【原】《核裂變與核聚變》教學(xué)

新用戶65120Joi 2022-06-20 發(fā)布于山西

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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(dāng)然，大小是相對(duì)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(jì)就會(huì)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(guó)物理學(xué)家哈恩和他的助手用中子轟擊鈾核的實(shí)驗(yàn)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(xué)家邁特納和弗里施對(duì)此給出了解釋：鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊。弗里施借用細(xì)胞分裂的生物學(xué)名詞，把這類核反應(yīng)定名為核裂變（nuclear fifission）。

原子彈的核反應(yīng)方程式之一，鈾裂變的產(chǎn)物很多。這是其中一種可能反應(yīng)。

一個(gè)中子轟擊鈾核后，又可生成多個(gè)中子，生成物中的中子又可轟擊鈾核，反應(yīng)就可持續(xù)進(jìn)行下去，這叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。這就是原子彈、核電站的原理。

核反應(yīng)不同于炸藥爆炸，炸藥爆炸是化學(xué)反應(yīng)，是原子外層的電子發(fā)生了變化，核反應(yīng)是原子核發(fā)生變化，但能否發(fā)生裂變與反應(yīng)的溫度無(wú)關(guān)，溫度無(wú)法達(dá)到使原子核變化的程度。

臨界體積、臨界質(zhì)量

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生需要一定的體積條件，體積太小，中子從反應(yīng)物中穿過(guò)去時(shí)碰著鈾核的概率就會(huì)降低，因此，要維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，就需要反應(yīng)物達(dá)到一定的體積，相應(yīng)的體積對(duì)應(yīng)相應(yīng)的質(zhì)量。叫做臨界體積、臨界質(zhì)量。

有關(guān)原子彈的軼事，二戰(zhàn)時(shí)德國(guó)先于美國(guó)研制原子彈，但最終沒(méi)有研制成功，關(guān)鍵的人物——德國(guó)研制原子彈的負(fù)責(zé)人海森伯。極具爭(zhēng)議，研制未成功的關(guān)鍵是對(duì)原子彈所需鈾的質(zhì)量計(jì)算有誤，爭(zhēng)議在于是有意算錯(cuò)了還是因?yàn)閿?shù)學(xué)計(jì)算能力差算錯(cuò)了，但海森伯對(duì)于量子力學(xué)及原子物理學(xué)的貢獻(xiàn)是不容質(zhì)疑的。

核電站

原子彈爆炸時(shí)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(guān)鍵是控制反應(yīng)發(fā)生的速度，就需要有使生成物中的快中子變慢的物質(zhì)和吸收生成物中中子的物質(zhì)。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(jī)就可發(fā)電。

當(dāng)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(jié)合能的圖象上可以看出，同樣質(zhì)量的反應(yīng)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(yīng)條件越苛刻。如同點(diǎn)著一張紙比點(diǎn)燃一段木頭容易，但燃燒木頭釋放的熱量要多于同樣質(zhì)量的紙一樣。

要使輕核發(fā)生核聚變，必須使它們的距離達(dá)到 10^-¹⁵ m 以內(nèi)，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(kù)侖斥力，就需要特別大的初速度，當(dāng)物質(zhì)的溫度達(dá)到幾百萬(wàn)開爾文時(shí)，劇烈的熱運(yùn)動(dòng)使得一部分原子核具有足夠的動(dòng)能，可以克服庫(kù)侖斥力，碰撞時(shí)十分接近，發(fā)生核聚變。因此，核聚變又叫熱核反應(yīng)。熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就會(huì)使反應(yīng)繼續(xù)下去。如何達(dá)到這樣的高溫呢？利用原子彈爆炸產(chǎn)生的熱量，沒(méi)有原子彈引爆，氫彈是無(wú)法引爆的，可以抱著玩，沒(méi)事。實(shí)際上，太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的熱核聚變反應(yīng)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(yīng)條件，就會(huì)想到，使聚變可控是很難辦到了，雖然反應(yīng)釋放的能量驚人，而且相比裂變，原材料很豐富，可以說(shuō)取之不盡，用之不竭。但可控的能和平利用的道路還很漫長(zhǎng)，從我上學(xué)到現(xiàn)在從教將近20年，教材中對(duì)可控聚變的描述好像就沒(méi)變，前景極其誘人，道路異常艱難。