較重的核分裂成中等大小的核，較小的核合并成中等大小的核的過(guò)程中，都有可能釋放出能量。核電站以及原子彈、氫彈等核武器，利用的就是這些核能。在這些裝置中，核能是怎樣被轉(zhuǎn)化和使用的呢?
愛(ài)因斯坦給我們指出了物體的能量與它的質(zhì)量的關(guān)系，即E= mc2單個(gè)的質(zhì)子、中子的質(zhì)量已經(jīng)精確測(cè)定。用質(zhì)譜儀或其他儀器測(cè)定某種原子核的質(zhì)量，與同等數(shù)量的質(zhì)子、中子的質(zhì)量之和相比較，看一看兩條途徑得到的質(zhì)量之差，就能推知把原子核分開(kāi)需要的能量。
二、質(zhì)量虧損
原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和，這個(gè)現(xiàn)象叫作質(zhì)量虧損( mass defect )。質(zhì)量虧損表明，的確存在著原子核的結(jié)合能（把原子核分開(kāi)需要的能量）。
可以看出，中等大小的核的比結(jié)合能最大(平均每個(gè)核子的質(zhì)量虧損最大)，這些核最穩(wěn)定。
由于核子間存在著強(qiáng)大的核力，所以核子結(jié)合成原子核或原子核分解為核子時(shí),都伴隨著巨大的能量變化。例如，1個(gè)中子和1個(gè)質(zhì)子結(jié)合成氛核時(shí),要放出的能量為2.22 MeV，這個(gè)能量以光子的形式輻射出去。1919年，盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，第一次實(shí)現(xiàn)了原子核的人工轉(zhuǎn)變。1932年，查德威克用α粒子轟擊鍍?cè)雍耍瑢?shí)現(xiàn)了原子核的人工轉(zhuǎn)變，發(fā)現(xiàn)了中子。在核物理學(xué)中，原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過(guò)程，稱(chēng)為核反應(yīng)。核反應(yīng)中釋放的能量稱(chēng)為核能，俗稱(chēng)原子能。
1938年底,德國(guó)物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，生成物中有原子序數(shù)為56的元素鋇。奧地利物理學(xué)家邁特納和弗里施對(duì)此給出了解釋:鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊。弗里施借用細(xì)胞分裂的生物學(xué)名詞，把這類(lèi)核反應(yīng)定名為核裂變( nuclear fissin ) 。
核裂變中放出中子，數(shù)目有多有少，中子的速度也有快有慢。以鈾235為例，核裂變時(shí)產(chǎn)生兩或三個(gè)中子。如果這些中子繼續(xù)與其他鈾235發(fā)生反應(yīng)，再引起新的核裂變，就能使核裂變反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去（如下圖）。這種由重核裂變產(chǎn)生的中子使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過(guò)程，叫作核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)( chain reactin ) 。
原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也可以在人工控制下進(jìn)行。這樣，釋放的核能就可以為人類(lèi)的和平建設(shè)服務(wù)。其實(shí)，在第一個(gè)原子彈制成以前，科學(xué)家們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了核能的可控釋放。1942年，美籍意大利物理學(xué)家費(fèi)米就主持建立了世界上第一個(gè)稱(chēng)為“核反應(yīng)堆”的裝置，首次通過(guò)可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)了核能的釋放。
兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變( nuclear fusin )。一個(gè)氛核與一個(gè)氳核聚合成一個(gè)氦核的同時(shí)放出一個(gè)中子，釋放17.6 MeV的能量，平均每個(gè)核子放出的能量在3 MeV以上，比核裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量大3～4倍。這時(shí)的核反應(yīng)方程是
要使輕核發(fā)生核聚變，必須使它們的距離達(dá)到10-15m 以?xún)?nèi)，核力才能起作用。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的庫(kù)侖斥力。也就是說(shuō)，原子核要有很大的動(dòng)能才會(huì)“撞”到一起。什么辦法能使大量原子核獲得足夠的動(dòng)能而發(fā)生核聚變呢?
有一種辦法，就是把它們加熱到很高的溫度。當(dāng)物質(zhì)的溫度達(dá)到幾百萬(wàn)開(kāi)爾文時(shí)，劇烈的熱運(yùn)動(dòng)使得一部分原子核具有足夠的動(dòng)能，可以克服庫(kù)侖斥力，碰撞時(shí)十分接近，發(fā)生核聚變。因此，核聚變又叫熱核反應(yīng)。熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就會(huì)使反應(yīng)繼續(xù)下去。
氫彈爆炸是不可控的熱核反應(yīng)。要使熱核反應(yīng)廣泛地應(yīng)用于和平建設(shè)，必須設(shè)法控制熱核反應(yīng)的速率,使反應(yīng)能根據(jù)需要緩慢而均勻地進(jìn)行。這就是受控?zé)岷朔磻?yīng)。實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)比實(shí)現(xiàn)爆炸式的熱核反應(yīng)要復(fù)雜得多。人類(lèi)真正需要的是和平、可控地利用核聚變。2007年，我國(guó)建成世界第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置——東方超環(huán)如圖，俗稱(chēng)“人造太陽(yáng)”。2018年11月12日，中國(guó)科學(xué)院等離體子所發(fā)布消息:我國(guó)“人造太陽(yáng)”取得顛覆性的突破:熱功率超過(guò)10 MW;等離子體儲(chǔ)能增加到300 kJ;等離子體中心電子溫度首次達(dá)到1億攝氏度。
1．下列說(shuō)法正確的是（　　）A．鈾235只要俘獲中子就能進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)B．所有的鈾核俘獲中子后都能裂變C．太陽(yáng)不斷地向外輻射大量能量，太陽(yáng)質(zhì)量應(yīng)不斷減小，日地間距離應(yīng)不斷增大，地球公轉(zhuǎn)速度應(yīng)不斷減小D．α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明原子核是由質(zhì)子和中子組成的
2．下列說(shuō)法中正確的是（ ）A．核力存在于原子核內(nèi)的所有核子之間B．天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭示了原子核有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)C．盧瑟福通過(guò)對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，提出了原子核內(nèi)有中子存在D．若碘131的半衰期大約是8天，取4個(gè)碘原子核，經(jīng)16天就只剩下1個(gè)碘原子核了

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第二節(jié) 核能 核技術(shù)

版本： 高教版（2021）

年級(jí)： 機(jī)械建筑類(lèi)

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