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《核裂變與核聚變》教學
            E=mc2
一圖一式,指明了利用核能的途徑:裂變和聚變。看字可能就猜到了,裂變是重核裂成小核,聚變是輕核變成大核,當然,大小是相對的。而且輕核一般就是指氫核。

恐怖的蘑菇云,看到蘑菇云,估計就會想到原子彈、氫彈、中子彈等等核武器。

核裂變的發(fā)現(xiàn)

德國物理學家哈恩和他的助手用中子轟擊鈾核的實驗中發(fā)現(xiàn),生成物中有原子序數(shù)為56的元素鋇。奧地利物理學家邁特納和弗里施對此給出了解釋:鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質量差不多的碎塊。弗里施借用細胞分裂的生物學名詞,把這類核反應定名為核裂變(nuclear fifission)。
原子彈的核反應方程式之一,鈾裂變的產物很多。這是其中一種可能反應。

一個中子轟擊鈾核后,又可生成多個中子,生成物中的中子又可轟擊鈾核,反應就可持續(xù)進行下去,這叫做核裂變的鏈式反應。這就是原子彈、核電站的原理。

核反應不同于炸藥爆炸,炸藥爆炸是化學反應,是原子外層的電子發(fā)生了變化,核反應是原子核發(fā)生變化,但能否發(fā)生裂變與反應的溫度無關,溫度無法達到使原子核變化的程度。




臨界體積、臨界質量

鏈式反應發(fā)生需要一定的體積條件,體積太小,中子從反應物中穿過去時碰著鈾核的概率就會降低,因此,要維持鏈式反應,就需要反應物達到一定的體積,相應的體積對應相應的質量。叫做臨界體積、臨界質量。

有關原子彈的軼事,二戰(zhàn)時德國先于美國研制原子彈,但最終沒有研制成功,關鍵的人物——德國研制原子彈的負責人海森伯。極具爭議,研制未成功的關鍵是對原子彈所需鈾的質量計算有誤,爭議在于是有意算錯了還是因為數(shù)學計算能力差算錯了,但海森伯對于量子力學及原子物理學的貢獻是不容質疑的。

核電站

原子彈爆炸時是不可控的,可控的裂變就使核能的和平利用成為可能,可控的關鍵是控制反應發(fā)生的速度,就需要有使生成物中的快中子變慢的物質和吸收生成物中中子的物質。常用的慢化劑有石墨、重水和普通水(也叫輕水);吸收中子的鎘棒叫做控制棒。配套汽輪機就可發(fā)電。
當然,為了安全,核電站的防核泄漏和核輻射的裝置、核廢料的處理同樣需要重視。

核聚變

從比結合能的圖象上可以看出,同樣質量的反應物,聚變比裂變釋放的能量要多得多。這也是氫彈威力更大的原因。能量越大,反應條件越苛刻。如同點著一張紙比點燃一段木頭容易,但燃燒木頭釋放的熱量要多于同樣質量的紙一樣。
要使輕核發(fā)生核聚變,必須使它們的距離達到 10-15 m 以內,核力才能起作用。由于原子核都帶正電,要使它們接近到這種程度,必須克服巨大的庫侖斥力,就需要特別大的初速度,當物質的溫度達到幾百萬開爾文時,劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能,可以克服庫侖斥力,碰撞時十分接近,發(fā)生核聚變。因此,核聚變又叫熱核反應。熱核反應一旦發(fā)生,就不再需要外界給它能量,靠自身產生的熱就會使反應繼續(xù)下去。如何達到這樣的高溫呢?利用原子彈爆炸產生的熱量,沒有原子彈引爆,氫彈是無法引爆的,可以抱著玩,沒事。實際上,太陽就是一個巨大的熱核聚變反應堆,,其中20億分之一左右的能量被地球接收。



知道了熱核聚變的反應條件,就會想到,使聚變可控是很難辦到了,雖然反應釋放的能量驚人,而且相比裂變,原材料很豐富,可以說取之不盡,用之不竭。但可控的能和平利用的道路還很漫長,從我上學到現(xiàn)在從教將近20年,教材中對可控聚變的描述好像就沒變,前景極其誘人,道路異常艱難。
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