第二章核物理学及核技术重点内容辅导

电子电量是自然界中最小的电荷量，全部的粒子所带电荷都是电子电量的整数倍。

这三个发现称为近代物理学史上的三大发现。

三大发现的重要意义

假如说，X射线的发现是自然界发出的一个信息，它告诉人们，原子内部有着复杂的构造；那么放射现象的发现则令人们意识到原子是可变的；而电子的发现，打破了原

子不行分的观点，标记着人们终于翻开了原子世界的大门。RTCrpUDG

射线、天然放射性和电子，这三大发现令人们对原子的实体性不再有思疑，更加重要的是，它令人们认识到原子不再是物质构造中不行切割的最基本单元，原子是由更深层次的物质所构成的。并且，原子内部在发生变化，构成原子的深层次物质有其自己

的运动规律。此后，人们开始了对微观世界的不懈探究。5PCzVD7H

二、卢瑟福对于原子的有核模型

1911年英国物理学家卢瑟福提出了原子的“有核构造模型”。

他以为原子是由原子核和电子构成的。全部的正电荷和原子质量都集中在原子中心的一

个特别小的体积内，这就是“原子核”，其半径在1014~1015米范围内。原子中的电子

是在核周环绕核运动，运动半径约为1010米范围内，带正电的核和带负电的电子之间的静电引力把整个原子联合在一同。jLBHrnAI

三、X射线的实质

X射线像光同样，也是电磁辐射。但是

X射线的波长比紫外线还短，在

10

10

~10

13

m范围内，人的眼睛察看不到。但是，

X射线经过晶体时可发生衍射现

象，证明了它的光的实质。

在科学实验和生活应用中，常常利用这一点对不明物质进行判定，如考古中鉴识文物

的真伪、医学中经过测定头发中的微量元向来诊疗疾病等等。xHAQX74J四、原子核的构造

原子核由质子和中子构成。质子和中子除了所带电荷不一样外，其余各方面都很相似，

所以，物理学家把它们统称为核子。LDAYtRyK

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原子核是由Z个质子、和N此中子构成，原子核的质量数就是A＝Z＋N，也就是说,

原子核由A个“核子”所构成，A又称为原子核的核子数。对于任何一种原子核，就简

称为ZA元素。Zzz6ZB2L

五、核力

核子与核子之间的互相作使劲称为核力。这种核力拥有以下特色：

1）核力是一种强互相作用，只管它是宇宙中最强的互相作用，倒是最晚被发现的

两种互相作用中的一种。核力的作用是保持原子核的稳固，所以核力要比库仑力强得

多。假如电磁互相作用的强度为1，强互相作用的强度就是它的137倍。dvzfvkwM（2）核力是短程力，只有当两核子之间的距离为原子核的半径

1015米时，才有互相

作用。

3）核力有饱和性。这种饱和性使得原子核和水同样、表现不行压缩性，即原子核的密度近似为常数。

六、爱因斯坦质能方程式及其意义爱因斯坦在1905年对于狭义相对论的第二篇短文中阐述了质量与能量的关系，代地写出了一个“质能关系式”：rqyn14ZN

划时

Em

c2

常有形式是：

E(

m)c2

式中

E

为能量，

m

为质量，

c为光速。光的速度为

c

3.0108

m·s-1，是全部物

质运动速度的最大极限。从公式中能够看出，物体的能量每增添

E，相应的惯性质量

也必然增添

m

E/c2；反之，每减少

m

的质量，就意味着开释出

E(

m)c

2的

巨大能量。也就是说：质量与能量是等价的，是能够互相转变的，少许的质量能够变换为十分巨大的能量。这是一个震天动地的理论，它揭开了宇宙的一个巨大奇妙，为核能

的利用确立了理论基础。所以，这一公式被后代称为“改变世界的方程”。EmxvxOtO

人们进一步研究发现，原子核的质量其实不是质子质量和中子质量的整数倍，而是往

往比“整数”略小一些。这是因为质子和中子之间存在着强盛的核力把质子和中子“粘”成了原子核。在形成原子核的过程中质量减少，依据爱因斯坦的质量能量关系式

E(m)c2

来看，就意味着要开释出能量。这已经为实验所证明。在原子核联合过程中所开释出来的能量，称为联合能。SixE2yXP七、人类探究物质更深层次的努力自然界中全部物体的互相作用，都能够归纳为四种基本的互相作用，即引力互相作2/7

用、弱力互相作用、电磁力互相作用和强力互相作用

。6ewMyirQ

全部的基本粒子，依据它们参加各样互相作用的性质，分为三大类：

和流传子。

强子、轻子

(1)强子：直接参加强互相作用的粒子统称强子。现已发现的粒子绝大多半是强子，最常有的强子是质子和中子。

轻子：不参加强互相作用，只参加弱互相作用、电磁互相作用、引力互相作用的

粒子，如电子、介子、中微子等。kavU42VR

(3)流传子：即传达互相作用的基本粒子。比如，光子是电磁互相作用传达的媒介，基本的电磁作用过程表现为放出和汲取光子；传达强互相作用的胶子；传达弱互相作用的玻色子。

以后，经过实验还进一步发现，在强子内部还有点状的荷电粒子，人们称强子内部

点状的东西为“夸克”。夸克的半径约为1020m的范围。y6v3ALoS

八、原子能的三种开释方式

原子核由质子和中子构成，质子和中子之间存在着强盛的核力。在质子和中子形成

原子核的过程中，核力把质子和中子“粘’’成了原子核，原子核的质量减少，这一质量损失转变成能量储藏在原子核内，称为核能，也叫原子能。假如原子核的构造发生变化，

储藏在原子核内的核能就会以衰变、裂变、聚变的方式开释出来。M2ub6vST1.原子核的衰变原子核的衰变分为

衰变、

衰变和

衰变。

放射性核素及其放射性规律在生产和生活中有着极为宽泛的应用，特别是在考古和

医学方面。碳—14是宇宙早期形成的放射性元素，半衰期是5730年。碳—14在考古中

有十分重要的作用。在医学上，放射性核素作为药物临床使用主要用于诊疗和治疗两个

方面。0YujCfmU

2.原子核的裂变

核裂变一般是指一个重原子核分裂成两个质量为同一量级的碎块，并开释出能量的现

象，但在少量状况下也可分裂成三个或更多个碎块。eUts8ZQV

这里有两种模式，一种是由重原子核自觉碎裂，并开释出能量。另一种是在中子作用

下而引起的核裂变，这种核裂变除了原子核碎裂成两个碎块、开释能量外，还会开释出

两三此中子，这是人类迄今为止大批开释原子能的主要方式。sQsAEJkW裂变的过程

重核裂变能够自觉进行，也能够人工惹起。在核裂变时，陪伴着四个现象：开释中子，开释射线(及)，开释能量，开释中微子。GMsIasNX

用中子轰击重核能有效地惹起核分裂，因为中子不带电，它能够顺利地经过核外电子层，进入原子核内部。

链式裂变反响

链式核反响是指核反响产物之一能惹起同类反响，使得这样的反响能链式地进行下

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去的核反响。重核受中子冲击发生裂变过程中开释出新中子，假如新中子能够使其余重

核连续发生裂变，链式裂变反响就能够实现。比方，在中子轰击下铀—235核每次裂变产

生2～3个新的中子，新中子惹起周边铀—235核裂变，并在其裂变中再产生新的中子。

于是在必定的条件下，不靠外界作用就能连锁式地惹起其余铀—235核的裂变反响，同时

使系统连续地放出大批的裂变能量，这个过程就是链式裂变反响。TIrRGchY

3.原子核的聚变

两个或几个轻原子核联合成一个较重的原子核，并开释出能量，这种联合称为聚变。

中等质量的元素，不论是裂变仍是聚变都不会开释能量，并且需要汲取能量。重的元

素裂变时会开释出能量。轻的元素则在聚合为较重的元素时能开释出能量。能够以为裂

变能和聚变能的实质同样，这是因为它们都是在原子核发生“分裂”和“联合”时由质量损失

造成的。7EqZcWLZ

聚变能与裂变能对比拥有好多长处。比方，氘和氚发生聚变后两个原子核联合成一

个氦原子核，并放出一此中子和17．6MeV的能量。固然每一次氘和氚发生聚变时开释

的能量比一次铀-235裂变开释约200MeV的能量少得多。但是，因为氘和氚发生聚变时

只有5个核子参加反响，而铀-235裂变时有236个核子参加反响，所以，假如按均匀每

个核子开释的能量来说，氘和氚聚变开释的能量是铀-235裂变开释的能量的4．14倍。

更主要的是氘的储量丰富，每升水含0．03克氘，比海水中铀的含量大1万倍，地球上

的水中约有40万亿吨氘，所以地球上聚变燃料的储量比裂变燃料丰富得多。lzq7IGf0

聚变能源不单丰富，并且安全、洁净。因为聚核反响的产物是相当稳固的氦核，没有放射性污染，所以更拥有安全性。因为聚核反响需要瞬时高温来引起，而就人类当前的科技水平而言，还没有法解决高温本源、容器械料和反响过程控制等问题，所以，核聚

变的和平利用有待于人类的进一步探究。zvpgeqJ1

九、原子能的利用

当前，人类已进入了核能利用时代。核武器、核电站和放射性同位素与射线应用是一个国家掌握核科学、核技术能力的标记，成为综合国力的表现，并在国际政治、经济

关系中发挥侧重要作用。NrpoJac3

1.核裂变反响堆

能够使核资料发生链式裂变反响，将能量连续不停地开释的装置，称为核裂变反响堆。

核裂变反响堆的主要作用：供给（开释出）连续的核能。

按反响堆的用途分，有生产堆、动力堆、研究堆、生产-动力堆。

生产堆主要用于生产易裂变资料和其余资料，或许用于工业规模的辐射反响堆。国

际上生产堆主假如军用，如生产能够制造核武器的易裂变资料钚-239、聚变资料氚等。

1nowfTG4动力堆主要用于生产动力，大批地用于核电站，也用于核动力船艇

舰及个别核商船和破冰船。

研究堆主要用于基础研究或应用研究。

生产-动力堆，顾名思义，即在生产易裂变资料的同时还生产动力。

按反响堆所用的核燃料种类分，有天然铀堆和浓缩铀堆。

-核潜艇、航空母

前者是以天然铀作燃料的反响堆，如我国秦山三期核电站就是以天然铀作燃料的重

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水反响堆；20世纪50年月到60年月时期，英国和法国建筑的用石墨慢化、用气体冷却的反响堆也是天然铀反响堆。

压水堆、轻水堆则是以浓缩铀作燃料的反响堆，大多半动力堆就属于这种。fjnFLDa5按反响堆用的慢化剂与冷却剂分，有轻水堆、重水堆、石墨堆。

轻水堆是以水或汽—水混淆物作为一次冷却剂和慢化剂的反响堆，它又分为压水堆和开水堆，这是核电站的两种主要堆型。

以重水作慢化剂的反响堆叫做重水堆。

石墨堆是以石墨作慢化剂的反响堆，假如用水作冷却剂，又称石墨水冷堆。tfnNhnE62.原子弹

核裂变能量的利用，能够有两个方向：一个是控制它，让它依据必定要求均匀地放

出，使之成为一种新能源；另一个是使它急剧地、无控制地开释，成为毁坏性的力量，

这就是核武器。HbmVN777

原子弹利用的是没有慢化剂、不加以控制的链式反响来实现强烈爆炸的核武器。

十、核电站

核能的和平利用中最主要的一种方式是核电。核电站是利用原子核裂变反响所放出

的核能，驱动汽轮发电机组进行发电的发电厂。V7l4jRB8

它往常包括两个回路系统：一回路系统是核蒸气供给系统，将核电站的核心-反响堆

所放出的核能(主假如以热能方式放出)，由冷却剂带到蒸气发生器中，用以产生蒸气，

这相当于惯例火电厂的锅炉系统；二回路系统是蒸气驱动汽轮发电机组进行发电的系统，

与惯例火电厂汽轮发电机系统基真同样。83lcPA59

十一、核能是高效、洁净与安全的能源

因为人们第一次认识到核能的巨大威力，是从日本广岛、长崎遇到原子弹的侵袭而

得来的。所以许多人此后形成了对核能的惧怕，以为核能是灾害、污染的化身。其实核

能与传统能源对比的长处是显然的，归纳说来是高效、洁净与安全。mZkklkza

1）核能是高效的能源。

下表列出了各样能源的能量密度。

能源单位发电量（Kw.h）种类太阳能60m2照耀1小时水能11m～300m落差木材1kg11煤1kg3石油1kg4天然1kg（可利用0.72％U－铀235）5万600万Pu1kg（由U－238变换生成）－2395/7从这个图表能够看出，一千克天然铀所能够发出的电量是同量木材，煤，石油等燃料所发电量的数万倍以上，也是太阳能，水能等天然能源发电量的万倍以上。从中能够确认核能是一种高效的能源。AVktR43b

（2）核能是洁净的能源。

洁净是指废物总量及其对环境的影响。一座1000MW的核电站每年卸出的焚烧后的

核燃料（称作乏燃料）30余吨，此中绝大多半经办理后可回收利用，仅50余千克是真实

待处理的“废物”。自然，因为这些都是放射性元素，办理时要解决特别的科学技术问

题。但总量少、总容积小是其基本特色。与此对比，一座同功率的燃煤电站每年需耗煤

200余万吨，向环境排放的废物有二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及28吨烟灰。在烟灰

中含有毒的重金属，如砷、汞、铅、镉。还有0.68克镭、4.3吨钍及2吨铀放射性物质随

烟灰排放到大气中。煤电站排出的气体中，二氧化硫及氮氧化物是造成酸雨的本源，二氧化碳则是影响全世界大气环境的温室气体，均属应限制及减少排放的对象。二氧化硫对

人的健康是对人的健康是极为有害的。1952年12月伦敦发生“毒雾”事件，究其原由是

因为当时气象条件使燃煤烟雾及二氧化硫不可以实时扩散所致。ORjBnOwc

3）核能是安全的能源。

对于放射性安全问题，人类的生活环境中原来就存在天然放射性，来自于土壤、居

室、空气及宇宙线这些放射性称为“天然本底”。因为核电站采纳了严格的技术与管理，对核燃料在反响堆内、外的整个循环过程中，都采纳了严实的与环境隔绝的举措，四周居民因为核电站而遇到的放射性污染只比“天然本底”增添了百分之一，而煤电站因为煤的吞吐量大，没有隔绝防备举措，随烟灰排放的放射性物质对四周居民的影响比“天

然本底”高一倍，其放射性污染也比核电站大得多。2MiJTy0d

十二、我国核能发展的概略

1.秦山核电站是我国第一座自行设计自主建设的核电站，装机容量300MW，于1985

年3月20日正式动工，1991年12月15日并网发电，此后结束了我国大陆无核电的历史，

实现了我国在核电技术上的重要打破。gIiSpiue

2.从法国成套入口的广东大亚湾两台900MW的核电机组，也分别于19