高中物理 4.5《裂变和聚变》素材 粤教版选修3-5

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1、三种核弹的工作原理三种核弹的异同简单的说，它们的相同之处就在于其破坏威力都来源于某些物质的原子核核能的释放。本世纪初科学家发现原子核中蕴藏着巨大的能量，人们将这种核能释放，并首先用于军事目的，结果促成了核武器的出现；三种核弹的不同之处在于核能释放的方式不同和破坏杀伤的形式不同。核能的释放出现在原子核发生转变的过程中，而这种转变可分为重核裂变和氢核聚变两种方式。一般将核裂变武器称为第一代核武器，实际上就是原子弹；将核聚变武器称为第二代核武器，实际上就是氢弹；将以调整和控制核爆炸能为特点的新一代核武器称为第三代核武器，主要包括增强某一破坏因素的核武器，如中

2、子弹、冲击波弹、感生辐射弹、光辐射弹、电磁脉冲弹以及核定向能武器等。作为增强的辐射武器，中子弹是目前世界上唯一已实现生产和部署的一种第三代核武器。原子弹原子弹是利用原子核裂变反应释放出大量能量的原理制成的一种核武器，核装药一般为钚-239、铀-235。这些物质的原子核在热中子轰击下，分裂为两个或若干个裂片和若干个中子，同时释放出巨大的能量。新产生的中子又去轰击其它原子核，如此连续发展下去，核分裂的数量就会急剧增加，形成链式反应，仅在百分之几秒内就会出现猛烈爆炸，并放出非常大的能量。1公斤铀释放出的能量相当于2万吨梯恩梯炸药爆炸时释放出的能量。原子弹装药

3、分为两块，每块都小于临界质量，因此平时不会发生核反应。当引爆装置点燃普通炸药时，将两块装药推挤到一起，整体质量便大于临界质量，在中子的轰击下，产生原子核裂变链式反应，随即出现核爆炸。目前原子弹的威力可达到几万吨到几百万吨梯恩梯当量。利用铀或钚等易裂变重原子核裂变反应瞬时释放巨大能量的核武器。又称裂变弹。威力通常为几百到几万吨梯恩梯当量，有很大的杀伤破坏力。可单独配置在不同的投射工具中而成为核导弹。核航空炸弹、核地雷和核炮弹等，或用作氢弹中的初级(或称“扳机”)，为点燃轻核引起热核聚变反应提供必需的能量。(1)基本原理。铀-235、钚-239这类重原子核

4、在中子轰击下通常会分裂成两个中等质量数的核(称裂变碎器)，并放出2-3个中子和200兆电子伏能量(相当于3.2×1011焦耳)。放出的中子，有的损耗在非裂变的核反应中或漏失到裂变系统之外，有的则继续引起重核裂变。如果每一个核裂变后能引起下一代核裂变的中子数平均多于1个，裂变系统就会形成自持的链式裂变反应，中子总数将时间按指数规律增长。例如，当引起下一代裂变的中子数其均为2个时，则在不到1微秒之内，就可以使1千克铀或钚内的2.5×１024个原子核发生裂变，并释放出约2万吨梯恩梯当量的核能。裂变材料的装量必须大于一定的量，称为临界质量，才能使链式裂变反应自

5、持进行下去。原子弹中要放置相当份量的裂变材料，但不使用时，它们必须处于次临界状态。使用时，要使处于次临界状态的裂变装料瞬间达到超临界状态，并适时提供若干中子触发链式裂变反应。超临界状态可以通过两种方法来达到：一种是“轮法”，又称压拢型，另一种是“内爆法”，又称压紧型；(2)基本结构。原子弹主要由引爆控制系统、炸药、反射层、核装料组成的核部件、核点火部件和弹壳等结构部件组成。引爆控制系统用来适时引爆炸药；炸药是推动、压缩反射层和核部件的能源；反射层由铍或铀-238构成，用来减少中子的漏失；核装料主要是铀-235或钚-239；核点火部件用以提供“点火”中子

6、，以引发链式裂变反应；弹壳用来固定和组合各部件；用心爱心专心(3)爆炸过程。原子弹中的引爆控制系统在预定时间或条件下发出引爆指令，使炸药起爆，炸药的爆轰产物推动并压缩反射层和核装料，使之达到超临界状态，核点火部件适时提供若干“点火”中子，使核装料内发生链式裂变反应，并猛烈释放能量。随着能量的积累，温度和压力迅速升高，核装料不断膨胀，密度不断下降，最终又成为次临界状态，链式反应趋于熄灭。从炸药起爆到核点火前是爆轰、压缩阶段，通常要几十微秒时间；从核点火到链式裂变反应熄灭是裂变放能阶段，只需要十分之几微秒。原子弹在如此短暂的时间里放出几百至几万吨梯恩梯当量

7、的能量，使整个弹体和周围介质都变成高温高压等离子气团，中心温度可达107开［尔文］，压力达1015帕［斯卡］。原子弹爆炸产生的高温高压以及各种核反应产生的中子、r射线和裂变碎器，最终形成冲击波、光辐射、早期核辐射、放射性沾染和电磁脉冲等杀伤破坏因素。(4)研究和发展。主要包括：原子弹体积重量的小型化；适应战场使用的多种低威力和威力可调的核装置；提高安全性、可靠性、有效性、提高核装料的利用效率；最重要的进展则是发展了“助爆型原子弹”。原子弹结构图氢弹氢弹是利用轻原子核聚合成较重原子核过程中释放出大量能量的原理制成的核武器。这种核聚变反应要在数千万度高温和

8、超高压条件下才能进行，单位质量所释放出来的能量一般为核裂变反应的4倍以上，能产生更大的破坏作用