第二章核物理學(xué)及核技術(shù)重點(diǎn)內(nèi)容輔導(dǎo)

電子電量是自然界中最小的電荷量，全部的粒子所帶電荷都是電子電量的整數(shù)倍。

這三個(gè)發(fā)現(xiàn)稱為近代物理學(xué)史上的三大發(fā)現(xiàn)。

三大發(fā)現(xiàn)的重要意義

假如說，X射線的發(fā)現(xiàn)是自然界發(fā)出的一個(gè)信息，它告訴人們，原子內(nèi)部有著復(fù)雜的構(gòu)造；那么放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)則令人們意識到原子是可變的；而電子的發(fā)現(xiàn)，打破了原

子不行分的觀點(diǎn)，標(biāo)記著人們終于翻開了原子世界的大門。RTCrpUDG

射線、天然放射性和電子，這三大發(fā)現(xiàn)令人們對原子的實(shí)體性不再有思疑，更加重要的是，它令人們認(rèn)識到原子不再是物質(zhì)構(gòu)造中不行切割的最基本單元，原子是由更深層次的物質(zhì)所構(gòu)成的。并且，原子內(nèi)部在發(fā)生變化，構(gòu)成原子的深層次物質(zhì)有其自己

的運(yùn)動規(guī)律。此后，人們開始了對微觀世界的不懈探究。5PCzVD7H

二、盧瑟福對于原子的有核模型

1911年英國物理學(xué)家盧瑟福提出了原子的“有核構(gòu)造模型”。

他以為原子是由原子核和電子構(gòu)成的。全部的正電荷和原子質(zhì)量都集中在原子中心的一

個(gè)特別小的體積內(nèi)，這就是“原子核”，其半徑在1014~1015米范圍內(nèi)。原子中的電子

是在核周環(huán)繞核運(yùn)動，運(yùn)動半徑約為1010米范圍內(nèi)，帶正電的核和帶負(fù)電的電子之間的靜電引力把整個(gè)原子聯(lián)合在一同。jLBHrnAI

三、X射線的實(shí)質(zhì)

X射線像光同樣，也是電磁輻射。但是

X射線的波長比紫外線還短，在

10

10

~10

13

m范圍內(nèi)，人的眼睛察看不到。但是，

X射線經(jīng)過晶體時(shí)可發(fā)生衍射現(xiàn)

象，證明了它的光的實(shí)質(zhì)。

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生活應(yīng)用中，常常利用這一點(diǎn)對不明物質(zhì)進(jìn)行判定，如考古中鑒識文物

的真?zhèn)?、醫(yī)學(xué)中經(jīng)過測定頭發(fā)中的微量元向來診療疾病等等。xHAQX74J四、原子核的構(gòu)造

原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。質(zhì)子和中子除了所帶電荷不一樣外，其余各方面都很相似，

所以，物理學(xué)家把它們統(tǒng)稱為核子。LDAYtRyK

1/7

原子核是由Z個(gè)質(zhì)子、和N此中子構(gòu)成，原子核的質(zhì)量數(shù)就是A＝Z＋N，也就是說,

原子核由A個(gè)“核子”所構(gòu)成，A又稱為原子核的核子數(shù)。對于任何一種原子核，就簡

稱為ZA元素。Zzz6ZB2L

五、核力

核子與核子之間的互相作使勁稱為核力。這種核力擁有以下特色：

1）核力是一種強(qiáng)互相作用，只管它是宇宙中最強(qiáng)的互相作用，倒是最晚被發(fā)現(xiàn)的

兩種互相作用中的一種。核力的作用是保持原子核的穩(wěn)固，所以核力要比庫侖力強(qiáng)得

多。假如電磁互相作用的強(qiáng)度為1，強(qiáng)互相作用的強(qiáng)度就是它的137倍。dvzfvkwM（2）核力是短程力，只有當(dāng)兩核子之間的距離為原子核的半徑

1015米時(shí)，才有互相

作用。

3）核力有飽和性。這種飽和性使得原子核和水同樣、表現(xiàn)不行壓縮性，即原子核的密度近似為常數(shù)。

六、愛因斯坦質(zhì)能方程式及其意義愛因斯坦在1905年對于狹義相對論的第二篇短文中闡述了質(zhì)量與能量的關(guān)系，代地寫出了一個(gè)“質(zhì)能關(guān)系式”：rqyn14ZN

劃時(shí)

Em

c2

常有形式是：

E(

m)c2

式中

E

為能量，

m

為質(zhì)量，

c為光速。光的速度為

c

3.0108

m·s-1，是全部物

質(zhì)運(yùn)動速度的最大極限。從公式中能夠看出，物體的能量每增添

E，相應(yīng)的慣性質(zhì)量

也必然增添

m

E/c2；反之，每減少

m

的質(zhì)量，就意味著開釋出

E(

m)c

2的

巨大能量。也就是說：質(zhì)量與能量是等價(jià)的，是能夠互相轉(zhuǎn)變的，少許的質(zhì)量能夠變換為十分巨大的能量。這是一個(gè)震天動地的理論，它揭開了宇宙的一個(gè)巨大奇妙，為核能

的利用確立了理論基礎(chǔ)。所以，這一公式被后代稱為“改變世界的方程”。EmxvxOtO

人們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，原子核的質(zhì)量其實(shí)不是質(zhì)子質(zhì)量和中子質(zhì)量的整數(shù)倍，而是往

往比“整數(shù)”略小一些。這是因?yàn)橘|(zhì)子和中子之間存在著強(qiáng)盛的核力把質(zhì)子和中子“粘”成了原子核。在形成原子核的過程中質(zhì)量減少，依據(jù)愛因斯坦的質(zhì)量能量關(guān)系式

E(m)c2

來看，就意味著要開釋出能量。這已經(jīng)為實(shí)驗(yàn)所證明。在原子核聯(lián)合過程中所開釋出來的能量，稱為聯(lián)合能。SixE2yXP七、人類探究物質(zhì)更深層次的努力自然界中全部物體的互相作用，都能夠歸納為四種基本的互相作用，即引力互相作2/7

用、弱力互相作用、電磁力互相作用和強(qiáng)力互相作用

。6ewMyirQ

全部的基本粒子，依據(jù)它們參加各樣互相作用的性質(zhì)，分為三大類：

和流傳子。

強(qiáng)子、輕子

(1)強(qiáng)子：直接參加強(qiáng)互相作用的粒子統(tǒng)稱強(qiáng)子。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的粒子絕大多半是強(qiáng)子，最常有的強(qiáng)子是質(zhì)子和中子。

輕子：不參加強(qiáng)互相作用，只參加弱互相作用、電磁互相作用、引力互相作用的

粒子，如電子、介子、中微子等。kavU42VR

(3)流傳子：即傳達(dá)互相作用的基本粒子。比如，光子是電磁互相作用傳達(dá)的媒介，基本的電磁作用過程表現(xiàn)為放出和汲取光子；傳達(dá)強(qiáng)互相作用的膠子；傳達(dá)弱互相作用的玻色子。

以后，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)子內(nèi)部還有點(diǎn)狀的荷電粒子，人們稱強(qiáng)子內(nèi)部

點(diǎn)狀的東西為“夸克”。夸克的半徑約為1020m的范圍。y6v3ALoS

八、原子能的三種開釋方式

原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，質(zhì)子和中子之間存在著強(qiáng)盛的核力。在質(zhì)子和中子形成

原子核的過程中，核力把質(zhì)子和中子“粘’’成了原子核，原子核的質(zhì)量減少，這一質(zhì)量損失轉(zhuǎn)變成能量儲藏在原子核內(nèi)，稱為核能，也叫原子能。假如原子核的構(gòu)造發(fā)生變化，

儲藏在原子核內(nèi)的核能就會以衰變、裂變、聚變的方式開釋出來。M2ub6vST1.原子核的衰變原子核的衰變分為

衰變、

衰變和

衰變。

放射性核素及其放射性規(guī)律在生產(chǎn)和生活中有著極為寬泛的應(yīng)用，特別是在考古和

醫(yī)學(xué)方面。碳—14是宇宙早期形成的放射性元素，半衰期是5730年。碳—14在考古中

有十分重要的作用。在醫(yī)學(xué)上，放射性核素作為藥物臨床使用主要用于診療和治療兩個(gè)

方面。0YujCfmU

2.原子核的裂變

核裂變一般是指一個(gè)重原子核分裂成兩個(gè)質(zhì)量為同一量級的碎塊，并開釋出能量的現(xiàn)

象，但在少量狀況下也可分裂成三個(gè)或更多個(gè)碎塊。eUts8ZQV

這里有兩種模式，一種是由重原子核自覺碎裂，并開釋出能量。另一種是在中子作用

下而引起的核裂變，這種核裂變除了原子核碎裂成兩個(gè)碎塊、開釋能量外，還會開釋出

兩三此中子，這是人類迄今為止大批開釋原子能的主要方式。sQsAEJkW裂變的過程

重核裂變能夠自覺進(jìn)行，也能夠人工惹起。在核裂變時(shí)，陪伴著四個(gè)現(xiàn)象：開釋中子，開釋射線(及)，開釋能量，開釋中微子。GMsIasNX

用中子轟擊重核能有效地惹起核分裂，因?yàn)橹凶硬粠щ?，它能夠順利地?jīng)過核外電子層，進(jìn)入原子核內(nèi)部。

鏈?zhǔn)搅炎兎错?/p>

鏈?zhǔn)胶朔错懯侵负朔错懏a(chǎn)物之一能惹起同類反響，使得這樣的反響能鏈?zhǔn)降剡M(jìn)行下

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去的核反響。重核受中子沖擊發(fā)生裂變過程中開釋出新中子，假如新中子能夠使其余重

核連續(xù)發(fā)生裂變，鏈?zhǔn)搅炎兎错懢湍軌驅(qū)崿F(xiàn)。比方，在中子轟擊下鈾—235核每次裂變產(chǎn)

生2～3個(gè)新的中子，新中子惹起周邊鈾—235核裂變，并在其裂變中再產(chǎn)生新的中子。

于是在必定的條件下，不靠外界作用就能連鎖式地惹起其余鈾—235核的裂變反響，同時(shí)

使系統(tǒng)連續(xù)地放出大批的裂變能量，這個(gè)過程就是鏈?zhǔn)搅炎兎错?。TIrRGchY

3.原子核的聚變

兩個(gè)或幾個(gè)輕原子核聯(lián)合成一個(gè)較重的原子核，并開釋出能量，這種聯(lián)合稱為聚變。

中等質(zhì)量的元素，不論是裂變?nèi)允蔷圩兌疾粫_釋能量，并且需要汲取能量。重的元

素裂變時(shí)會開釋出能量。輕的元素則在聚合為較重的元素時(shí)能開釋出能量。能夠以為裂

變能和聚變能的實(shí)質(zhì)同樣，這是因?yàn)樗鼈兌际窃谠雍税l(fā)生“分裂”和“聯(lián)合”時(shí)由質(zhì)量損失

造成的。7EqZcWLZ

聚變能與裂變能對比擁有好多長處。比方，氘和氚發(fā)生聚變后兩個(gè)原子核聯(lián)合成一

個(gè)氦原子核，并放出一此中子和17．6MeV的能量。固然每一次氘和氚發(fā)生聚變時(shí)開釋

的能量比一次鈾-235裂變開釋約200MeV的能量少得多。但是，因?yàn)殡碗鞍l(fā)生聚變時(shí)

只有5個(gè)核子參加反響，而鈾-235裂變時(shí)有236個(gè)核子參加反響，所以，假如按均勻每

個(gè)核子開釋的能量來說，氘和氚聚變開釋的能量是鈾-235裂變開釋的能量的4．14倍。

更主要的是氘的儲量豐富，每升水含0．03克氘，比海水中鈾的含量大1萬倍，地球上

的水中約有40萬億噸氘，所以地球上聚變?nèi)剂系膬α勘攘炎內(nèi)剂县S富得多。lzq7IGf0

聚變能源不單豐富，并且安全、潔凈。因?yàn)榫酆朔错懙漠a(chǎn)物是相當(dāng)穩(wěn)固的氦核，沒有放射性污染，所以更擁有安全性。因?yàn)榫酆朔错懶枰矔r(shí)高溫來引起，而就人類當(dāng)前的科技水平而言，還沒有法解決高溫本源、容器械料和反響過程控制等問題，所以，核聚

變的和平利用有待于人類的進(jìn)一步探究。zvpgeqJ1

九、原子能的利用

當(dāng)前，人類已進(jìn)入了核能利用時(shí)代。核武器、核電站和放射性同位素與射線應(yīng)用是一個(gè)國家掌握核科學(xué)、核技術(shù)能力的標(biāo)記，成為綜合國力的表現(xiàn)，并在國際政治、經(jīng)濟(jì)

關(guān)系中發(fā)揮側(cè)重要作用。NrpoJac3

1.核裂變反響堆

能夠使核資料發(fā)生鏈?zhǔn)搅炎兎错?，將能量連續(xù)不停地開釋的裝置，稱為核裂變反響堆。

核裂變反響堆的主要作用：供給（開釋出）連續(xù)的核能。

按反響堆的用途分，有生產(chǎn)堆、動力堆、研究堆、生產(chǎn)-動力堆。

生產(chǎn)堆主要用于生產(chǎn)易裂變資料和其余資料，或許用于工業(yè)規(guī)模的輻射反響堆。國

際上生產(chǎn)堆主假如軍用，如生產(chǎn)能夠制造核武器的易裂變資料钚-239、聚變資料氚等。

1nowfTG4動力堆主要用于生產(chǎn)動力，大批地用于核電站，也用于核動力船艇

艦及個(gè)別核商船和破冰船。

研究堆主要用于基礎(chǔ)研究或應(yīng)用研究。

生產(chǎn)-動力堆，顧名思義，即在生產(chǎn)易裂變資料的同時(shí)還生產(chǎn)動力。

按反響堆所用的核燃料種類分，有天然鈾堆和濃縮鈾堆。

-核潛艇、航空母

前者是以天然鈾作燃料的反響堆，如我國秦山三期核電站就是以天然鈾作燃料的重

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水反響堆；20世紀(jì)50年月到60年月時(shí)期，英國和法國建筑的用石墨慢化、用氣體冷卻的反響堆也是天然鈾反響堆。

壓水堆、輕水堆則是以濃縮鈾作燃料的反響堆，大多半動力堆就屬于這種。fjnFLDa5按反響堆用的慢化劑與冷卻劑分，有輕水堆、重水堆、石墨堆。

輕水堆是以水或汽—水混淆物作為一次冷卻劑和慢化劑的反響堆，它又分為壓水堆和開水堆，這是核電站的兩種主要堆型。

以重水作慢化劑的反響堆叫做重水堆。

石墨堆是以石墨作慢化劑的反響堆，假如用水作冷卻劑，又稱石墨水冷堆。tfnNhnE62.原子彈

核裂變能量的利用，能夠有兩個(gè)方向：一個(gè)是控制它，讓它依據(jù)必定要求均勻地放

出，使之成為一種新能源；另一個(gè)是使它急劇地、無控制地開釋，成為毀壞性的力量，

這就是核武器。HbmVN777

原子彈利用的是沒有慢化劑、不加以控制的鏈?zhǔn)椒错憗韺?shí)現(xiàn)強(qiáng)烈爆炸的核武器。

十、核電站

核能的和平利用中最主要的一種方式是核電。核電站是利用原子核裂變反響所放出

的核能，驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電廠。V7l4jRB8

它往常包括兩個(gè)回路系統(tǒng)：一回路系統(tǒng)是核蒸氣供給系統(tǒng)，將核電站的核心-反響堆

所放出的核能(主假如以熱能方式放出)，由冷卻劑帶到蒸氣發(fā)生器中，用以產(chǎn)生蒸氣，

這相當(dāng)于慣例火電廠的鍋爐系統(tǒng)；二回路系統(tǒng)是蒸氣驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電的系統(tǒng)，

與慣例火電廠汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)基真同樣。83lcPA59

十一、核能是高效、潔凈與安全的能源

因?yàn)槿藗兊谝淮握J(rèn)識到核能的巨大威力，是從日本廣島、長崎遇到原子彈的侵襲而

得來的。所以許多人此后形成了對核能的懼怕，以為核能是災(zāi)害、污染的化身。其實(shí)核

能與傳統(tǒng)能源對比的長處是顯然的，歸納說來是高效、潔凈與安全。mZkklkza

1）核能是高效的能源。

下表列出了各樣能源的能量密度。

能源單位發(fā)電量（Kw.h）種類太陽能60m2照耀1小時(shí)水能11m～300m落差木材1kg11煤1kg3石油1kg4天然1kg（可利用0.72％U－鈾235）5萬600萬Pu1kg（由U－238變換生成）－2395/7從這個(gè)圖表能夠看出，一千克天然鈾所能夠發(fā)出的電量是同量木材，煤，石油等燃料所發(fā)電量的數(shù)萬倍以上，也是太陽能，水能等天然能源發(fā)電量的萬倍以上。從中能夠確認(rèn)核能是一種高效的能源。AVktR43b

（2）核能是潔凈的能源。

潔凈是指廢物總量及其對環(huán)境的影響。一座1000MW的核電站每年卸出的焚燒后的

核燃料（稱作乏燃料）30余噸，此中絕大多半經(jīng)辦理后可回收利用，僅50余千克是真實(shí)

待處理的“廢物”。自然，因?yàn)檫@些都是放射性元素，辦理時(shí)要解決特別的科學(xué)技術(shù)問

題。但總量少、總?cè)莘e小是其基本特色。與此對比，一座同功率的燃煤電站每年需耗煤

200余萬噸，向環(huán)境排放的廢物有二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及28噸煙灰。在煙灰

中含有毒的重金屬，如砷、汞、鉛、鎘。還有0.68克鐳、4.3噸釷及2噸鈾放射性物質(zhì)隨

煙灰排放到大氣中。煤電站排出的氣體中，二氧化硫及氮氧化物是造成酸雨的本源，二氧化碳則是影響全世界大氣環(huán)境的溫室氣體，均屬應(yīng)限制及減少排放的對象。二氧化硫?qū)?/p>

人的健康是對人的健康是極為有害的。1952年12月倫敦發(fā)生“毒霧”事件，究其原由是

因?yàn)楫?dāng)時(shí)氣象條件使燃煤煙霧及二氧化硫不可以實(shí)時(shí)擴(kuò)散所致。ORjBnOwc

3）核能是安全的能源。

對于放射性安全問題，人類的生活環(huán)境中原來就存在天然放射性，來自于土壤、居

室、空氣及宇宙線這些放射性稱為“天然本底”。因?yàn)楹穗娬静杉{了嚴(yán)格的技術(shù)與管理，對核燃料在反響堆內(nèi)、外的整個(gè)循環(huán)過程中，都采納了嚴(yán)實(shí)的與環(huán)境隔絕的舉措，四周居民因?yàn)楹穗娬径龅降姆派湫晕廴局槐取疤烊槐镜住痹鎏砹税俜种?，而煤電站因?yàn)槊旱耐掏铝看?，沒有隔絕防備舉措，隨煙灰排放的放射性物質(zhì)對四周居民的影響比“天

然本底”高一倍，其放射性污染也比核電站大得多。2MiJTy0d

十二、我國核能發(fā)展的概略

1.秦山核電站是我國第一座自行設(shè)計(jì)自主建設(shè)的核電站，裝機(jī)容量300MW，于1985

年3月20日正式動工，1991年12月15日并網(wǎng)發(fā)電，此后結(jié)束了我國大陸無核電的歷史，

實(shí)現(xiàn)了我國在核電技術(shù)上的重要打破。gIiSpiue

2.從法國成套入口的廣東大亞灣兩臺900MW的核電機(jī)組，也分別于19