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核裂变|核裂变和核聚变的区别|原子弹

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核裂变概念

核裂变,又称核分裂,是指由重的原子核(也就是较大的原子核)分裂为两个多个质量较小的原子或核子的过程。本文属于高中物理选修3-5《原子核》的内容,主要帮助同学们解决:

核裂变为什么释放能量?简而言之是因为存在质量亏损。能量释放与核裂变质量亏损计算满足爱因斯坦的质能方程

太阳核裂变还是核聚变?太阳是核聚变而不是核裂变。

核裂变的元素

最为常见的核裂变元素是铀与钚。核裂变过程主要是指铀核或钚核,分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。

原子弹、裂变核电站或核能发电厂的能量来源就是核裂变。

核裂变与链式反应

核裂变与链式反应

其中铀裂变在核电厂最常见,热中子轰击铀235原子后会放出2到4个中子,中子再去撞击其它铀235原子,从而形成如图所示的链式反应。

铀235的原子核在吸收一个中子后发生裂变,一分为二。铀核裂变放出2~3个中子,这些中子又会打中旁边的两个核,并击破它们。这又会产生出4个新的中子,粉碎另外4个核。这样。由1个铀核裂变引起2、4、8、16……个铀核裂变,很快把整块铀卷入,释放出无比巨大的能量。链式反应可以不断供给核分裂所需要的大量中子,是反应堆运转的必要条件。

链式反应如果不依靠外界的作用能持续下去,则称为自持链式反应。核裂变是典型的自持链式反应。

核裂变与原子弹

原子弹及其爆破后的蘑菇云

核裂变是在1938年发现的,由于当时第二次世界大战的需要,核裂变被首先用于制造威力巨大的原子武器——原子弹。

原子弹的巨大威力就是来自核裂变产生的巨大能量(见下方解释)。战后,人们除了将核裂变用于制造原子弹外,更努力研究利用核裂变产生的巨大能量为人类造福,让核裂变始终在人们的控制下进行。核电站就是利用核裂变来发电的。

原子弹(Atomic bomb)是核武器之一,是利用核反应的光热辐射、冲击波和感生放射性造成杀伤和破坏作用,以及造成大面积放射性污染,阻止对方军事行动以达到战略目的的大杀伤力武器。主要包括裂变武器(第一代核武,通常称为原子弹)和聚变武器(亦称为氢弹,分为两级及三级式)。亦有些还在武器内部放入具有感生放射的轻元素,以增大辐射强度扩大污染,或加强中子放射以杀伤人员(如中子弹)。核武器是指利用能自持进行核裂变或聚变反应释放的能量,产生爆炸作用,并具 有大规模杀伤破坏效应的武器的总称。其中主要利用铀235(厬U)或钚239(厱Pu)等重原子核的裂变链式反应原理制成的裂变武器,通常称为原子弹;主要利用重氢(氘)或超重氢(氚)等轻原子核的热核反应原理制成的热核武器或聚变武器,通常称为氢弹。

核裂变为什么释放能量

根据爱因斯坦的质能方程,△E=△mc2可知:

能量的亏损,会引起巨大的能量,比例系数为光速的平方。重核的核裂变过程中,存在着质量亏损。具体见下方铀元素的核裂变方程介绍。

铀元素的核裂变方程

以铀U235为例,其核裂变方程为

铀元素的核裂变方程

如上文所述,一个中子的轰击,产生了三个中子,继续撞击另外的三个原子核,进而使得链式反应无限进行下去,直到所有核子都反应完。

上述方程中,左侧的总质量要比右侧的总质量大,因此存在着质量亏损。根据爱因斯坦质能方程△E=△mc2可知,铀U235的核裂变会释放大量的能量。

这既是原子弹的原理,也是核电站发电的原理。值得注意的是,后者的反应被严格控制。

核裂变质量亏损计算

核裂变质量亏损计算,需要借助爱因斯坦质能方程△E=△mc2来求解。

太阳核裂变还是核聚变

太阳辐射能量,是核聚变而不是核裂变。核聚变就是小质量的两个原子核合成一个比较大的原子核。需要注意的是,只有小质量的两个原子核合成,才能释放能量。较大的核聚变并不会释放能量,这已经超出了高中物理的教学范畴了,大家了解即可。

求解核裂变物理题须知

铀的核反应方程中,左侧必须含有一个中子,不能与右侧的中子进行减法运算,这一点与化学方程式不同。

并不是所有元素裂变都释放能量,只有较大的原子核裂变才会释放能量,这已经不属于高中物理的教学范畴了,大家了解即可。

原创/王尚

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