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    核裂變|核裂變和核聚變的區別|原子彈

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    核裂變概念

    核裂變,又稱核分裂,是指由重的原子核(也就是較大的原子核)分裂為兩個多個質量較小的原子或核子的過程。本文屬于高中物理選修3-5《原子核》的內容,主要幫助同學們解決:

    核裂變為什么釋放能量?簡而言之是因為存在質量虧損。能量釋放與核裂變質量虧損計算滿足愛因斯坦的質能方程E=mc²)。太陽核裂變還是核聚變?太陽是核聚變而不是核裂變。

    核裂變的元素

    最為常見的核裂變元素是鈾與钚。核裂變過程主要是指鈾核或钚核,分裂成兩個或多個質量較小的原子的一種核反應形式。

    原子彈、裂變核電站或核能發電廠的能量來源就是核裂變。核裂變的反應,是鏈式的,我們下面根據裂變圖來做一個簡要的解釋。

    核裂變與鏈式反應

    核裂變與鏈式反應

    其中鈾裂變wuli.in在核電廠最常見,熱中子轟擊鈾235原子后會放出2到4個中子,中子再去撞擊其它鈾235原子,從而形成如圖所示的鏈式反應。

    鈾235的原子核在吸收一個中子后發生裂變,一分為二。

    鈾核裂變放出2~3個中子,這些中子又會打中旁邊的兩個核,并擊破它們。這又會產生出4個新的中子,粉碎另外4個核。

    這樣。由1個鈾核裂變引起2、4、8、16……個鈾核裂變,很快把整塊鈾卷入,釋放出無比巨大的能量。鏈式反應可以不斷供給核分裂所需要的大量中子,是反應堆運轉的必要條件。

    鏈式反應如果不依靠外界的作用能持續下去,則稱為自持鏈式反應。核裂變是典型的自持鏈式反應。

    核裂變與原子彈

    原子彈及其爆破后的蘑菇云

    核裂變是在1938年發現的,由于當時第二次世界大戰的需要,核裂變被首先用于制造威力巨大的原子武器——原子彈。

    王尚老師輔導書物理自診斷每道題都有視頻講解,哪道題不會掃題旁二維碼即可看視頻,學習更高效,考試分數更高,歡迎添加微信teacherws咨詢。原子彈的巨大威力就是來自核裂變產生的巨大能量(見下方解釋)。戰后,人們除了將核裂變用于制造原子彈外,更努力研究利用核裂變產生的巨大能量為人類造福,讓核裂變始終在人們的控制下進行。核電站就是利用核裂變來發電的。

    原子彈(Atomic bomb)是核武器之一,是利用核反應的光熱輻射、沖擊波和感生放射性造成殺傷和破壞作用,以及造成大面積放射性污染,阻止對方軍事行動以達到戰略目的的大殺傷力武器。

    主要包括裂變武器(第一代核武,通常稱為原子彈)和聚變武器(亦稱為氫彈,分為兩級及三級式)。亦有些還在武器內部放入具有感生放射的輕元素,以增大輻射強度擴大污染,或加強中子放射以殺傷人員(如中子彈)。

    核武器是指利用能自持進行核裂變或聚變反應釋放的能量,產生爆炸作用,并具 有大規模殺傷破壞效應的武器的總稱。其中主要利用鈾235(厬U)或钚239(厱Pu)等重原子核的裂變鏈式反應原理制成的裂變武器,通常稱為原子彈;主要利用重氫(氘)或超重氫(氚)等輕原子核的熱核反應原理制成的熱核武器或聚變武器,通常稱為氫彈。

    原子彈爆破-質能方程的質量虧損

    核裂變為什么釋放能量

    根據愛因斯坦的質能方程,E=mc²可知:

    能量的虧損,會引起巨大的能量,比例系數為光速的平方。重核的核裂變過程中,存在著質量虧損。具體見下方鈾元素的核裂變方程介紹。

    鈾元素的核裂變方程

    以鈾U235為例,其核裂變方程為

    鈾元素的核裂變方程

    如上文所述,一個中子的轟擊,產生了三個中子,繼續撞擊另外的三個原子核,進而使得鏈式反應無限進行下去,直到所有核子都反應完。

    上述方程中,左側的總質量要比右側的總質量大,因此存在著質量虧損。根據愛因斯坦質能方程E=mc可知,鈾U235的核裂變會釋放大量的能量。

    這既是原子彈的原理,也是核電站發電的原理。值得同學們注意的是,后者的反應速率,是要被嚴格控制的。

    核裂變質量虧損計算

    核裂變質量虧損計算,需要借助愛因斯坦質能方程E=mc²來求解。

    太陽核裂變還是核聚變

    太陽輻射能量,是核聚變而不是核裂變。核聚變就是小質量的兩個原子核合成一個比較大的原子核。

    需要注意的是,只有小質量的兩個原子核合成,才能釋放能量(一般是氕氘氚這三個)。較大的核聚變并不會釋放能量,這個問題已經超出了高中物理的教學范疇了,大家了解下即可。

    求解核裂變物理題須知

    鈾的核反應方程中,左側必須含有一個中子,不能與右側的中子進行減法運算,這一點與化學方程式不同。

    并不是所有元素裂變都釋放能量,只有較大的原子核裂變才會釋放能量,這已經不屬于高中物理的教學范疇了,大家了解即可。

    核裂變學習問題與王尚老師答疑

    王尚老師物理答疑

    學生問題1:核裂變的過程中質量到底守恒嗎,為什么方程式中質量守恒,還要說質量虧損呢?

    王尚老師:核裂變方程中,確實要滿足質量數守恒和核電荷數守恒。請同學們注意,這里的質量數是質量數,不是質量。質量虧損,說的是參與核裂變反應的元素總質量,和反應后的總質量之差。這個差異是存在的,就是愛因斯坦質能方程中的質量差△m。請同學們利用物理自診斷專題43和專題44典型題和我的視頻講解,來更加深入理解這個問題和原子核的其他重要考點。

    學生問題2:鈾元素的核裂變和衰變有何區別?

    王尚老師:最簡單區別是:鈾元素的核裂變是非常劇烈的,瞬時發生的,而鈾元素的衰變是非常緩慢的過程(見參考文獻中半衰期的定義)。另外,發生核裂變,需要有高速運動的中子對鈾進行轟擊,才會出現上文中介紹的鏈式反應。請同學們利用物理自診斷專題43和專題44典型題和我的視頻講解,來更加深入理解這個問題和原子核的其他重要考點。

    參考文獻

     

    愛因斯坦的光電效應http://www.q6113.com/zongjie/kaodian/437787.html

    核聚變http://www.q6113.com/zongjie/x35/481797.html

    什么是半衰期http://www.q6113.com/zongjie/kaodian/437731.html

    什么是1U?U的概念詳解http://i.www.q6113.com/resource/14044.html

    放射性元素http://www.q6113.com/zongjie/x35/481798.html

    為什么1u等于931.5Mev?http://blog.www.q6113.com/26768

    愛因斯坦與原子彈http://blog.teacherws.com/study/5981.html

    德布羅意波http://www.q6113.com/zongjie/x35/481800.html

    盧瑟福的散射實驗http://blog.teacherws.com/wen/13432.html

    高中物理選修3-5核心考試要點http://www.q6113.com/zongjie/x35/481815.html

    作者:王尚,蘇陽。校正:齊思源。版權歸屬高中物理網(www.q6113.com),嚴禁轉載。

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