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内容举例： 核裂变与核聚变
第5节 “基本”粒子
一、核裂变的发现
1. 核裂变的发现
1938年年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，这类核反应定名为核裂变。
2. 铀核裂变
用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多样的，其中一种典型的反应是
_92^235U+ _0^1n→_56^144Ba+_36^89Kr+3_0^1n。铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，
所以放出能量。
3. 链式反应：由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程。
4. 发生链式反应的条件：发生核裂变物质的体积大于临界体积或物质的质量大于临界质量。
二、反应堆与核电站
1. 核能释放的控制：通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆。
2. 慢化剂：反应堆中，为了使核裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”。常用的慢化剂有石墨、重水和普通水。
3. 控制棒
为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。
4. 能量输出
核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却。
5. 核污染的处理
在反应堆外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。
三、核聚变
1. 定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。
2. 经典反应：_1^2H+_1^3H→_2^4He+_0^1n+17. 6 MeV
3. 发生核聚变的条件
要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15 m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，这就要求原子核具有足够的动能。有一种方法，就是把它们加热到很高的温度，当物质的温度高达几百万开尔文时，一部分原子核发生核聚变，因此核聚变又叫热核反应。
4. 实例
(1)太阳能：太阳的主要成分是氢。太阳的中心温度达1. 6×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自太阳内部核聚变释放的核能。
(2)氢弹：目前，人工产生的热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹，需要用原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
5. 核聚变的优点
(1)轻核聚变产能效率高。
(2)地球上核聚变燃料的储量丰富。
(3)轻核聚变更为安全、清洁。
6. 实现可控热核反应的方案
(1)磁约束：利用磁场约束参加反应的物质。目前性能最好的一种磁约束装置是环流器。
(2)惯性约束：核聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。
四、“基本”粒子
1. 粒子的分类
(1)强子：强子是参与强相互作用的粒子。质子和中子都是强子。
(2)轻子：轻子不参与强相互作用。最早发现的轻子是电子，后来发现的轻子有电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子。
(3)规范玻色子：规范玻色子是传递各种相互作用的粒子，如光子、中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子。光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用 ，胶子传递强相互作用。
(4)希格斯玻色子：希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。
五、核裂变与核聚变
(1)原子核受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复合核，复合核中由于核子的剧烈运动，使核变成不规则的形状。
(2)原子核分裂：核子间的距离增大，核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2或3个中子。这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能。
2. 发生链式反应的条件
(1)铀块的体积大于临界体积。
(2)铀块的质量大于临界质量。
以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足。
导师点睛 (1)铀核的裂变只能发生在人为的核反应中，自然界中不会自发地生裂变，而是会发生衰变。
(2)链式反应速度很快，如不加以控制，能量在瞬间急剧释放会引起剧烈爆炸(如原子弹)。如果运用一定办法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)。
3. 核聚变的特点
(1)从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。
(2)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。
(3)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
(4)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。
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