中职物理 第7章

第7章核能及其应用签到扫码下载文旌课堂APP扫码签到（2022.3.2515:00至2022.3.2515:10）签到方式教师通过“文旌课堂APP”生成签到二维码，并设置签到时间，学生通过“文旌课堂APP”扫描“签到二维码”进行签到。。本章导读3核能是人类历史上的一项伟大发现。时至今日，核能已经被广泛应用于军事、能源、航天等领域。核能为人类带来了新的能源，成为人类获取能源的重要途径。截至2020年8月，我国共有62个核电机组，其中有47个机组装料投入运行，分布在18座核电厂中。核电站究竟是怎样的设施？它又是如何产生电能的呢？本章将带大家学习核能、核技术相关知识。学习目标 了解原子结构。 了解放射现象。 了解核能、核技术及其应用。目录Contents7.1原子结构7.2核能与核技术7.1原子结构7.1原子结构7.1.1原子结构模型1909—1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手们进行了粒子散射实验，即用粒子（氦原子核）轰击金箔片，如下图所示。通过实验发现，绝大多数粒子穿过金箔片后仍沿原来的方向前进，只有少数粒子发生大角度的偏转，极少数粒子的偏转角度几乎达到180°。通过对实验结果进行分析，卢瑟福提出了原子的核式结构模型：原子中的绝大部分空间是空的，原子的几乎全部质量都集中在原子的中心，即原子核。原子核的直径大约是原子直径的十万分之一。原子中的全部正电荷都集中在原子核中，带负电的电子在核外空间绕着原子核高速旋转。这个模型，可以很好地解释粒子散射现象：大多数粒子穿过原子时，距离原子核很远，因此与原子核之间的作用力可忽略，它们依然可以沿原方向前进；少数粒子在穿过原子时，由于距离原子核较近，受到原子核的排斥力，导致粒子的前进方向发生偏转；而更少的粒子非常接近原子核，导致前进方向发生几乎180°的偏转，如下图所示。7.1原子结构7.1原子结构7.1原子结构7.1.2原子核的组成1919年，卢瑟福用粒子轰击氮原子核，发现某些粒子能够把氮原子核中的一个粒子驱逐出来，使氮原子核变成一个新的原子核。经过大量实验，卢瑟福测出了这个被驱逐出来的新粒子的质量和电荷，并将其命名为质子。在发现质子的基础上，卢瑟福进而猜想原子核内存在不带电的中子，这一猜想在1932年被他的学生查德威克证实。后来人们也陆续从其他原子核中打出了中子，证明中子也是原子核的组成部分。7.1原子结构质子和中子统称为核子。质子与中子、质子与质子以及中子与中子之间以一种强大的核力结合在一起，如下图所示。质子带正电，中子不带电；质子和中子的质量几乎相等，而原子核的质量近似等于质子和中子的质量之和；原子核内的质子数等于核外电子数。7.1原子结构7.1.3放射现象能放射射线的性质叫作物质的放射性。具有放射性的元素叫作放射性元素。元素的这种自发地放出射线的现象叫作天然放射现象。对放射性元素发出的射线进行研究，发现它们在垂直穿过磁场时分为3束，人们把这3束射线分别叫作射线、射线和射线，如下图所示。1．天然放射现象7.1原子结构这三种射线分别具有如下特点：（1）射线是由氦原子核组成的粒子流，带正电，其速度为光速的十分之一，穿透物质的能力很弱，用一张纸就可以挡住，但是它具有很强的电离作用，很容易使空气电离，也容易使底片感光。（2）射线是高速电子流，带负电，速度接近光速，贯穿能力较强，能穿透几毫米厚的铝板，但是电离能力较弱。（3）射线是波长极短的电磁波，即光子，不带电，贯穿能力最强，要几厘米厚的铅板或几十厘米厚的混凝土墙才能阻挡它，其电离能力最弱。7.1原子结构人在接受微量的辐射时不会受到损伤，只有大剂量和长时间的辐射才会对人体造成伤害。度量人体所接受辐射剂量的单位是希，符号为Sv，1Sv表示1kg的人体组织吸收了1J的辐射量。目前我们所接受的辐射剂量中有82%来自自然界，18%来自人为因素。大剂量的放射性辐射会对人体和动物造成损害，甚至造成死亡。有些辐射不会立即造成损害，其损害作用可能经过数十年才会表现出来。放射性辐射还能损伤生物遗传物质，引起基因突变和染色体畸变，使生物的一代甚至几代受害。2．放射性辐射对生物体的影响7.1原子结构一个人一年受到的天然和人为放射性辐射的总剂量约为2mSv。在一个铺有大理石地面的大厅，测得瞬时辐射剂量是每小时0.1μSv，而在秦山核电站反应堆安全壳旁测得的瞬时辐射剂量只有每小时0.08μSv。7.1原子结构为了防止放射性辐射对人类和自然的破坏，人们采取了以下有效的防护措施。（1）对放射性辐射进行检测放射性辐射不能被人体感受到，但是可以用专门的仪器检测出来。（2）安全存放放射性物质在核电站的核反应堆外层用厚厚的水泥建筑来防止放射性物质的外泄。（3）对放射性废弃物进行处理对放射性废水的处理方法主要有稀释排放法、放置衰变法、混凝沉降法、离子变换法、蒸发法、沥青固化法、水泥固化法、塑料固化法以及玻璃固化法等。3．放射性辐射的防护7.1原子结构课后实践请在课后收集资料，了解物质的放射性在医疗实践和农业生产中的主要应用，以及科学家在放射性研究和应用方面所做的贡献，并与同学们分享调查结果。7.2核能与核技术7.2核能与核技术7.2.1核能由于核子之间存在着核力，所以原子核分裂成核子或者核子结合成原子核都伴随着能量的变化，这种能量称为核能，又称为原子能。爱因斯坦根据狭义相对论原理指出，物体的能量E与它的质量m之间存在着密切的关系，即

式中，c表示光速，这就是著名的爱因斯坦质能方程。根据质能方程，物体的能量跟它的质量成正比。物体的质量增大，其能量也增大；物体的质量减小，其能量也减小。7.2核能与核技术在核反应中，反应前所有核子的总质量与反应后新核的总质量之差叫作质量亏损。核子在结合成原子核时出现质量亏损，因此要释放能量。用表示亏损的质量，用表示释放的能量，则有7.2核能与核技术7.2.2重核裂变1938年，物理学家哈恩和斯特拉斯曼等科学家发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了分裂，产生了钡、镧等一些中等质量的原子核。后来，科学家把这种重原子核分裂成两个中等质量原子核的过程叫作重核裂变，简称裂变或核裂变。例如，用中子轰击铀235的原子核时，铀核分裂成两个中等质量的新核，同时释放出2～3个中子，并释放了约200MeV的能量。1．重核裂变7.2核能与核技术由于铀核裂变总要释放出2～3个中子，这些中子又会引起其他的铀核裂变，这样，裂变反应就会不断地进行下去，释放出越来越多的能量，这就是链式反应，如右图所示。铀块的体积大小是产生链式反应的重要因素。能够产生链式反应的铀块的最小体积称为铀块的临界体积，相应的质量称为临界质量。2．链式反应7.2核能与核技术链式反应使核能的大规模应用成为可能。原子弹就是利用链式反应的原理制成的。如果铀的体积大于临界体积，只要有中子进入铀块，就会立刻引起铀核的链式反应，在不到百万分之一秒的时间内就会释放出惊人的核能，形成剧烈的爆炸。如右图所示为我国第一颗原子弹在西部地区爆炸成功形成的蘑菇云。3．重核裂变的应用7.2核能与核技术原子弹爆炸时的链式反应速度非常快，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能能用比较平缓的方式释放出来，人们研制出了核反应堆。核反应堆就是用人工方法控制重核裂变并获得核能的装置。核反应堆是用浓缩铀作为核燃料，用石墨、重水或普通水作为中子的减速剂，用易于吸收中子的金属镉制成控制棒，并用计算机自动地调节镉棒插入反应堆的深度以控制裂变反应的快慢，促使反应堆保持一定的功率安全地工作。核电站是利用原子核裂变所释放的能量产生电能的发电站。在反应堆工作时，核燃料裂变释放出的核能转化为热力学能，使反应堆温度升高。在反应堆外用水等作为循环冷却剂控制反应堆的温度，使其正常工作，并带走一部分热力学能。这些热力学能将蒸汽发生器中的水变成蒸汽，蒸汽又推动蒸汽轮机发电，从而将核能成功转化为电能。7.2核能与核技术核电站一般分为两个部分：利用原子核裂变产生蒸汽的核岛和利用蒸汽发电的常规岛。核电站工作原理示意图如下图所示。7.2核能与核技术2019年全年，我国运行核电机组累计发电量为，约占全国累计发电量的4.88%。与燃煤发电相比，核能发电相当于减少了燃烧标准煤，减少二氧化碳排量，减少二氧化硫排量，减少氮氧化物排量。秦山核电站是我国自行设计、建造和运营管理的第一座的大型核电站，地处浙江省海盐县。秦山核电站工程于1985年开工，1991年并网发电。秦山核电站的建成发电，结束了中国大陆无核电的历史，实现了零的突破，标志着“中国核电从这里起步”。秦山核电站的建成发电，标志着中国核工业的发展迈上了一个新台阶，成为我国和平利用核能的典范；使我国成为继美、英、法、苏联、加拿大和瑞典之后世界上第七个能够自主设计、建造核电站的国家。7.2核能与核技术知识角7.2核能与核技术7.2.3轻核聚变1．轻核聚变某些较轻的原子核结合成一个较重的原子核时，能释放出大量的能量，这种现象叫作轻核聚变，简称聚变或核聚变。例如，一个氘核（含一个质子和一个中子）和一个氚核（含一个质子和两个中子）结合，聚变成一个氦原子核，同时释放出一个中子，平均每个核子放出的能量比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3～4倍。7.2核能与核技术2．热核反应要使轻核发生聚变，就必须使它们之间的距离小于。由于原子核都是带正电的，要使原子核间的距离小于，必须克服原子核之间巨大的核力。为了达到这一距离要求，就必须把原子核加热到很高的温度。当物体达到以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，以克服它们之间的作用力在相互碰撞时发生聚变，因此，聚变反应又叫作热核反应。热核反应一旦发生，就不需要外界再提供能量，仅靠自身产生的热量就可以使反应进行下去。7.2核能与核技术3．轻核聚变的应用人们利用轻核聚变制造出了比原子弹威力更大的核武器——氢弹。氢弹是利用原子弹爆炸产生的高温来引起热核反应的，其威力往往相当于数百个原子弹的威力。如右图所示为我国第一颗氢弹爆炸形成的蘑菇云。7.2核能与核技术与重核裂变反应相比较，轻核聚变反应具有许多优越性。①轻核聚变产能效率高。②地球上聚变燃料的储量丰富。③轻核聚变更为安全、清洁，高温不能维持反应就能自动终止。7.2核能与核技术核聚变能够释放出巨大的能量，且产生的能量清洁、无污染。但目前人们还不能进行受控核聚变，主要是因为进行核聚变所需要的条件十分苛刻。当前面临的主要问题有两个：第一个问题是热核反应的点火温度很高，而没有什么容器可以承受住高温；另一个问题是不知如何约束核聚变所需的燃料，从而约束反应范围。尽管轻核聚变的利用仍然存在不少问题，但经过人们的不