5.4 核能利用与社会发展
【学习目标】
1．了解核能、核裂变和核聚变；
2．了解核能的优点，还要知道它可能带来的问题．
【基础知识精讲】
1．放射现象
科学家们发现铀、钋、镭等元素能够放出射线，这种射线能够穿透黑纸，使照相底片感光，就像光线可以使照相底片感光一样．那么，放出的射线究竟是什么呢？
图16－3
人们让射线通过很强的磁场，看看它有什么反应，以此来考察它的性质．如图16－3所示，把一小块放射性物质放在铅盒里，留有一个通道让射线射出，外面加有强磁场．人们发现射线分成了三束．其中两束向相反方向偏转，说明这两束射线由带电粒子组成，而且带有异种电荷．另一束不偏转，说明这束射线是中性的．
偏转较小的那一束叫做α射线，由带正电的α粒子组成，α粒子所带正电荷是电子电荷的两倍，α粒子的质量大约等于氦原子的质量．研究表明，α粒子就是氦原子核．
偏转较大的那一束叫做β射线，研究表明，β射线是高速运动的电子流．
不偏转的那一束叫做γ射线，是一种波长很短的电磁波．
这三种射线都有穿透物质的本领，其中γ射线的穿透本领最强，甚至能穿透水泥墙和薄钢板．由于穿透本领强，所以可利用γ射线来检查金属材料内部有没有砂眼和裂缝，用来检查金属板的厚度．还可利用射线照射种子，使农作物增产．γ射线还可用来检查和医治恶性 肿瘤．
过量的射线照射对人体有伤害作用．在利用放射线时，要注意射线的防护，用铅玻璃板、铅板等把放射性物质与人体隔离开．要防止放射性物质泄漏，以避免对水源、空气和工作场所造成污染．
2．原子、原子核
一切物质由分子组成，分子又由原子组成．有些物质的分子就是一个原子．原子十分小，它的直径不到一个纳米．原子由质子、中子、电子三种粒子组成．质子带正电荷，电子带负电荷，中子不带电．质子和中子的质量比电子大得多，挤在处于原子中心的构成非常小的原子核中，就像几颗豆粒挤在大广场中央一小块弹丸之地一样．
3．核能
质子、中子依靠强大的核力紧密地结合在一起，因此原子核十分牢固，要使它们分裂或重新组合是极其困难的．但是，一旦使原子核分裂或聚合，就可能释放出惊人的能量，这就是核能．核能是能源家族的新成员，它包括核裂变能和核聚变能两种主要形式．
4．裂变
图16－4
科学家发现用中子轰击铀235（质量数为235的铀），铀核会分裂成大小相差不很大的两部分，这种现象叫做裂变（图16－4）．发生裂变时有核能释放出来，这时裂变后的产物以很大速度向相反方向飞开，与周围的分子碰撞，使分子动能增加，转化为物体的内能．裂变释放的核能十分巨大，1 kg铀235中的铀核如果全部发生裂变，释放出的能量相当于2500 t标准煤完全燃烧放出的能量．
图16－5
用中子轰击铀核，铀核才能发生裂变，放出能量．这好比用火柴点燃木材，木材才能燃烧，放出能量一样．假如外界的中子停止轰击，裂变也就停止．然而实验表明，铀核裂变时，还同时放出2~3个中子，放出的中子又可以轰击其他铀核，使它们也发生裂变．这样，裂变将不断地自行继续下去（图16－5）．这种现象叫做链式反应．
图16－6
如果对裂变的链式反应不加控制，在极短的时间内就会释放出巨大的核能，发生猛烈爆炸，原子弹就是根据这个原理制成的（图16－6）．如果控制链式反应的速度，使核能慢慢地平稳地释放出来，就便于和平利用了．能够缓慢、平稳地释放核能的装置，叫做核反应堆．
5．聚变
科学家们发现，较轻的核结合成较重的核，也能释放能量，这种现象叫做聚变．例如一个氘核（质量数为2的氢核）和一个氚核（质量数为3的氢核）结合时，就释放出核能（图16－7）．
图16－7
氢弹就是利用轻核聚变制成的．氢弹是一种比原子弹威力更为巨大的核武器．
太阳内部进行着大规模的聚变，释放的核能以电磁波的形式从太阳辐射出来，地球上的生物每天都享用着聚变释放出的能量．
如何实现聚变，如何利用聚变释放的核能，科学家正在积极地探索着．海水中蕴藏着丰富的、可以实现聚变的氚核．科学家预言，通过可控制聚变来利用核能，有望彻底解决人类能源问题．愿同学们今后对此做出贡献．
【学习方法指导】
逆向思考法
在本节内容中介绍了“核裂变”和“核聚变”．“裂变”和“聚变”是两个相反的过程．在物理学中我们经常会遇到一些问题，不但要知道它的“正”过程，而且要知道它的“反过程”．而且在科学探究的过程中，许多科学家正是抱着坚定的信念，执着而顽强地探索，终于得出了令人瞩目的成果．
奥斯特在发现了电流的磁效应以后，法拉第在思考中逐渐形成了一种想法：既然电会产生磁，那么磁能不能产生电呢？法拉第经过多年的实验，顽强地向认定的目标前进，终于发现了电磁感应现象．
在这个典型实例中，法拉第就是运用了“逆向思考法”大胆地提出了猜想，然后再通过实验验证，得出结论．
同学们在学习中，不但经常要“正向”思考，而且也要“逆向”思考，这样才能举一反三，把知识掌握好，运用灵活．
自我小测
1我国“九五”期间已建成投产和已开工兴建的核电站共有浙江、广东、辽宁、江苏等4座，这些电站的选址都在沿海岛屿，这主要是为了( )
A．考虑辐射安全
B．便于核废料处理
C．便于运输设备
D．减小可能的核泄漏所造成的影响
2下列说法中不正确的是( )
A.H＋H→He＋n是聚变
B.U＋n→Xe＋Sr＋3n是裂变
C.Ra→Rn＋He是α衰变
D.Na→Mg＋e是裂变
3我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U的裂变，现有四种说法：
①U原子核中有92个质子，有143个中子
②U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程式为：U＋n→Xe＋Sr＋3n
③U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期变短
④一个U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×1011 J
以上说法中完全正确的有( )
A．①②③ B．②③④ C．①③④ D．①②④
4在核电站中，反应堆里铀核的裂变将________能转化为________能；蒸汽推动汽轮机运转，将________能转化为________；汽轮机带动发电机发电，将________能转化为________能。能量既不会________，也不会________，它只会从________，或者从________，而能量的总量保持不变，这就是能量的转化和守恒定律。
5锂的一种同位素6Li捕捉低速中子能力很强，因此，可用于控制________________的速度；已知1 mol6Li在原子核反应堆中用中子照射后可以得到等物质的量的氚，写出该热核反应方程式________________________________________________________________________。
6锂的密度0.53 g/cm3，是自然界中最轻的金属。1 kg锂燃烧可释放出42 998 kJ的热量，如将1 kg锂通过热核反应放出的能量相当于两万吨优质煤的燃烧。写出金属锂燃烧的热化学方程式；根据锂的这些性质，你设想出锂可有哪方面的主要用途？
7核电站中采用核反应堆使重核裂变，将释放出的巨大能量转换成电能。
(1)完成下列核反应方程式：U＋n→Nd＋Zr＋3n＋8e＋反中微子(反中微子的质量数和电荷数均为零)
(2)写出核裂变反应和一般化学反应的不同点(请答3点)
(3)核电站在热量传递的循环系统中应用了钠钾合金作为传热介质，试根据钠钾合金的性质说明这一应用的两点理由。
8人类利用和开发能源的过程体现了什么哲学道理？
参考答案
1解析：本题属环境科学，涉及物理知识、环保、防止核污染等问题。核电站的核心部分是核反应堆。在反应堆里利用中子有控制地轰击重核，使之发生裂变，使核能得到有控制的释放。反应堆外部有很厚的水泥防护层，用以吸收同时产生的中子流和其他辐射，在正常情况下核电站是安全的，但为了防止可能发生的意外失控，核电站的选址常在荒漠或人烟稀少的沿海小岛上，如果一旦发生核泄漏可尽可能减小由此造成的生态环境破坏对人群的影响程度。
答案：D
2解析：解答本题的关键是正确理解衰变、裂变和聚变的含义，根据各核反应可知：A是轻核聚变，B是重核裂变，C是α衰变，故A、B、C都正确。而D项属于β衰变，不是裂变，在物理学中裂变指的是把重核分裂成质量较小的核的过程，故选D。
答案：D
3解析：由U的质量数和电荷数关系易知①正确。由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确。半衰期不受外界因素干扰，故③错误。通过计算知④正确，故答案为D。
答案：D
4答案：核 内 内 机械 机械 电 消灭 创生 一种形式转化成另一种形式 一个物体转移到另一个物体
5答案：铀及反应堆中核反应发生 Li＋n→H＋He
6答案：4Li(s)＋O2(g)＝2Li2O(s)＋1 193.8 kJ
作为火箭燃料的最佳金属之一，或用锂或锂的化合物制成固体燃料来替代固体推进剂，用作火箭、导弹、宇宙飞船的推动力。
7答案：(1)Zr
(2)对单位质量的物质而言，核裂变反应释放的能量远远大于化学反应释放的能量。
核反应是原子层次上的变化，而化学反应是分子层次上的变化(或核反应前后元素发生变化，化学反应前后则元素不变)
一种同位素不论处于何种价态，它们的核反应性质是相同的，而它们的化学性质是不同的
同一元素的不同同位素，它们的化学性质是相同的，但它们的核反应性质是不同的
(3)钠钾合金熔点低，常温下为液态，可在管道中自由流动；钠钾合金是热的良导体。
8答案：①在实践过程中必须尊重客观规律
②人可以认识和利用规律
③人对自然的认识、对人与自然关系的认识在实践过程中不断深化
