质反应生成的发射性物质， 比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理
原子弹
1964年10月16日中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图
练习、华能石岛湾高温气冷堆核电站是我国自主研发的世界首座
具有第四代核电特征的核电站。核反应堆是核电站的心脏，它是通
过可控链式核裂变反应来实现核能利用的。一个
U 235
92
原子核在中
子的轰击下发生裂变反应，其裂变方程为，29325U
01 n
5、链式反应 （1）定义：重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去 的过程叫链式反应。
（2）链式反应的条件： ①要有足够浓度的铀235 ②要有足够数量的慢中子 ③铀块体积大于或等于临界体积体积或裂变物质的质量大于临界质量
6、裂变反应的能量 一个铀235核裂变时释放的能量如果按200MeV估算，1kg铀235全
7、实现核聚变的方法
（1）难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。 （2）方案：科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。
（1）磁约束：带电粒子运动时在均匀
磁场中会在洛伦兹力的作用而不飞散，
利用磁场约束参加反应的物质，目前 最好的一种磁约束装置是环流器。
托卡马克（环流器）磁约束装置
（2）惯性约束：聚变物质因自身的惯 性，在极短时间内来不及扩散就完成了 核反应，在惯性约束下，用激光从各个
部发生的核聚变反应，为人类提供源源不断的清洁能源。其内部发生的
核裂变与核聚变(共17张PPT)
U 235
92
10
n
138 56
Ba
95 36
Kr
(
310 n
)
2 1
H
12
H
10
n(
3 2
He
)
226 88
Ra
222 86
Rn (
4 2
He
)
2、核反应遵循的基本规律： 质量数和电荷数都守恒
3、核反应的能量来源分析：
爱因斯坦的相对论指出,物体的能量荷质量 之间存在着密切的联系.
17.6 = 3.52MeV却是铀裂变（
23
201 235 1 = 0.852MeV）的约4倍。
1、轻核聚变的条件：
核子要距 离十分近
加热 高温
几百万度 高温
热核反应
条件、应用
➢使轻核发生聚变，必须使它们的距离十分接近，达 到10-15m的距离。 ➢为了克服巨大的库仑力，需要使原子核有极大的动 能。 ➢一般的办法是把它们加热到很高的温度。通常需要 几百万度以上的高温。
4、质能方程： ΔE＝Δmc2
一.利用核能的途径
要质量有亏损，是利用核能的先决条件。 核反应前物质的核子数和反应后的核子数相等。
要实现“反应后的质量＜反应前的质量”，如果 我们引进“核子平均质量”，则核反应前核子平均 质量比反应后的核子平均质量较大。
1938年，德国物理学家哈恩和助手斯特拉斯曼发现用
原子弹： 不可控的核反应
原子弹爆炸时的蘑菇云 “小男孩”（前）和“胖子”
三、轻核聚变
某些轻核结合成质量较大的核的核反应过 程，同时放出大量的核能。
例：
3 1
H
高中物理(新人教版)选择性必修3：核裂变与核聚变【精品课件】
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E＝mc2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，核子的比结合能增加，D正确。
1个U235发生裂变亏损质量：
Δm = (mu+ mn) - (mBa+mKr+3mn)= 0.3578×10－27kg
1个U235发生裂变释放的能量：ΔE= ∆ = ∆ × . =200.55MeV
1kg铀中含有的铀核数为：
N
1000
1000
NA
6.02 10 23 2.562 10 24
【例题4】一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一
个γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量
为h，真空中的光速为c。下列说法中正确的是（ A ）
A.这个反应的核反应方程是 21H＋31H→42He＋10n＋γ
B.这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应
2
1
H 21 H 31 H 11 H
要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15 m以内，核力才能起作用。由于
原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，
原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量原子核获得足够的动
能而发生核聚变呢？
⑴用加速器加速原子核
利用磁场来约束参加反应的物质。
托卡马克装置
中国科学院的环流器装置
⑵惯性约束
由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散
高中物理选择性必修三《核裂变与核聚变》教学课件
当堂检测
铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的
是( C )
A.铀块的质量是重要因素，与体积无关 B.为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时 产生的快中子 C.若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发 生 D.裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关
答案 C 解析 要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于临界体 积或临界质量，故选项A、D错误，C正确；铀235俘获慢 中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的几率小， 故选项B错误。
原子弹
图5.4-3是“内爆式”原子弹结构图。 核燃料一般被分成若干块放置，每块的体积 都小于临界体积。它的外部安放化学炸药， 引爆时利用化学炸药爆炸的冲击波将核燃料 压缩至高密度的超临界状态，聚心冲击波同 时压缩放在核燃料球心的中子源，使它释放 中子，引起核燃料的链式反应。其中，中子 源的四周用铀238做成中子反射层，使逸出 燃料区的部分中子返回，从而，降低中子逃 逸率以减小临界质量，节省核燃料。
现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是： 29352U＋10n→16430Nd＋Zr ＋310n＋8－01e＋ν
(1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物锆(Zr )的
电荷数与质量数； (2)已知铀(U)核的质量为 235.043 9 u ，中子质量为 1.008 7 u ，钕(Nd)核质量为 142.909 8 u，锆核质量为 89.904 7 u；又知 1 u 相当于 931.5 MeV 的能量，试计算 1 kg 铀 235 大约能产生的能量是多少？
第二节 反应堆与核电站
核反应堆
水泥防护层
反应堆与核电站
控制棒——镉棒 燃料棒—铀棒 慢化剂
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阈能核裂变
Bn (Z, A+1) < Eb
以238U为例
n+
238
U→
239
U → X +Y
*
若仍为热中子
Tn = 0.0253eV ≈ 0
E = ∆ ( 92,238) + ∆ ( 0,1) − ∆ ( 92,239) = 4.806MeV
*
而239U的裂变势垒：
Eb = 6.2 MeV
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§5.1 原子核的裂变反应
一．自发裂变 二．诱发裂变 三．裂变后现象 四．链式反应和核反应堆 五．原子武器
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一. 自发裂变
自发裂变
(spontaneous fission)
没有外来粒子轰击，原子核自行 没有外来粒子轰击，原子核自行 裂变的现象 的现象。 裂变的现象。
A Z
自发裂变的 一般表达式
8 / 54
自发裂变半衰期T 自发裂变半衰期 1/2(SF)与Z2/A的关 与 的关 系：
① T1/2(SF)随Z2/A的增加而急剧地减少； ② 同一元素的lg T1/2(SF)值几乎都落在一条抛 物线上； ③ Z2/A的值差不多大小时，奇奇核、奇A核的 T1/2(SF)值比偶偶核的高103～106数量级。
10
−14
s
5.初级产物β-衰变到稳定核素
在连续β衰变过程中，有些核素可能具有较高的激发 能，可以发射中子，称为缓发中子。
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> 10 s
−1
裂变碎片的质量分布
裂变碎片按质量分布的产额。考虑二分裂情 况，X 和 Y的质量分布：
对称分布：
Z ≥ 100 和 Z ≤ 84 AX=AY，称为对称裂变
∆R ε= R
distortion parameter
裂变时， 裂变时， 表面张 力与库仑力之间存 在竞争关系
定义：裂变参数
EC 0 Z 2 A−1 3 Z 2 x= ∝ ∝ 23 2 ES 0 A A
裂变势垒的近似公式（2/3<x<1）：
Eb = 0.83 (1 − x ) ES 0
3
表明随Z2/A的加大，裂变势垒高度降低。因而自发裂 变的概率增加。
11 / 54
3. 裂变份额
重核大多数具有 α放射性，自发裂变与α 衰变是相 互竞争的过程，它们是重核蜕变的两种形式。 发生自发裂变过程的衰变常数记为 发生α衰变过程的衰变常数记为
λf λα
裂变份额定义为： R f = 裂变份额
λf λ f + λα
裂变碎片是很不稳定的原子核，一方面碎片处于较高的激发态， 另一方面它们是远离 β 稳定线的丰中子核而发射中子，所以 自发裂变核又是一种很强的中子源 中子源。例如：252Cf
1 1 σ= ∝ ∝ v v Tn
σ 0v0
“1/v规律”
σ 0 是对热中子(Tn=0.0253eV)的截面 v0 为热中子速度(2200m/s)
235U:
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σ 0 = 582.2b
对共振中子，(能量为 1eV～1KeV)
诱发裂变截面峰值达几十巴。
对快中子，在能量约为 1MeV时
σf ~σmin ~1b
核辐射物理及探测学
第五章 核裂变与核聚变
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历史回顾
• 在1930之后，核物理学发展的很快。 • 1932年，Chadwick发现中子，人们用中子去照射不同的 核，发现β－放射性。 • 1938年，Enrico Fermi因中子照射产生新的放射性元素 获得诺贝尔物理奖。 • 中子产生超铀元素(transuranic)
诱发裂变截面
单位时间内发生裂变数
σf =
单位时间内入射粒子数
If Ia ⋅ Ns
单位面积靶核数
手册中常给出多种截面值：
σ f σγ σ a σt
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σ a = σ f + σγ
各种反应截面的关系图
σt
σ pot
σa
σCN
σγ
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σf
裂变截面σf与入射中子能量Tn的关系
对慢中子(Tn<1keV)
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关于易裂变核与不易裂变核的讨论
1) 中子被核俘获后形成复合核，复合核处于激发态，将发生集体 振荡并改变形状。
n+
n+
235
238
U→
U→
236
U
U
*
*
Z 2 / A = 35.86
239U的Z2/A值略小，其
239
Z / A = 35.41
2
裂变概率也略小。
2) 复合核的激发能与裂变势垒的关系。
X→ Y + Y
A1 Z1 1
A2 Z2 2
其中
A = A1 + A2 Z = Z1 + Z 2
1. 自发裂 变的裂变能 裂变能
Qf ,s = T 1( Z1 , A1 ) +T 2( Z2 , A2 ) Y Y
= ∆ ( Z , A) − ∆ ( Z1 , A1 ) + ∆ ( Z 2 − A2 ) = B ( Z1 , A1 ) + B ( Z 2 , A2 ) − B ( Z , A)
除中子诱发裂变外，带电粒子 和γ射线也能引起核裂变。
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三. 裂变后现象
中子进入靶核所形成的复合核处于激发态，复合 核可能发生裂变，裂变会产生裂变碎片。
n+ X →
A Z
A+1 Z
X → Y + Y
* A1 Z1 1
A2 Z2 2
裂变后现象指裂变碎片的性质：
如碎片的质量、能量、释放的中子、γ射线等。
一些核素的自发裂变半衰期
B = BV + BS + Bc + Bsym + Bp = aVA−aS A2/3−acZ2A−1/3−asym(N–Z)2A–1+δ ap A–1/2
∆E = B(ε ) − B(ε = 0) 2 1 = −as A2/3(1+ ε 2 +L − acZ2 A−1/3(1− ε 2 +L + as A2/3 + acZ2 A−1/3 ) ) 5 5 2 1 ≅ (− as A2/3 + acZ2 A−1/3)ε 2 9 / 54 5 5
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裂变过程
1.中子被靶核吸收形成复合核 2.复合核裂变为两个裂变碎片
远离β稳定线的丰中子核，具有很高的激发能。
10 10
−14 −20
s s
s
3.初级碎片发射中子
通常为1～3个中子，称为瞬发裂变中子。
10
−17
4.次级碎片发射γ射线
次级裂片的激发能小，不能发射中子，而主要以发 射γ光子形式退激，称为瞬发γ射线。
236
U → X +Y
*
热中子动能
Tn = 0.0253eV ≈ 0
*
E ≈ Bn ( Z , A + 1)
*
236U*的激发能
E = ∆ ( 92, 235 ) + ∆ ( 0,1) − ∆ ( 92, 236 ) = 6.545 MeV
而236U的裂变势垒：
Eb = 5.9 MeV
故热中子可以诱发235U裂变。这种热中子可诱发裂变的核 素称为易裂变核 易裂变核。
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为什么会分裂？ 为什么会分裂？
• 在重的原子核内，核力和库仑力之间存在竞争关 系。 • 总结合能与A近似成正比，但库仑排斥力与Z有2 次方关系。 • 可类似于α衰变，重核接近势阱的顶部，势垒很 薄，易于穿透。
– 或者自发地 (spontaneously) 发生衰变 – 或者通过吸收一个中子、质子而被诱发地发生衰变
对Z2/A较小的核，尽管满足Qf,s>0，但因裂变势垒太高， 很难穿透势垒，所以，这些核对自发裂变是稳定的。
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所以实验发现，很重的核才发生自发裂变。 稳定核： 球形核势能Vsp<椭球形势能Vel； 而当： 球形核势能Vsp>椭球形势能Vel时， 球形核→椭球形核→裂变. 原子核的稳定条件： Vel − Vsp>0
1 E N(E) = C ⋅ exp(− ) ⋅ sinh(2.926E) 2 1.025
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二. 诱发裂变
诱发裂变
(induced fission)
在外来粒子轰击下，原子核才发生 在外来粒子轰击下， 裂变的现象。 裂变的现象。
在外来粒子的轰击下，靶 核与入射粒子形成复合核， 复合核一般处于激发态， 当其激发能大于裂变势垒 时，会发生裂变。 入射粒子可以是带电粒子 或中子，主要研究中子诱 发裂变。
E = Tn′ + mn + M ( Z , A) − M ( Z , A + 1) c
*
2
复合核 激发能
mA A T = Tn ≈ Tn mA + mn A +1
' n
Bn ( Z , A + 1) = M ( Z , A) + mn − M ( Z , A + 1) c 2
•
238U(ε=7.6MeV)→119Pd(ε=8.5MeV)+119Pd，放
出很大的能量：214MeV
– 竞争关系：α衰变，T1/2=4.5×109年；fission， T1/2=1016年
• 反应堆，原子弹
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芝加哥大学中的雕塑
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§5.1 原子核的裂变反应
§5.2 原子核的聚变反应
中子诱发裂变的一般表达式为：