2019-2020年新課標粵教版3-5選修三4.5《裂變和聚變》WORD教案2.doc

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2019-2020年新課標粵教版3-5選修三4.5《裂變和聚變》WORD教案2 三種核彈的異同 簡單的說，它們的相同之處就在于其破壞威力都來源于某些物質(zhì)的原子核核能的釋放。本世紀初科學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子核中蘊藏著巨大的能量，人們將這種核能釋放，并首先用于軍事目的，結(jié)果促成了核武器的出現(xiàn)；三種核彈的不同之處在于核能釋放的方式不同和破壞殺傷的形式不同。核能的釋放出現(xiàn)在原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程中，而這種轉(zhuǎn)變可分為重核裂變和氫核聚變兩種方式。 一般將核裂變武器稱為第一代核武器，實際上就是原子彈；將核聚變武器稱為第二代核武器，實際上就是氫彈；將以調(diào)整和控制核爆炸能為特點的新一代核武器稱為第三代核武器，主要包括增強某一破壞因素的核武器，如中子彈、沖擊波彈、感生輻射彈、光輻射彈、電磁脈沖彈以及核定向能武器等。作為增強的輻射武器，中子彈是目前世界上唯一已實現(xiàn)生產(chǎn)和部署的一種第三代核武器。 原子彈 原子彈是利用原子核裂變反應(yīng)釋放出大量能量的原理制成的一種核武器，核裝藥一般為钚-239、鈾-235。這些物質(zhì)的原子核在熱中子轟擊下，分裂為兩個或若干個裂片和若干個中子，同時釋放出巨大的能量。新產(chǎn)生的中子又去轟擊其它原子核，如此連續(xù)發(fā)展下去，核分裂的數(shù)量就會急劇增加，形成鏈式反應(yīng)，僅在百分之幾秒內(nèi)就會出現(xiàn)猛烈爆炸，并放出非常大的能量。1公斤鈾釋放出的能量相當于2萬噸梯恩梯炸藥爆炸時釋放出的能量。 原子彈裝藥分為兩塊，每塊都小于臨界質(zhì)量，因此平時不會發(fā)生核反應(yīng)。當引爆裝置點燃普通炸藥時，將兩塊裝藥推擠到一起，整體質(zhì)量便大于臨界質(zhì)量，在中子的轟擊下，產(chǎn)生原子核裂變鏈式反應(yīng)，隨即出現(xiàn)核爆炸。目前原子彈的威力可達到幾萬噸到幾百萬噸梯恩梯當量。 利用鈾或钚等易裂變重原子核裂變反應(yīng)瞬時釋放巨大能量的核武器。又稱裂變彈。威力通常為幾百到幾萬噸梯恩梯當量，有很大的殺傷破壞力。可單獨配置在不同的投射工具中而成為核導(dǎo)彈。核航空炸彈、核地雷和核炮彈等，或用作氫彈中的初級(或稱“扳機”)，為點燃輕核引起熱核聚變反應(yīng)提供必需的能量。 (1)基本原理。鈾-235、钚-239這類重原子核在中子轟擊下通常會分裂成兩個中等質(zhì) 量數(shù)的核(稱裂變碎器)，并放出2-3個中子和200兆電子伏能量(相當于3.21011焦耳)。放出的中子，有的損耗在非裂變的核反應(yīng)中或漏失到裂變系統(tǒng)之外，有的則繼續(xù)引起重核裂變。如果每一個核裂變后能引起下一代核裂變的中子數(shù)平均多于1個，裂變系統(tǒng)就會形成自持的鏈式裂變反應(yīng)，中子總數(shù)將時間按指數(shù)規(guī)律增長。例如，當引起下一代裂變的中子數(shù)其均為2個時，則在不到1微秒之內(nèi)，就可以使1千克鈾或钚內(nèi)的2.5１024個原子核發(fā)生裂變，并釋放出約2萬噸梯恩梯當量的核能。裂變材料的裝量必須大于一定的量，稱為臨界質(zhì)量，才能使鏈式裂變反應(yīng)自持進行下去。原子彈中要放置相當份量的裂變材料，但不使用時，它們必須處于次臨界狀態(tài)。使用時，要使處于次臨界狀態(tài)的裂變裝料瞬間達到超臨界狀態(tài)，并適時提供若干中子觸發(fā)鏈式裂變反應(yīng)。超臨界狀態(tài)可以通過兩種方法來達到：一種是“輪法”，又稱壓攏型，另一種是“內(nèi)爆法”，又稱壓緊型； (2)基本結(jié)構(gòu)。原子彈主要由引爆控制系統(tǒng)、炸藥、反射層、核裝料組成的核部件、核點火部件和彈殼等結(jié)構(gòu)部件組成。引爆控制系統(tǒng)用來適時引爆炸藥；炸藥是推動、壓縮反射層和核部件的能源；反射層由鈹或鈾-238構(gòu)成，用來減少中子的漏失；核裝料主要是鈾-235或钚-239；核點火部件用以提供“點火”中子，以引發(fā)鏈式裂變反應(yīng)；彈殼用來固定和組合各部件； (3)爆炸過程。原子彈中的引爆控制系統(tǒng)在預(yù)定時間或條件下發(fā)出引爆指令，使炸藥起爆，炸藥的爆轟產(chǎn)物推動并壓縮反射層和核裝料，使之達到超臨界狀態(tài)，核點火部件適時提供若干“點火”中子，使核裝料內(nèi)發(fā)生鏈式裂變反應(yīng)，并猛烈釋放能量。隨著能量的積累，溫度和壓力迅速升高，核裝料不斷膨脹，密度不斷下降，最終又成為次臨界狀態(tài)，鏈式反應(yīng)趨于熄滅。從炸藥起爆到核點火前是爆轟、壓縮階段，通常要幾十微秒時間；從核點火到鏈式裂變反應(yīng)熄滅是裂變放能階段，只需要十分之幾微秒。原子彈在如此短暫的時間里放出幾百至幾萬噸梯恩梯當量的能量，使整個彈體和周圍介質(zhì)都變成高溫高壓等離子氣團，中心溫度可達107開［爾文］，壓力達1015帕［斯卡］。原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓以及各種核反應(yīng)產(chǎn)生的中子、r射線和裂變碎器，最終形成沖擊波、光輻射、早期核輻射、放射性沾染和電磁脈沖等殺傷破壞因素。 (4)研究和發(fā)展。主要包括：原子彈體積重量的小型化；適應(yīng)戰(zhàn)場使用的多種低威力和威力可調(diào)的核裝置；提高安全性、可靠性、有效性、提高核裝料的利用效率；最重要的進展則是發(fā)展了“助爆型原子彈”。 原子彈結(jié)構(gòu)圖 氫彈 氫彈是利用輕原子核聚合成較重原子核過程中釋放出大量能量的原理制成的核武器。這種核聚變反應(yīng)要在數(shù)千萬度高溫和超高壓條件下才能進行，單位質(zhì)量所釋放出來的能量一般為核裂變反應(yīng)的4倍以上，能產(chǎn)生更大的破壞作用，通常又稱這種聚變反應(yīng)為熱核反應(yīng)。原子核越輕，所帶電荷越少，產(chǎn)生聚變反應(yīng)所需的能量也越低。因此，一般都用氫的同位素氘、氚和氘化鋰等物質(zhì)作為核裝藥，故將這種核武器稱為氫彈。 熱核反應(yīng)就是氘和氚的原子核在超高溫和超高壓的情況下彼此結(jié)合成為氦原子核并釋放出巨大的能量的過程。為什么用氘化鋰也可以進行熱核反應(yīng)呢？這是因為中子打在鋰上就會產(chǎn)生氚，同時氘化鋰中的氘和氘發(fā)生反應(yīng)也可產(chǎn)生氚和中子。 氫彈的結(jié)構(gòu)比原子彈復(fù)雜得多，它要裝一個小型原子彈做引爆裝置。小原子彈引爆后釋放出中子流并形成超高溫、超高壓環(huán)境，中子流與熱核材料作用使氘和氚原子核結(jié)合成氦原子核，并釋放出巨大能量和新的中子，繼而又產(chǎn)生新的聚變反應(yīng)，如此連續(xù)發(fā)展下去，直至產(chǎn)生熱核爆炸。由于熱核材料不受臨界質(zhì)量限制，氫彈可以制成比原子彈威力大得多的核武器。現(xiàn)代氫彈威力可以做到幾萬噸、幾百萬噸和幾千萬噸梯恩梯當量。 中子彈 中子彈也是一種利用核材料聚變反應(yīng)放出巨大能量的原理制成的核武器，因此又被稱為特殊的氫彈。由于它是利用輕核聚變時產(chǎn)生的大量高能中子進行殺傷破壞的一種小型核武器，故又被稱為以高能中子輻射為主要殺傷力的小型氫彈。 在中子彈中，引爆用的原子彈更小，只有幾百噸梯恩梯當量。這種原子彈是用钚-239制成的，因其比鈾裝藥能釋放更多的中子，可使中子彈小型化。中子彈主要核裝藥是氘和氚的混合物，而不是氘化鋰。因為氘和氚聚變反應(yīng)所放出的中子比裂變反應(yīng)所放出的中子多得多，而鋰可以吸收大部分中子。 中子彈的外殼一般不用鈾-238制作，而是采用鈹和鈹合金做成，這樣高能中子可以自由逸出，同時使放射性污染的范圍比較小。中子彈的當量較小，一般威力為1千噸梯恩梯當量，要求引爆用的原子彈更小，使其制造難度增大。中子彈的爆炸能由聚變反應(yīng)產(chǎn)生，并主要以快中子流的形式向四周釋放。它的核輻射效應(yīng)特別大，因此其正確名稱應(yīng)是增強的輻射武器。 凡是核武器都具有核輻射、沖擊波、光輻射、放射性污染和電磁脈沖等殺傷力，但對三種核彈來說，這五種因素各自體現(xiàn)的比例都是不同的。同時在不同的爆炸方式下，各種殺傷破壞因素在釋放的總能量中所占的比例也不完全相同。大體來說，原子彈爆炸時，沖擊波和光輻射占能量的85%，其它3種因素占15%；氫彈爆炸時，沖擊波和光輻射占能量的65%，其它3種因素占35%；中子彈爆炸時，核輻射和電磁脈沖占能量的70%以上，其它3種因素占30%以下。 由此可見，氫彈和中子彈雖然都屬核聚變武器，但它們的殺傷形式是不同的。氫彈是以沖擊波和光輻射為主來殺傷生命和破壞設(shè)施的，而中子彈是以中子輻射為主來殺傷生命的，電磁脈沖是隨著中子輻射而出現(xiàn)的占能量較小部分的強脈沖信號。1千噸梯恩梯當量的中子彈，在距地面90米的低空爆炸時，其沖擊波、光輻射和放射性污染的毀壞作用只限在爆心投影點周圍180米的范圍之內(nèi)，而快中子流以及中子流貫穿輻射與周圍介質(zhì)原子互相作用產(chǎn)生的電磁脈沖的殺傷半徑卻可達800米的距離。 中子的貫穿作用很強，它可以穿透坦克、掩體和磚墻去殺傷人員，而武器和建設(shè)物卻能完好的保存下來。由于中子彈放射性污染比較低，因而被稱為“清潔的”核彈。此外，中子流作用的時間很短，在中子彈襲擊之后，軍隊能很快進入目標區(qū)作戰(zhàn)。這些特點，決定了中子彈可作為戰(zhàn)術(shù)核武器使用。 核武器主要是作為核戰(zhàn)斗部裝在戰(zhàn)略導(dǎo)彈上，用以摧毀戰(zhàn)略目標。在近程夜戰(zhàn)、空戰(zhàn)和防空中有的導(dǎo)彈也裝有核戰(zhàn)斗部，用以摧毀地面大面積戰(zhàn)術(shù)目標，對付飛機群和攔截攜核彈的轟炸機等。中子彈不僅可以作為核戰(zhàn)斗部裝在導(dǎo)彈上使用，而且能夠制成炮彈由榴彈炮發(fā)射出去投入戰(zhàn)斗。（國家原子能機構(gòu)網(wǎng)特約撰稿/尹懷勤）