核裂变、聚变及粒子和宇宙

OZABCDEFFe核子平均质量OFe平均结合能核子的平均结合能随质量数的变化DEFABCz核反应吸收能量放出能量核子结合成原子核有些重核分裂成中等质量的核有些轻核结合成中等质量的核核裂变与核聚变物理学中把重核分裂成两个较轻的核时，释放出核能的反应叫做核裂变．一.核裂变1.核裂变2、铀核的裂变（1）发现1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。（2）裂变产物多种多样U23592n10+→Ba14156Kr9236++n310n2nU105983391451023592SrXe235113690192054380U+nXe+Sr+10n（3）计算铀裂变时释放的能量;-27Um=390.313910kg×-27nm=1.674910kg×;-27Bam=234.001610kg×-27krm=152.604710kg已知铀核裂变的反应：求：该核反应释放能量；235114192192056360U+nBa+Kr+3n亏损质量：释放能量：2ΔE=Δmc=201MeVΔm=(mu+mn)-(mBa+mKr+3mn)=0.3578×10－27kg1kg铀全部裂变，它放出的能量超过2000t优质煤完全燃烧时释放的能量．定义：由裂变重核裂变产生的中子使反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应．使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。3、链式反应爆炸原子弹原子弹中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图水泥防护层控制棒——镉棒燃料棒—铀棒减速剂三、核电站——慢中子反应堆核电站核心设施：核反应堆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。解决能源危机重要途径——核能。可开发的核裂变燃料资源可使用上千年。核聚变资源可使用几亿年。核反应堆通过受控核裂变反应获得核能的装置，可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数,以形成所谓的自持链反应(self-sustainingchainreaction)。三、核电的安全性核反应堆的防护措施：第一道屏障——耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块可以把98%以上的裂变产物滞留在芯块内。第二道屏障——燃料元件包壳由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。第三道屏障——压力壳将燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包壳少量射线泄漏。第四道屏障——安全壳由1m多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都装在安全壳中。核电站放射性气态废物和液态废物的处理：采取贮存衰变等方法进行稀释，再排放到指定的区域。核电站固体废物的处理：先在核电站内专用的废物库暂存，然后送到人烟稀少、地质稳定、地下水位低又远离天然水源的放置场永久贮存，一般要存放几百年。一、轻核的聚变（热核反应）某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，这种核反应叫做聚变。nHeHH10322121nHeHH104231211、反应方程根据所给数据,计算下面核反应放出的能量:nHeHH10423121氘核的质量：mD＝2.014102u氚核的质量：mT＝3.016050u氦核的质量：mα＝4.002603u中子的质量：mn=1.008665u)(nTDmmmmmu018884.0MeV5.93101884.02mcEMeV59.17E2、发生聚变的条件:使原子核间的距离达到10-15m实现的方法有:1、用加速器加速原子核；２、把原子核加热到很高的温度；108～109K不经济聚变反应又叫热核反应3、核聚变的利用——氢弹弹体引爆装置小型原子弹三种炸药：普通炸药Ｕ235氘、氚爆炸裂变聚变氘、氚、重氢化钾等铀235外壳普通炸药nHeHH10423121氢弹爆炸形成的磨姑云太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量，太阳；这个天然的的核聚变过程已经发生了好几十亿年。热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。二、受控热核反应——核聚变的利用可控热核反应将为人类提供巨大的能源,和平利用聚变产生的核量是非常吸引人的重大课题，我国的可控核聚变装置“中国环流器1号”已取得不少研究成果.见教材现在的技术还不能控制热核反应。问题有：２、如何约束聚变所需的燃料；磁场约束１、地球上没有任何容器能够经受如此高的温度；惯性约束现在的技术还不能控制热核反应。问题有：１、地球上没有任何窗口能够经受如此高的温度；２、如何约束聚变所需的燃料。粒子和宇宙道尔顿（原子）汤姆逊（电子）卢瑟福（质子）查德威克（中子）盖尔曼（夸克）基本粒子，基本？分子原子质子中子电子夸克μ子K介子π介子反粒子……原子核共400多种强子轻子媒介子作用参与强相互作用不参与强相互作用传递各种相互作用举例质子，中子等电子，μ子光子，中间玻色子，胶子按粒子与各种相互作用的不同强子结构的夸克模型下夸克d上夸克u奇夸克s粲夸克c底夸克b顶夸克t强子介子（夸克和反夸克组成）重子（三个夸克组成）六种夸克：宇宙的演化宇宙——从何而来？•大爆炸理论(TheBigBangTheory)•宇宙从一个“奇点”爆炸产生早在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开时就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。整个空间可以指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。•从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：•大爆炸开始时150－200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。•大爆炸后10-44秒1032度产生了夸克、轻子、胶子等粒子。•大爆炸后10-6秒10万亿度，夸克构成了质子和中子等强子，进入强子时代。•大爆炸后0.01秒1000亿度，光子、电子、中微子等轻子为主，质子中子仅占10亿分之一，进入轻子时代。•大爆炸后13.8秒后30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。进入核合成时代。•大爆炸后30万年后3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。恒星的演化恒星的摇篮——星云人马座礁湖星云天蛇座老鹰星云猎户座马头星云麒麟座玫瑰星云猎户座女巫星云恒星的演化壮年期的恒星我们的太阳全天最亮恒星——天狼星(其伴星是一颗白矮星)质量不同的恒星,它们寿命的长短取决于其自身的质量。0.2太阳质量的恒星，为1万亿年；1太阳质量的恒星,为100亿年；15太阳质量的恒星，为2000万年。恒星的演化不稳定期—红巨星、恒星的爆发红巨星当内部氦核心被点燃后的恒星的爆发而核的质量小于1．44个太阳质量，这颗恒星便可能演化成为白矮星。由于引力十分巨大，和外电子被紧密压缩，密布在原子核周围，处于一种超密状态,其中一个火柴盒大小的物质,如果能拿到地球上来,就重达1吨左右。人马座钻石星，这块钻石直径是4000公里，质量2千亿亿亿吨。太阳在70亿年后，也将变成类似的钻石。恒星的演化恒星的死亡（一）——白矮星恒星的演化瞬间的绚烂（二）——超新星爆发对于大质量的恒星，由于引力巨大，氢烧完后，引力导致的坍缩会十分猛烈，这时，大量的能量瞬间爆发出来，恒星的亮度瞬间爆增上千万倍，乃至上百亿倍，这就是超新星爆发。一颗超新星在爆发时输出的能量可高达1043焦，这几乎相当于我们的太阳在100亿年时间里输出能量的总和。超新星爆发时，抛射物质的速度可达107m/s，超新星并不是新的星，而是恒星死亡的绽放。金牛座蟹状星云是1054年爆发超新星的遗骸大麦哲伦星云1987A超新星恒星的演化恒星的死亡（三）——中子星超新星爆发后，如果剩下的核的质量在1．44—2个太阳质量之间。巨大的引力使得电子被压入原子核，整个恒星成为一个中子球，依靠中子的泡利不相容原理产生的简并压力对抗引力。它的直径只有10千米左右，其密度特别大，1立方厘米可达1亿吨以上，自转特别快。白矮星、地球和中子星大小的比较恒星的演化恒星的死亡（四）——黑洞质量更大的致密天体，中子的简并压力不足以抗衡引力，这个天体还要坍缩,它坍缩的结果会变成一种非常特殊的比中子星更致密的天体——其体积无限被压缩，以致其第二宇宙速度超过光速，光也无法从其内部逃出，所以叫黑洞。正在吞噬恒星的黑洞的想象图钱德拉望远镜拍摄黑洞攻击星系照片