核聚变与裂变
核聚变
- 聚变被定义为:
两个小原子核融合在一起产生一个较大的原子核
- 低质量原子核(如氢和氦)可以发生聚变并释放能量
- 当两个质子聚变时,元素氘生产
- 在恒星的中心,氘与a结合氚原子核形成氦核,再加上释放出的能量,这就为恒星继续燃烧提供了燃料
随着能量的释放,氘和氚的聚变形成氦
- 两个原子核要融合,两个原子核都必须高动能
- 这是因为原子核必须足够近才能发生聚变
- 然而,原子核内的两种力使这一目标难以实现
- 静电斥力
- 原子核内的质子带正电荷,这意味着它们静电相互排斥
- 强大核力量
- 将核子结合在一起的强核力在原子核内很短的距离内起作用
- 因此,原子核必须靠得非常近,强核力才能起作用
- 克服静电和强核力需要大量的能量,因此核聚变只能在一个极热环境,如恒星的核心
核裂变
- 裂变的定义是:
大原子核分裂成小原子核
- 大质量的原子核(如铀)可以发生裂变并释放能量
核裂变靶核的裂变,如铀核,随着能量的释放而产生更小的子核
- 裂变必须首先通过向原子核发射中子来诱发
- 当原子核被中子撞击时,它会分裂成两个或更多的子原子核
- 在裂变过程中,中子从原子核中喷射出来,然后与其他原子核碰撞,从而引发级联效应
- 这就导致了一个连锁反应,直到所有的物质都发生了裂变,或者反应被慢化剂停止
- 核裂变是在核电站产生能量的过程,在那里它受到很好的控制
- 当核裂变不受控制时,链式反应可以级联产生核弹的效果
考试技巧
当一个原子发生核裂变时,要注意额外的中子被原子喷射出来核而不是来自裂变产物
计算核反应释放的能量
- 结合能等于原子核形成过程中释放的能量,可以用以下公式计算:
E=(Δ米)c2
- 地点:
- E=释放的结合能(J)
- Δ米=质量缺陷(公斤)
- c=光速(m s-1)
- 由于裂变和聚变而产生的子核每个核子的结合能比母核高
- 因此,能量被释放为父核和子核之间的质量差的结果
工作的例子
当铀-235原子核吸收一个缓慢移动的中子并发生裂变时,一对可能的裂变碎片是锝-112和铟-122。这个过程的方程和每个同位素的每个核子的结合能如下所示。
U-235的每核子结合能= 7.59 MeV
Tc-112的每核子结合能= 8.36 MeV
In-122的每核子结合能= 8.51 MeV
当铀-235核以这种方式裂变时,计算如下:a)释放的能量,单位为MeV
b)质量缺陷
(部分)
第一步:确定方程两边的结合能
结合能=每核子结合能×质量数
-
- (U)前的结合能= 235 × 7.59 = 1784 MeV
- (Tc + In) = (112 × 8.36) + (122 × 8.51) = 1975 MeV后的结合能
第二步:求能量之差
-
- 释放的能量= 1975 - 1784 = 191 MeV
部分(b)
方法1
步骤1:将MeV释放的能量转换为J
-
- 1mev = 1.60 × 10−13J
- 释放能量= 191 × (1.60 × 10−13) = 3.06 × 10−11J
第二步:写下质能等价方程
E=Δmc2
-
- 在哪里c=光速
步骤3:重新排列并确定质量缺陷,Δ米
Δ米= 3.4 × 10−28公斤
方法2
步骤1:将MeV释放的能量转换为u
步骤2:计算质量缺陷,Δ米
-
- 1u = 1.66 × 10−27公斤
Δ米= 0.205 × (1.66 × 10−27) = 3.4 × 10−28公斤
考试技巧
两种计算质量缺陷的方法都是完全有效的。强烈建议你两种方法都练习,看看哪种方法你用起来最舒服。