原子核的结合能--裂变和聚变课件.ppt

1、20-2 原子核的结合能原子核的结合能 裂变和聚变裂变和聚变 原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就应等于所有质子和中子的质量之和：应等于所有质子和中子的质量之和：1.1.原子核的结合能原子核的结合能 根据爱因斯坦质能关系，可得原子核的结合能：根据爱因斯坦质能关系，可得原子核的结合能：mx=Zmp+(A-Z)mn 但实验测定的原子质量但实验测定的原子质量mx总是小于所有核子质量总是小于所有核子质量之和，这一差值称为原子核的质量亏损：之和，这一差值称为原子核的质量亏损：m=Zmp+(A-Z)mn-mX 质子和中子组成核的过程中，有能量质子和中子组成核

2、的过程中，有能量 E E释放出来。反之，要使原子核再分解为释放出来。反之，要使原子核再分解为单个的质子和中子就必须吸收单个的质子和中子就必须吸收 E E的能量。的能量。氘核吸收氘核吸收 E E能量后分解为质子和中子能量后分解为质子和中子 E氘氘质子质子中子中子 E=(E=(m)cm)c2 2=Zm=Zmp p+(A-Z)m+(A-Z)mn n-m-mX Xcc2 2原子核的结合能原子核的结合能爱因斯坦爱因斯坦原子结合能的计算原子结合能的计算一原子质量单位一原子质量单位kgu2710660552.11具有能量具有能量JcuE102104944968.11MeV10340605.92质子质量质子质

3、量ump007277.1中子质量中子质量umn008665.1核子平均结合能核子平均结合能AcmmZAZmEnp/)(2原子核的结合能原子核的结合能例：例：Fe5626umAZE922.555626核子平均结合能核子平均结合能56/)922.55008665.130007277.126(2uc2009411.0ucMeV79.8原子核的结合能原子核的结合能表表20-3 20-3 原子核的结合能原子核的结合能核子的核子的比结合能比结合能(MeV(MeV)原子核的原子核的结合能结合能 E(MeVE(MeV)核核H21H31He32He4223.211.147.883.23.2807.772.757

4、.2核子的核子的比结合能比结合能(MeV(MeV)原子核的原子核的结能结能 E(MeVE(MeV)核核C126O168Cu6329U238922.9268.75.12797.755275.8180358.7原子核的结合能原子核的结合能核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。Amc2AE 原子核的结合能非常大，所以一般原子原子核的结合能非常大，所以一般原子核都是非常稳定的系统。然而，不同原子核核都是非常稳定的系统。然而，不同原子核的稳定程度不同。的稳定程度不同。每个核子的平均结合能称为比结合能：每个核子的平均结合能称为比结合能：原子核的结合能原子核的结合能a.中等

5、质量原子核的核子平均结合能较大中等质量原子核的核子平均结合能较大Fe56268.79MeVAs75338.47MeVCu63298.75MeVb b.轻核和重核的核子平均结合能都较小轻核和重核的核子平均结合能都较小H312.83MeVU238927.5MeVPu239947.56MeV原子核的结合能原子核的结合能a.最轻和最重最轻和最重的核的比结合的核的比结合能较小。能较小。b.b.大多数中等大多数中等质量的核，比质量的核，比结合能较大且结合能较大且近似相等近似相等(都都在在8 8MeVMeV左右左右)。这说明中等质这说明中等质量的核最稳定。量的核最稳定。比结合能曲线0123456789020

6、406080100120140160180200220240质量数A比结合能（MeV/核子）U23392Pt19573Kr8223He42Li63H21原子核的结合能原子核的结合能第二种方法是轻核聚变。第二种方法是轻核聚变。因此，要利用原子核的结合能，必须从自然因此，要利用原子核的结合能，必须从自然界中存在的原子核来考虑。界中存在的原子核来考虑。方法有二：方法有二：第一种方法是重核裂变；第一种方法是重核裂变；要利用核能，理论上是把自由状态的要利用核能，理论上是把自由状态的Z Z个质子个质子和和(A-Z)(A-Z)中子结合起来组成中等质量的核，这样中子结合起来组成中等质量的核，这样放出的结合能最

7、多。但实际上，用质子和中子直放出的结合能最多。但实际上，用质子和中子直接组成中等核是不现实的，因为自由中子不易得接组成中等核是不现实的，因为自由中子不易得到，即便得到了一些，自由中子的半衰期也较短。到，即便得到了一些，自由中子的半衰期也较短。原子核的结合能原子核的结合能2.2.重核的裂变重核的裂变裂裂 变变原子弹爆炸原子弹爆炸裂裂变变产产物物百百分分数数裂变的产物分布曲线裂变的产物分布曲线重核的裂变重核的裂变质量较大的原子核（重核）在一定条件上质量较大的原子核（重核）在一定条件上分裂为两个或多个中等质量的原子核。分裂为两个或多个中等质量的原子核。裂变：裂变：MeV200n3KrBanU1092

8、36141561023592MeV200n2SrXenU109538139541023592重核的裂变重核的裂变 裂变后形成的中等质量的核具有过多的中子，由裂变后形成的中等质量的核具有过多的中子，由于中子具有放射性，所以这些中等质量的核是不稳定于中子具有放射性，所以这些中等质量的核是不稳定的。它们通过一系列的的。它们通过一系列的 衰变，放射性的中等质量的衰变，放射性的中等质量的核才转化为稳定核。核才转化为稳定核。nn1094381405410235922SrXeUeCsXe01-1405514054:Xe14054 用能量为用能量为1 1eVeV以下的慢中子轰击铀核时，铀核会以下的慢中子轰击铀

9、核时，铀核会分裂为两个质量相近的中等质量的核，同时放出一至分裂为两个质量相近的中等质量的核，同时放出一至三个快速中子。这种重核分裂为中等质量核的过程称三个快速中子。这种重核分裂为中等质量核的过程称为重核的裂变。为重核的裂变。重核的裂变重核的裂变eBaCs01-1405614055eLaBa01-1405714056e)Ce(La01-14058稳定14057:Sr9438eYSr01-94399438e)Zr(Y01-9440稳定9439重核的裂变重核的裂变 受控热核反应：受控热核反应：如果在受控条件下，每次裂变如果在受控条件下，每次裂变平均只有一个中子引起新的裂变，维持稳定的链式平均只有一个

10、中子引起新的裂变，维持稳定的链式反应，这就是核反应堆中的情况。反应，这就是核反应堆中的情况。原子弹：原子弹：铀核裂变时放出巨大的能量，同时铀核裂变时放出巨大的能量，同时能放出多于二个中子，若分裂时放出的中子全部被能放出多于二个中子，若分裂时放出的中子全部被别的铀核吸收，又引起新的裂变，这样，裂变的数别的铀核吸收，又引起新的裂变，这样，裂变的数目将按指数规律增大，结果形成一发散的链式反应，目将按指数规律增大，结果形成一发散的链式反应，这就是原子弹中发生的情况。这就是原子弹中发生的情况。重核的裂变重核的裂变原子弹：原子弹：利用铀、钚原子核的自持核裂变链式反利用铀、钚原子核的自持核裂变链式反应原理制

11、成的武器应原理制成的武器自持核裂变链式反应自持核裂变链式反应：不需外界干预，自身可持续：不需外界干预，自身可持续进行的核裂变链式反应。进行的核裂变链式反应。重核的裂变重核的裂变重核的裂变重核的裂变原子弹爆炸原子弹爆炸冲击波冲击波光辐射光辐射核电磁脉冲核电磁脉冲重核的裂变重核的裂变早期核辐射早期核辐射放射性沾染放射性沾染3.3.氢核的聚变氢核的聚变氢弹爆炸氢弹爆炸托克马克装置托克马克装置两个质量较小的原子核（轻核）在一定条件两个质量较小的原子核（轻核）在一定条件上聚合为质量较大的原子核。上聚合为质量较大的原子核。聚变：聚变：MeV4.22He2HLi422163MeV25.3nHeHH10322

12、121MeV6.17nHeHH10422131MeV3.17He2HLi4211733.3.氢核的聚变氢核的聚变上述反应都需要超高温条件，称为热核反应。上述反应都需要超高温条件，称为热核反应。从上式可知，电势能随着原子序数的增从上式可知，电势能随着原子序数的增大而增大，对原子序数大的重核，电势能大大而增大，对原子序数大的重核，电势能大而不易被克服；仅对于原子序数小的轻核才而不易被克服；仅对于原子序数小的轻核才能发生核聚变。能发生核聚变。)(4)(21021RReZeZEp21ZZpE 两个原子核互相接近产生聚变反应时，两个原子核互相接近产生聚变反应时，由于原子核间存在很大的库仑斥力，原子核由于

13、原子核间存在很大的库仑斥力，原子核碰撞动能必须克服两原子核间的电势能碰撞动能必须克服两原子核间的电势能 。氢核的聚变氢核的聚变e42126157157158158147147136136137137126HCpeNOONpNCpeCNNCpN 最重要的聚变过程之一是最重要的聚变过程之一是碳氮循环碳氮循环，其，其循环结果是把四个质子结合成一个氮核：循环结果是把四个质子结合成一个氮核：这个过程中释放的能量约为这个过程中释放的能量约为26.726.7MeVMeV氢核的聚变氢核的聚变氢弹氢弹：利用氘、氚（氢的利用氘、氚（氢的同位素）等轻原子核的聚同位素）等轻原子核的聚变反应原理制成的核武器变反应原理制成的核武器通常称为氢弹。通常称为氢弹。4.8MeVHeHnLi4231106317.6MeVnHeHH10423121氢弹反应式氢弹反应式氢核的聚变氢核的聚变氢弹氢弹：利用氘、氚（氢的利用氘、氚（氢的同位素）等轻原子核的聚同位素）等轻原子核的聚变反应原理制成的核武器变反应原理制成的核武器通常称为氢弹。通常称为氢弹。4.8MeVHeHnLi4231106317.6MeVnHeHH10423121氢弹反应式氢弹反应式氢弹结构示意图氢弹结构示意图氢核的聚变氢核的聚变