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核子反应与核能利用. 原子时代的奇迹. 目录. 第一部分 核子反应与核能利用 第一章 原子核还能分割吗 一、 放射性的发现 二、 一个大飞跃 三、 三种射线 、 和 四、 产生放射性的原因 第二章 核子反应与核子的发现 一、 首次人工核反应与质子的发现 二、 铍辐射之谜与中子的发现 三、 原子核 (Nucleus) 的结构 四、 原子核的结合能 五、 核能何来 第三章 原子能的开发与利用 一、原子能的开发 1.1 重核裂变的发现 1.2 裂变的机制 1.3 链式反应 1.4 聚变反应. 二、原子能的利用
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核子反应与核能利用 原子时代的奇迹
目录 • 第一部分 核子反应与核能利用 • 第一章 原子核还能分割吗 • 一、放射性的发现 • 二、一个大飞跃 • 三、三种射线 、和 • 四、产生放射性的原因 • 第二章 核子反应与核子的发现 • 一、首次人工核反应与质子的发现 • 二、铍辐射之谜与中子的发现 • 三、原子核(Nucleus)的结构 • 四、原子核的结合能 • 五、核能何来 • 第三章 原子能的开发与利用 • 一、原子能的开发 • 1.1 重核裂变的发现 • 1.2 裂变的机制 • 1.3 链式反应 • 1.4 聚变反应 • 二、原子能的利用 • 2.1 原子弹与氢弹 • 2.2 核电站 • 大亚湾，岭澳I期，秦山I期，秦山II期，秦山III期， • 三门核电站，田湾核电站 • 2.3 可控核聚变的研究现状与前景 • 第二部分 放射性同位素与考古 • 第一章 放射性衰变的基本规律 • 1.1 放射性衰变的基本规律 • 1.2 半衰期和平均寿命 • 1.3 放射性强度 • 第二章 人工放射性与同位素 • 2.1 人工放射性的发现 • 2.2 同位素 • 2.3 放射性与放射性同位素 • 第三章 放射性与放射性同位素的应用 • 碳-14测年法、伪画鉴定、 • 打击走私和反恐怖斗争
第一部分 核子反应与核能利用 根据授课班级的专业性质从三章选讲
第一章 原子核还能分割吗 一、放射性的发现 二、一个大飞跃 三、三种射线 、 和 四、产生放射性的原因
刀 伽玛刀是一种放射治疗设备，全称是：伽玛射线立体定向治疗系统。它将许多束很细的伽玛射线从不同的角度和方向照射过人体，并使它们都在一点上汇聚起来形成焦点。由于每一束射线的剂量都很小，基本不会对它穿越的人体组织造成损害，只要将焦点对准病变部位，就可以象手术刀一样准确地一次性摧毁病灶，达到无创伤、无出血、无感染、无痛苦、迅速、安全、可靠的疗效。 治疗前(A图)，治疗后2年(B图) ，DSA显示动静脉畸形完全消失。(万杰集团)
刀 阳光下的放大镜，只有在焦点才能产生高温，使火柴头燃烧，伽玛刀正是运用了这个原理。 伽玛射线采用多角度多方位聚焦，穿过正常组织，杀死焦点处的病变组织，其他正常组织安然无恙。 玛西普伽玛刀
射线源 90Sr Beta射线源
一、放射性的发现 • 1896年，放射性由贝克勒尔（A.H.Becguerel）发现，这一发现与一年前伦琴（W.K.Rontgen）发现X射线密切相关。贝克勒尔在研究X射线的来源过程中发现了放射性。
放射性发现的过程 • 贝克勒尔发现铀化合物不管是否被阳光照射过，总是能发射出与荧光无关的、也具有穿透黑纸能力的射线。 • 这种射线（又叫辐射）不仅能使底片感光，还能使气体电离成导体，并且所有铀盐都能自发发出这种辐射。这种神秘的射线当时被称为“贝克勒尔射线”（后来，根据居里夫人的建议凡是具有这种性质的物质都称为“放射性”的物质）。
二、一个大飞跃 • 法国科学家皮埃尔·居里（1859~1906）和他的夫人玛丽·居里（1867~1934）先后发现了钋、镭等新的放射性元素。 • 1898年7月，发现 “钋（Polorium）” • 1898年9月，发现 “镭”。 • 1902年居里夫妇从8吨铀沥青废矿渣里分离出0.12克纯氯化镭，并测定其原子量为225（国际公认值226.0254），镭的放射性比铀强二百多万倍。三年后，金属纯镭的提炼获得成功。 • 1903年他们与贝克勒尔共同获得了诺贝物理学奖，居里夫人成为有史以来第一个获得诺贝尔奖的妇女。 视频：放射性的发现
三、三种射线 、 和 • 1899年卢瑟福（E.Rutherford）发现了、 射线 • 1900年法国维拉尔发现了射线 • 卢瑟福是这三类辐射术语的命名者。 • 射线是带两个正电荷的氦核流； • 射线是带是带负电的电子流； • 射线是电中性的电磁辐射（高能光子流）。
三种辐射（射线）的区别 • 三种射线在电场（或磁场）中的偏转轨迹不同 • 三种射线具有完全不同的穿透性
三种射线在电场中的偏转 对这三种射线，用它们在垂直于运动方向的电场（或磁场）中的轨迹即可区分。 视频：三种射线
完全不同的穿透性 • 对于射线，一张纸就可把它挡住。 • 对于射线，非但纸挡不住，甚至可穿过几毫米厚的铝板，但强度有明显减弱。 • 对于射线，它的穿透力最强，在穿过几毫米的铝板后，减弱很少，要挡住它，则要用又厚又重的铅砖。
原子核 电子 四、产生放射性的原因 • 1902年，卢瑟福与美国化学家索迪发表了他们合作研究的结果，认为放射性的产生是一种元素的原子脱变为另一种元素的原子时所发生的现象。这些原子在放出粒子或粒子后，便自发地转变成为另一种元素的原子。 • 卢瑟福于1909~1911年发现原子核。
结论 • 原子核也可以再分割。 • 原子核是有结构的
第二章 核子反应与核子的发现 • 一、首次人工核反应与质子的发现 • 二、铍辐射之谜与中子的发现 • 三、原子核(Nucleus)的结构 • 四、原子核的结合能 • 五、核能何来
一、首次人工核反应与质子的发现(1) • 人工核反应(Artificial Transmutation)利用放射性元素释放出来的高能粒子轰击已有原子核引发的核反应，从而产生不同元素或同位素。 • 1919年，卢瑟福利用212Po放出的7.68MeV的粒子轰击氮气发生如下反应：即粒子与14N发生反应产生氢核和17O。
一、首次人工核反应与质子的发现(2) • 1919年卢瑟福确认用粒子轰击氮所产生的粒子就是氢的原子核(protons)，其所带电荷与电子电荷数值相等而符号相反，质量约为电子的1836倍。 • 这是人类首次有意识地完成的核反应，标志着核物理时代的开始。
二、铍辐射之谜与中子的发现 • 1920年卢瑟福提出原子中可能存在不带电的中性粒子的假设。 1910年，Ｊ·Ｊ·汤姆孙制成第一台用以测量带电粒子质量的仪器——质谱仪，这一发明使人们可以精确测量各种原子的原子量。
导致发现中子的核反应 • 1930年，德国物理学家博特和贝克尔用射线轰击铍时，发现了一种穿透力极强的未知射线，他们误认为这是一种辐射。 • 这种核反应如下: • 1932年查德威克确认这种不带电的，质量跟质子差不多的新粒子（射线）就是卢瑟福所预言的中性粒子，称之为“中子”(neutrons)，用n表示。 • 查德威克由于发现中子获得1935年诺贝尔物理学奖。 查德威克
发现中子的意义 • 中子不带电，因此不会受原子核静电力的排斥，很容易钻进原子核中，所以它是打开原子核大门的一把钥匙。 • 人们了解到原子核的组成的基本单元应是质子和中子，这两者现在统称为核子。
三、原子核(Nucleus)的结构 • 原子核包含两种粒子：中子(Neutron)与质子(Proton) • 中子与质子的质量相近，约为电子质量的1840倍。
中子、质子、电子的质量 • 它们质量很小，通常以“原子质量单位”u表示 • 1u = 1.6610-27 kg • 1me = 9.10910-31 kg = 0.00055 u • 1mp = 1.6726210-27 kg = 1.00730 u • 1mn = 1.6749310-27 kg = 1.00869 u
四、原子核的结合能 • 原子核的结合能就是自由核子结合成原子核时所释放出的能量。 • 这能量也正是要把原子核全部打碎所需要提供的最起码的能量。 当氘核与氚核聚变成为一个氦核（粒子）的过程中，反应前后发生质量亏损，根据爱因斯坦质能方程可知，此过程将由巨大的能量产生。 轻核的聚变
五、核能何来 • 当结合能小的核变成结合能大的核，即当结合得比较松的核变到结合得紧的核，就会释放出能量，这就是核能的来源。 • 两个途径可以获得能量： • 重核裂变，即一个重核可裂变为两个中等质量的核，从而获得原子能。 • 轻核聚变。当两个或两个以上的较轻原子核，在极高的温度和极大的压力下非常靠近时，它们聚合在一起而形成一个较重的新原子核，同时释放出巨大的能量。因为这种反应必须在极高的温度下（1~5亿℃或107K以上）才会发生，所以也叫热核反应。
重核裂变与轻核聚变 核裂变：被中子击中时，大原子核分裂成数个小原子核，这个过程会释放能量。 核聚变：数个小原子核结合并释放能量。
核能 • 原子能来源于原子核结合能发生变化时所释放的能量，所以也叫核能。 • 人们依靠重核裂变的方法制成了原子反应堆和原子弹，如核能发电，是利用核分裂产生巨大的能量，制造高温高压的蒸汽或气体，驱动发电机组发电。 • 人们依靠轻核聚变制成了氢弹，而可控聚变堆正在研制中。
核能优点 • 减少依赖化石燃料 。 • 生产巨大能量 。 • 只需小量原料 。 • 铀矿蕴藏量足够长期使用。 • 运作成本较低（约为火力发电三分之一）。 • 生产电力时不会造成空气污染。
核能的缺点 • 如果核能发电厂发生爆炸就会放出大量的辐射。 到目前为至，切尔诺贝利核电站大爆炸已有近万人死亡，十万人受到核辐射伤害，造成直接经济损失数十亿美元，间接经济损失数千亿美元，后患将影响一百年以上，是全世界已知是一次最大的核事故。 切尔诺贝利核事故不仅给前苏联造成严重后果，而且给国际外贸、国际旅游带来不可估量的损失。有专家认为，苏联境内将有两万五千人死于核污染引起的癌症，灾难随着时间的推移而逐渐显示出来。
第三章 原子能的开发与利用 一、原子能的开发 1.1 重核裂变的发现 1.2 裂变的机制 1.3 链式反应 1.4 聚变反应 二、原子能的利用 2.1 原子弹与氢弹 2.2 核电站 2.3 可控核聚变的研究现状与前景
1.1 重核裂变的发现 • 1934年，意大利物理学家费米用中子轰击原子核，并发现通过石蜡减速之后的慢中子，更加容易引起核裂变。费米因此获1938年诺贝尔物理奖。 • 1938年，德国哈恩发现铀嬗变后出现的新元素与铀相距甚远。奥地利女物理学家迈特纳提出核裂变猜想，以解释铀实验。并称裂变过程要放出大量能量。
费米 哈恩 迈特纳
1.2 裂变的机制 • 裂变过程中的核形变
1.3 链式反应 • 费米提出链式反应概念 • 他发现，铀核被分裂为二时，可以放出两个中子，这两个中子再去击中两个铀原子核，它被分裂为四，同时放出四个中子……，由此类推，原子的裂变就会这样自发地持续下去，产生一连串的原子分裂，同时不断放出能量。 • 原子裂变自持链式反应的概念就是这样提出来的，它是利用原子裂变产生能量的重要理论基础。 视频：原子弹与核能
1.4 聚变反应 • 氘和氚发生聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和0.176亿电子伏特能量。 • 每一次氘氚聚变时释放的能量，比一次铀235裂变释放的约2亿电子伏特能量少得多。氘氚聚变时只有5个核子参加反应，而铀235裂变时有236个核子参加反应。因此如果按平均每个核子释放的能量来比较，氘氚聚变释放的能量是铀－235裂变释放的能量的4.14倍。
太阳上的核聚变反应 视频：太阳
2.1 原子弹与氢弹 • 原子弹：它是最早研制出的核武器，它是利用原子核裂变反应所放出的巨大能量，通过光辐射、冲击波、早期核辐射、放射性沾染和电磁脉冲起到杀伤破坏作用。 • 氢弹：又称热核聚变武器，它是利用氢的同位素氘、氚等轻原子核的裂变反应，产生强烈爆炸的核武器。其杀伤机理与原子弹基本相同，但威力比原子弹大几十甚至上千倍。
2.1 原子弹与氢弹图片 中国第一颗氢弹爆炸成功腾起的蘑菇云→
2.2 核电站 • 核电站是利用原子核裂变所释放的的能量产生电能的发电站。 • 核电站一般分为两部分：利用原子核裂变生产蒸汽的核岛（包括反应堆装置和一回路系统）和利用蒸汽发电的常规岛（包括汽轮发电机系统）。核电站使用的燃料一般是放射性重金属：铀、钚。 • 民用核电站大都是压水反应堆核电站，其工作原理是：用铀制成的核燃料在反应堆内进行裂变并释放出大量热能；高压下的循环冷却水把热能带出，在蒸汽发生器内生成蒸汽，推动发电机旋转。 视频：核电站
中国现有的核电站包括： • 秦山核电站（运营中） • 大亚湾核电站（运营中） • 岭澳核电站（运营中） • 田湾核电站（建设中） • 三门核电站（建设中）
大亚湾核电站 广东省深圳市龙岗区大鹏镇大坑村
岭澳I期核电站 广东省深圳市龙岗区大鹏镇岭澳村
秦山I期核电站 浙江省嘉兴市海盐县秦山镇
秦山II期核电站 浙江省嘉兴市海盐县武原镇杨柳山
秦山III期核电站 CANDU型重水压水堆 由加拿大原子能源有限公司(AECL Atomic Energy of Canada Limited)投资设计建造并经营，运行20年后产权和管理归属中国。 秦山三期重水堆核电站
三门核电站 浙江省嘉兴市海盐县秦山镇螳螂山
