1、第四节 原子能的开发和利用,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
2、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。,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
3、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,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
4、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。,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
5、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,田湾核电站,江苏省连云港市连云区 高公岛乡田湾,核能发展现状与国家能源需求,核能是公认的现实的可大规模替代常规能源的既干净又经济的现代能源 2050年能源需求: 40亿吨标煤 规模极大,结构应合理 一座百千瓦核裂变电站，300万吨原煤/年 无二氧化碳造成温室效应, 无二氧化硫和氮化物对大气的污染 世界核电状况: 根据IAEA
6、截止到1994年的统计，装机容量为3.6亿千瓦，核电约占总发电量的23.2%, 而中国大陆仅1% 左右，核电可大有作为!,2.3 可控核聚变的研究现状与前景,中国、日本、韩国、俄罗斯、美国和欧盟6大ITER成员国2005年6月28日在莫斯科敲定法国的卡达拉舍（Cadalache）为反应堆建设地，这一为期30年、共计投资将超过100亿欧元的国际超大型科学合作项目很快就将正式启动。 “ITER”拉丁文“道路”之意 该计划旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆，规模可与未来实用聚变反应堆相仿，用以解决建设聚变电站的关键技术问题。,核聚变放射性微乎其微，不产生核废料，对环境的污染很小。 1公斤核聚
7、变燃料相当于1万吨石油燃料 如果可控热核反应研究取得成功，人类将能利用海水中的重氢（取之不尽）获得无限丰富的能源。 要在地球上使用受控的核聚变反应堆，必须把气体加热到超过1亿摄氏度。有关科学家设想兴建一个圆环型的磁力悬浮实验室（托卡马克装置），把聚合反应堆放在里面。,托卡马克装置,托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字 Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。 托卡马克的中央是一个环形的真空室，外
8、面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。,托卡马克装置,Tokamak Fusion Test Reactor, 1989, USA,托卡马克装置,Glowing Plasma inside the Tokamak Fusion Test Reactor,托卡马克装置,20世纪70年代后期到80年代中期，世界各国陆续建成了四个大型的托卡马克，他们分别是： 美国的 TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) 日本的 JT-60 欧洲的 JET (Joint European Torus) 苏联
9、的 T-15 中国的超导托卡马克 HT7U(后更名为EAST，Experimental Advanced Superconducting Tokamak),思考题,简述射线、射线与射线的含义，并比较三种射线的贯穿本领。 简述原子核结合能的含义。 与裂变反应相比，核聚变所具有的优点有哪些？,第二部分 放射性同位素与考古,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,1.1 放射性衰变的基本规律,核衰变的基本规律N=N0e-t N0是t=0时，放射性核素的数目 是衰变常数，表示一个原子核在单位时间内发生衰变的概率,1.2 半衰期和平均寿命,半衰期
10、： 放射性元素衰变其原有核数一半所需的时间，叫做半衰期（T）。 t = T 时，N = N0/2 平均寿命（）： 描述核衰变快慢的物理量。 = 1/,1.3 放射性强度,放射性强度（A） 放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核的数目 A=A0e-t,人工放射性的发现与同位素,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,2.1 人工放射性的发现,1934年，法国约里奥-居里夫妇用 粒子轰击铝，产生了一个磷的同位素，但很快放出正电子蜕变为硅。,伊伦约里奥-居里 (Irne Joliot-Curie),2.2 同位素,同位素是指它们在元素周期表中占有同一个位置，即原子序数
11、相同，化学性质相同，但是它们的原子量和放射性并不相同。 人们将Z相同N不同的一些核素称为同位素（Isotope）；N相同Z不相同的核素称为同中子异荷素（Isotone）；A相同Z不同的一些核素称为同量异位素（Isobar）。,2.3 放射性与放射性同位素,Radioactivity (放射性) Radioactivity也称为“Radioactive decay (放射性衰变)” 放射线伴随于不稳定原子核的衰变。 Radioisotope (放射性同位素) 具有不稳定原子核的同位素。大多数的同位素都具有放射性。,放射性与放射性同位素的应用,工业同位素示踪 放射性同位素电池 同位素监控仪表 辐射
12、加工技术应用 示踪技术应用 植物育种技术 昆虫辐射不育 食品辐照保藏 基础医学研究 核医学临床诊断,核技术放射治疗 医用辐射灭菌消毒 水文勘测 核测井技术 淡化海水研究 辐照技术与环境保护 考古研究 打击走私和反恐怖斗争 反恐电子束辐照灭菌加速器,碳-14测年法原理,自然界中的C14由宇宙射线与大气中的氮通过核反应产生。 C14存在于大气中，随着生物体的吸收代谢，经过食物链进入活的动物或人体等一切生物体中。 C14一面生成，一面衰变，使C14在自然界中的含量与C12的含量的相对比值基本保持不变。 生物体死亡后，新陈代谢停止，由于C14的不断衰变，体内C14和C12含量的相对比值相应不断减少。
13、通过对生物体出土化石中C14和C12含量的测定，就可以准确算出生物体死亡（即生存）的年代。,碳-14测年法,C14的半衰期 5730年 C14的适合测定的年份范围 五百年以前三万年以内 C14的应用实例 我国对楼兰女尸、罗布泊纸的年代鉴定,兵马俑,伪画鉴定,1945年,盟军收复比利时之后，发现三流荷兰画家H.A. VAN Meegeren通过一位银行家将著名的十七世纪荷兰画家 JAN Vermeer 的油画： “Woman Taken in Adultery“ 出售给纳粹头目戈林的中间人。1945年5月29日 VAN Meegeren 被控通敌罪名而被捕入狱。同年他声称该画与其它5幅画都是他自
14、己所伪造的。 为了证实这个问题，组成了一个由著名化学家、物理学家和艺术史家参加的国际项目小组，利用化学分析、X光探测技术等多种方法研究画面及其颜料成分，最后宣布，该画确是赝品。但是仍有许多人拒绝相信此结论。,伪画鉴定,1967年美国 Carnegie Mellon 大学的科学家们进行了这项研究。他们利用测量作画用颜料中铅210与镭226放射性衰变率的大小及其接近程度判断油画的年代。 铅210的半衰期为22年 镭226的半衰期为1620年 镭226铅210 铅210钋210 通过鉴定确认，只有织花边的女人和微笑的少女两幅是真迹。,打击走私和反恐怖斗争,利用钴-60集装箱检查系统可有效打击利用集装
15、箱走私货物、贩卖毒品、偷运武器和爆炸物等诈骗和恐怖主义活动。当集装箱通过时，钴-60发出的射线被准直器约束成扇形片状窄束，穿过集装箱到达探测器。探测器将接收到的射线转换成电信号，送到计算机进行图像处理，可在屏幕上将集装箱内隐藏的走私品、毒品、武器和炸药等显示的一清二楚。,反恐电子束辐照灭菌加速器,在加速器中，被加速的电子束经过扫描磁铁时被扫描成电子帘，当传送带上的被辐照物品通过高能电子帘辐射区吸收一定的电子束剂量后，被辐照物品中生物细菌就会被全部杀死。,放射线对日常生活的影响,辐射计量单位(毫仑目) 日常相关活动 20000 钴60治疗 5000 职业人员年剂量 1500 胃透视一次 1000 巴西沙漠中的自然放射年剂量 500 每人每年接受大自然放射计量(来自宇宙设线大地及食物的年计量) 100 胸部X光一次 50 我国核电厂界外法规限值,思考题,同位素发现的意义是什么？你知道同位素有哪些用途？ 考古学家怎样测定远古事件发生的年代？,
