第三节 核 能

第三节 核 能[知识要点]（一）核力和核能在原子核里，除了质子间的库仑斥力以外，还有一种存在于核子（质子、中子）间的距离在2.0×10-15m 以内的强大的核力，它把各种核子紧密结合成为稳定的原子核。

正是由于核子间存在强大的核力，若要把原子核拆散成核子需要克服核力做巨大的功，因此需要巨大的能量。

反之核子结合成原子核时也要放出巨大的能量。

这个能量就叫作原子核能，简称核能。

（二）质量亏损和质能方程当核子组成原子核时，质量有微小的减少，我们把核子的质量跟原子核质量的差叫作核的质量亏损。

爱因斯坦在相对论中提出物体的能量和质量之间有着严格的正比关系，即质能方程E=mc 2当质量变化m ∆时，必定伴随着能量变化∆E 的单位是焦耳。

为了计算核能的方便，我们常用单位换算关系：1u(原子质量单位，即1.66×10-27kg)相当于931.5MeV(兆电子伏)所以 (m m ∆=∑核子核-m )u则 931.5E m MeV ∆=∆⨯（三）重核的裂变铀核的裂变：能量较小的慢中子被轴235俘获产生裂变，放出能量。

2351138951920563603U n Ba Kr n +→++链式反应：用中子轰击铀核产生裂变时，都要放出2-3个中子，这些中子又跟其他铀核作用，引起新的裂变并产生第二代中子，第二代中子又使铀核裂变产生第三代中子，……这样裂变反应就像链条一样，环环相扣持续不断地进行下去 。

核反应堆、核电站：核反应堆是可控的链式反应装置，能使核能平衡释放。

核反应堆中应有减速剂（石墨、重水D2O 、水），控制棒（镉棒），冷却剂（水、空气）和水泥防护层等。

核反应堆里产生的大量的热量将水变成蒸汽，推动汽轮机发电，这就是核电站。

（四）轻核聚变聚变：轻核结合成质量较大的核叫聚变，并且放出巨大的能量。

如 223111114H H H H MeV +→++2341112017.6H H He n MeV +→++热核反应：在几百万度高温时，原子将完全离子化，成为等离子体，有部分原子核具有足够大的动能，能够克服相互间的库仑斥力，在相互碰撞中接近到发生聚变而且释放巨大能量，这种在高温下才能发生的轻核聚变又叫热核反应。

可控的热核反应：热核反应能释放巨大能量，如能控制，它是一种理想的作为动力的能量来源。

我国的四川省乐山地区自行设计了可控核聚变实验装置，英国的欧洲联合环形聚变反应堆也进行了受控聚变实验，还有许多其他国家也都在研究可控的热核反应。

但是这是一个十分复杂的问题，至今还没有完满地解决。

[疑难分析]1.核力是如何产生的？原子是由原子核和在核外空间绕核旋转的电子组成的，原子核和电子是由电磁作用束缚在一起，光子是电磁作用的传递者。

原子核是由质子和中子组成的，而且原子核的结合是非常紧密、牢固的，原子核的密度高达107千克/米3，由此可知核子之间有着很强有吸引力，这个引力我们就叫作核力。

胶合质子、中子的核力是一种奇妙的力，它的强度远远超过电磁力，但是，作用范围极小，作用的距离只有10-15m （费米）的数量级，超过这个范围核力便趋于零。

核力是一种短程的强力。

一个核子只同附近几个核子有作用力（核力），而不是同原子核中所有核子起作用。

质子和质子之间、中子和中子之间、中子和质子之间的核力是相同的，与是否带电无关。

在任意两个核子（中子-中子、中子-质子、质子-质子）间都可以交换一种新的量子，这种量子在某种意义上与光子相似，但它的质量不等于零，而且是可以带电的，正是这种量子充当了核力的传递者。

我们现在知道这种新的量子叫作π介子和μ介子。

总之，核力是由于核子之间交换π介子而产生的。

2.如何正确理解质能关系 E=mc 2？爱因斯坦在狭义相对论中，写出了公式2/m E c ∆=∆，并指出：物质的质量是它所含能量的一种量度，如果能量改变了E ∆，在同样的意义上，质量改变了E ∆/c 2。

因此，质量是物质的一种属性，它不仅和惯性、引力性质相联系，它还和动量、能量相联系。

并且充分说明，物质与运动的不可分割性，物质质量和能量的不可分割性，有m 的质量，就隐藏着E 的能量，它们的量值是成正比关系的。

质量和能量，虽然它们之间具有相当性、对应性或等价性，但这并不等于说，质量就是能量，或者两者可以相互转变。

所谓质量和能量可以互相转烃的说法（在某些教材中出现过），以及“物质消灭，能量创生”、“能量消灭，物质创生”等观点是唯心主义的。

即使核子组成原子核时，发生了质量声损，伴随着能量释放，但这是同时发生的两回事，只不过它们的量值是成正比关系的。

[例题解析]1.一个电子和一个正电子相遇发生湮灭而转化为一对频率相同的光子，写出这个核反应方程。

已知：正负电子的质量均为m=9.1×10-31kg,光在真空中的速度c=3×108m/s,普朗克常数h=6.63×10-34J ·s ,转化前它们的动能都可忽略不计，则转化成光子后光子的波长为多少？解：42He 00112e e γ-++→（光子）光子是没有静质量的，因此正负电子相遇湮灭的质量亏损3129.110m kg -∆=⨯⨯。

湮灭所转化的两个光子的能量数值与质量亏损成正比。

由爱因斯坦质能方程：2E mc ∆=∆ 222ch mc λ=所以 34123186.6310 2.410()9.110310h m mc λ---⨯===⨯⨯⨯⨯ 2.已知氘核质量为2.0136u ，中子质量为1.0087u ，32He 的质量为3.015u 。

若两个氘核以相等的动能E k =0.35MeV 相向运动，进行弹性正碰（无动能损失），则在反应中产生的中子和氦核的动能各为多大？解：这是一个聚变核反应，核反应方程为22311120H H He n +→+在这一聚变中有质量的亏损伴有能量的释放，而且反应前又有动能，这两个能量之和认为完全变成氦核和中子的动能之和，反映了能量守恒的规律。

又因为反应前是弹性碰撞，应该遵循动量守恒的规律。

故 E 总=2E k +∆E=2×0.35+[2.0136×2-(1.0087+3.015)] ×931=3.96×106(Ev)又 m n U n +m Hc U Hc =0 2213212n n n n Hc Hc Hc n Hc Hc m U E U m E U m m U ==== n n Hc E E E +=34则 E n =34E 总=34×3.96×106eV=2.97×106(eV) E Hc =14E 总=14×3.96×106=0.99×106(eV) 3.已知一个铀235核裂变时能释放200兆电子伏的能量，问1千克铀完全裂变能够释放多少能量？相当于多少吨煤燃烧所放出的能量？又相当于多少吨梯恩梯（TNT ）火药燃烧所放出的能量？已知煤 的燃烧值为7000千卡/千克，火药的燃烧值约为1000千卡/千克。

解：1千克铀含有铀核的个数为 n=2324010001000 6.0210() 2.5610()235235N ⨯=⨯⨯=⨯个个 每个轴核裂变释放200MeV ，则1千克铀释放的总能量为E =2.56×1024×200×106eV=5.12×1026×106×1.6×10-19J=8.2×1013J=1.95×1013cal=1.95×1010kcalm 煤=101.95101000⨯千克=2785吨 m 火药=101.95101000⨯千克=19500吨=1.95万吨 1千克铀完全裂变释放的能量相当于2785吨煤或相当1.95万吨火药所释放的能量。

[知识拓宽]1.关于太阳内部的热核反应高悬于蓝天之上的太阳，就像一个熊熊燃烧的大火球，无穷无尽地向外辐射着光和热。

地球——人类的摇篮——只接收太阳放出的能量的二十亿分之一，就使地面温和，万物生长，江河流动，……。

太阳向外辐射出如此巨大的能量，是由太阳内部的热核反应而产生的，每秒钟辐射出的能量是3.8×1026焦耳。

热核反应式为：1401214225.7H He e MeV +→++由爱因斯坦质能方程2E mc ∆=∆，我们不难算出太阳每秒钟质量的亏损。

2692823.810 4.210()(310)E m kg c ⨯∆===⨯⨯ 每秒太阳质量的亏损，也就是每秒钟消耗的质量为4.2×109kg ，相当于80艘5万吨巨轮的质量。

在能源匮乏的地球上，人们再次把眼睛转向太阳，希望充分利用太阳能的资源。

在大气层外空间建立太阳能发电站，再利用微波向地面输送电能——太空束能——就是设想之一。

2.我国核电工业的发展及其安全性、清洁性。

1991年12月15日我国自行设计、建造的第一座核电站，30万千瓦的浙江秦山核电站已并网发电。

目前又在进行两台60万千瓦二期工程的建设。

1996年底，两台70万千瓦的前期工程已开始建设，在本世纪初这里将形成近300万千瓦装机容量的核电基地。

1994年2月我国引进资金、设备、技术建设了第一座大型核电站，即90万千瓦的广东大亚湾核电站。

能源紧张的问题，是当前人类面临的最重要的问题。

若人类能源的消耗量以每年2%的速度增加，那么，到了2050年，世界上的石油资源、天然气资源、煤炭资源都将耗尽，所以，人类必须寻找新的能源，核能源是21世纪所必须依赖的能源。

从长远的利益出发，从我国的核资源的储量出发，从我国沿海地区能源的需要出发，从我国核能发电技术设备的规模和技术队伍出发，我国必须、也一定能大力发展核电工业。

核电站不是一颗原子弹。

尽管两者在原理上相似，但是，原子弹用的原料是高浓度（90%以上）的铀235，核电站用的原料则是低浓度（3%）的铀235，且是与氧结合成二氧化铀的陶瓷块。

原子弹爆炸时在短短几秒钟内就把能量集中放出，而核电站是在受控状态下，非常缓慢地释放能量，仅仅是原子弹的链式反应速度的千万分之一。

我国的核电站的反应堆的堆型是压水堆，不仅体积小、成本低、技术上成熟，更重要的是它的可靠的安全性和清洁性。

首先，我国核电站的设计极其周密、审慎，并留有较大的安全系数，以不污染国土、不危害人民的原则为前提；其次，设置了多重独立安全保护和控制系统：（1）核燃料是二氧化铀陶瓷块，裂变的产物大多仍然是固体，98%以上的放射性物质仍然保存在其中，放射性物质不会跑出来。

（2）核燃料密封在锆制的包壳内，并放在水中，核能不排放二氧化碳。

（3）核燃料堆芯又放在20厘米厚的、1.5×104Pa 高压系统内的压力容器内。

（4）整个反应堆又安装在厚1米的安全壳内。