7　核聚变教学实录及点评

高二物理教案

阜南二中

张贺

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第七节 裂变和轻核聚变

（阜南二中

张贺）

摘要

核物理中把重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为裂变；把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为聚变。

关键词：裂变

轻核的聚变

引言

能源是推动科学技术和经济高速发展的动力保障，需求正在急剧增加。煤、石油等化石能源的不可再生，使资源日益枯竭，而且给地球带来了巨大的污染，这些因素促使人们更加重视寻找洁净的、可持续发展的新能源。近年来，核能作为一种新能源倍受人们关注，核反应有些释放能量，有些吸收能量，人们想利用核能，当然必须选那些释放核能的核反应。什么样的核反应能释放核能呢？利用天然放射性元素的衰变行吗？例如：

U238在α衰变时放出的α粒子具有4.18MeV的能量，但它的半衰期很长，达4.49亿年，衰变非常缓慢，功率太小。

利用人工核转变行吗？例如：

94121

BeHeCn5.6M42606143

BenHen4.8M3021但粒子击中原子核的概率太低，只有百万分之一、二。实在得不偿失！有哪些核反应才真正具有实用价值呢？那么如何获得核能呢？重核裂变和轻核聚变是获得核能的两个重要途径。这节课我们学习重核裂变和轻核的聚变。

新课教学：

一、核能释放的方式：重核裂变、轻核聚变

精确研究表明：原子核的质量虽然随着原子序数Ｚ的增大而增大，但是二者之间并不成正比关系。人们发现，不同的原子核，其核子的平均质量（原子核的质量除以核子数）与原子序数有如图22-13所示的关系。

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从图中可以看出，铁原子核中核子的平均质量最小。如果原子序数较大的重核A分裂成原子序数小一些的核B和C，或者原子序数很小的轻核D、E结合成一个原子序数大些的F核，都会有质量亏损，都会释放出巨大的的核能。

1．重核裂变：核物理中把重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为裂变。

2．轻核聚变：核物理中把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为聚变。

二、重核裂变

1．铀核裂变的发现

1938年，德国化学家哈恩和斯特拉斯曼发现了铀的裂变。他们在用中子轰击铀核时其产物中发现了钡的放射性同位素，一个月后终于证实，铀核俘获一个中子后，发生了一个重核裂变成两个中等质量的核的反应过程——核裂变。

2．铀核裂变的产物

铀核裂变的产物是多种多样的，主要有：

氙（Xe）和锶(Sr)或钡（Ba）和氪（Kr）或锑（Sb）和铌（Nb）等，同时放出2—3个中子。典型的反应如下述核反应方程所示：

2351136901

UnXeSr10n920543802351141921

UnBaKr3n92056360铀核裂变，一般分裂为两个中等质量的核，叫二分裂；也有三分裂、四分裂现象，我国物理学家钱三强和何泽慧夫妇于1946年在巴黎发现了铀的三分裂和四分裂，但出现三分裂、四分裂现象的概率极低，约为二分裂的千分之三和万分之三。

铀核裂变时，释放出巨大的能量，如上述两种裂变中前者释放出141MeV的能量，后者释放出201MeV的能量。

在不同的反应中，铀核释放的能量不同，一般平均每个核子放出的能量约为1MeV，如果1kg铀235全部裂变，它放出的能量相当于2500吨优质煤完全燃烧时放出的化学能。

3．链式反应

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（1）概念：铀核裂变时，同时又释放出2—3个中子，如果这些中子再引起其他原子核的裂变，就可使裂变反应不断的自行进行下去，这种反应叫链式反应。

如图：

（2）影响链式反应的因素

铀核的裂变反应的结果中，又释放出2—3个中子，这些中子又会引起其他原子核的裂变，形成链式反应，使裂变继续下去。当然维持链式反应是要有一定条件的，这个条件是，每次裂变产生的中子，至少平均有一个能再度引起裂变反应。

A．铀235的纯度

核裂变中放出的中子，有的可能被杂质吸收，为维持链式反应要减少裂变物质中的杂质。

B．铀核的体积

核裂变中放出的中子，可能由于铀核的体积不够大，有可能穿出裂变物质体外，因而不能引起新的裂变发生。为维持链式反应要增大裂变物质的体积。

能够发生链式反应的铀块的最小体积，叫做临界体积；跟临界体积相对应的质量叫临界质量。纯U235球形的直径约4.8cm就达到了临界体积，其临界质量大约1kg左右。（核反应堆由于堆形不同，临界质量可以从几千克到几百千克）

4．重核裂变的应用

（1）原子弹

（2）反应堆

利用核能发电的核心设施是核反应堆。核反应堆是用人工控制链式反应的装置，用人工方法控制链式反应速度的原理如P75图22—15所示。

A．铀棒。由浓缩铀制成，作为核燃料。

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B．减速剂：常用的减速剂有石墨、重水等，使裂变中产生的快中子（能量在0.1-20MeV，平均约为2MeV）减速为慢中子（能量约为

MeV），因为铀235裂变需要的是慢中子，只有通过减速，才能维持链式反应的进行。

C．控制棒：用镉制成，镉吸收中子的能力很强，调节镉棒插入的深度，改变吸收中子的数量，达到控制链式反应速度的目的。

D．冷却剂，常用水，液体钠等，在反应堆内外循环流动，把反应堆产生的热能传出去用以发电，同时降温，保证反应堆的安全。

5．增殖反应堆

学生课外阅读。

三、轻核聚变

学生阅读课文，并回答下列问题：

（1）是否任意核聚变在一起都释放出能量？为什么？

（2）什么叫轻核的聚变？

（3）发生轻核聚变的条件是什么？

结合裂变知识，引导学生回答问题：不是任意核聚变在一起都能释放能量。由爱因斯坦质能方程可知，只有在反应中出现质量亏损，即生成物的总质量小于反应物的总质量时，才能放出能量。

1．轻核的聚变

把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫做轻核的聚变，简称聚变。

常见的聚变反应有：

2231HHHH4Me

11112341HHHen17.6Me

11202．发生聚变的条件

要使轻核发生聚变，必须使它们核子间的距离接近到1015m，由于原子核都是带正电的，要使他们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，这就要求原子核有很大的动

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能。

怎样才能使轻核获得足够大的动能来产生聚变呢？

方法之一：就是将物质加热。温度越高，分子的热运动越剧烈，分子热运动的平均动能越大。当物质达到几百万摄氏度以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服原子核间的库仑斥力，在碰撞时发生聚变。因此，聚变反应又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。

根据你所知道的，还能通过什么方法实现核聚变？

日英开发出激光核聚变新方法，有关论文发表在近日出版的英国《自然》杂志上。有人提出利用电解重水的方法实现低温核聚变，但是未经证实。

3．聚变反应的特点

（1）

和裂变相比，聚变反应释放的能量更多

例如，一个氘核和一个氚核发生聚变，其核反应方程是：

2341

HHHen1120给出数据，让学生计算该核反应释放的能量。

氘核的质量：mD=2.014 102u 氚核的质量：mT=3.016 050u 氦核的质量：mα=4.002 603u 中子的质量：mn=1.008 665u 1u=1.660 6×10－27kg，e=1.602 2×10－19C 根据质能方程，释放出的能量

△E=△m·c2

2

(mmmm)cDTn27820.0188841.660610(3.010)

191.602210

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＝17.6 MeV 平均每个核子放出的能量约为3.3 MeV，而铀核裂变时平均每个核子释放的能量约为1 MeV。

（2）聚变材料丰富

1L海水中大约有0.03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧300L汽油。

常见的聚变反应：

2231

HHHH4Me11112341

HHHen17.6Me1120在这两个反应中，前一反应的材料是氘，后一反应的材料是氘和氚，而氚又是前一反应的产物。所以氘是实现这两个反应的原始材料，而氘是重水的组成成分，在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的。

（3）

安全、无污染

聚变产物基本上是稳定的氦核，没有放射性，不污染周围环境。而常规裂变反应堆会产生寿命长、放射性较强的核废料，容易引起环境污染。

可见，轻核的聚变是一种理想的解决能源的途径。通过阅读课本和大家查找的资料了解目前对聚变能的应用情况。

四、热核反应的应用

1．聚变能的应用

（1）

太阳能。热核反应在宇宙中是很普通的。太阳和许多恒星内部，温度高达107K以上，就满足热核反应的条件。太阳内部的氢核在极高温下聚变成氦核，每秒释放的能量达3.8×1026J。地球只接收了其中的二十亿分之一左右。对太阳能的应用主要是：地球上万物生长离不开太阳的光和热；太阳能热水器、太阳能电池等等。

请同学们查阅资料，更多、更详细地了解太阳能的应用。

（2）氢弹。氢弹是利用热核反应制造的一种大规模杀伤武器，在其中进行的是不可控热核反应。

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利用原子弹爆炸时产生的超高温，使氘和氚发生热核反应，在极短的时间内释放出大量的能量。

1

HHHen17.6Me120氢弹中用的1H不太容易获得，而且不能储藏很久，所以，有些氢弹用3Li来提供31H，其反应式为

2341366134

LinHHe4.8Me3012产生的氚与氘进行热核反应，又放出17.6兆电子伏特的能量。

氢弹比原子弹复杂一些，它需要用原子弹来引爆以获得热核反应所需的高温，而这些原子弹又要用普通炸药点燃。

要使聚变反应所产生的能量用于和平目的，则需实现可控热核反应。

2．可控热核反应

世界上许多国家都在积极研究可控热核反应的理论和技术。我国在这方面已经具有一定的实力，取得一定的成果。我国自行研制可控热核反应装置“中国环流一号”于1984年9月启动。位于合肥西郊的中国科学院等离子体物理研究所、具有国际先进水平的可控热核反应实验装置“HT-T超导托卡马克”于1994年安装成功。日前传出喜讯：基于超导托卡马克装置HT—7的可控热核聚变研究再获突破，运行参数居世界前两位。据介绍，本轮实验有来自美、日等14个研究机构的18位外籍专家参与，HT—7装置成为名副其实的国际可控热核聚变研究大舞台。

据专家估计，可控热核聚变可能在本世纪40年代投入商业运营，人类从此将拥有用之不竭的洁净能源。在这个中外科学家百年共同努力的造福人类的“千年工程”上，人们将会看到中国人用HT—7搭建的里程碑。相关内容可上网查询。

说明：

1．本节课重在让学生知道裂变反应和聚变反应能够释放能量，了解发生裂变反应和热核反应的条件及其特点。课本的内容只是点到为止，在高中阶段不易展开，所以处理本节课时，采取让学生阅读、讨论、总结的方法，培养学生收集和处理信息的能力、口头交

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流的能力。教师在教学过程中可以补充一些相关知识。

2．反应堆已成为人们获得核能的重要途径，而增殖反应堆还处在探索研究阶段；聚变反应作为一种理想能源，备受人们关注。鼓励学生查阅一些有关现代科技的资料，多了解一些有关裂变反应和聚变反应的知识。例如，增殖反应堆的研究，太阳能的应用，对“可控热核反应”研究的进展等等。

结论

本节课收获如下：

1.知识：（1）核能释放的条件；（2）重核裂变；（3）轻核聚变。

2.方法：理论探究法