八、轻核的聚变

轻核的聚变 某些轻核结合成质量较大的核时，能释放出更多的核能。例如，一个氘核和一个氚核结合成一个氦核时，释放出 17.6 兆电子伏

的能量，平均每个核子放出的能量在 3 兆电子伏以上。这时的核反应方程是

² H + ³ H →⁴ He +¹ n

1 1 2 0

轻核结合成质量较大的核叫做聚变。

使核发生聚变，必须使它们接近到 10^-15 米，也就是接近到核力能够发生作用的范围。由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服电荷之间的很大的斥力作用。这就要使核具有很大的动能。用什么办法能使大量的轻核获得足够的动能来产生聚变呢？有一种办法，就是把它们加热到很高的温度。从理论分析知道，物质达到几百万度以上的高温时，原子的核外电子已经完全和原子脱离，成为等离子体，这时小部分原子核就具有足够的动能，能够克服相互间的库仑斥力，在互相碰撞中接近到可以发生聚变的程度。因此，这种反应又叫做热核反应。怎样产生这样高的温度呢？我们知道，原子弹爆炸时能产生这样高的温度，所以可以用原子弹来引起热核反应。氢弹就是这样制造出来的。

热核反应在宇宙中是很普遍的现象。在太阳内部和许多恒星内部，温度都高达 1000 万度以上，在那里热核反应激烈地进行着。太阳每秒钟辐射

出来的能量约为 3.8×10²⁶ 焦，就是从热核反应中产生的。地球只接受了其中的二十亿分之一，就使地面温暖，产生风云雨露，河川流动，生物生长。

可控热核反应 如果热核反应能够控制，把它作为一种能源，那是非常理想的，它释放出的能量，就每一个核子平均来说，比裂变反应还要大好几倍。而且裂变反应会产生带有强放射性的物质，对环境造成放射性污染；热核反应对环境的污染要轻得多，也比较容易处理。热核反应需要的原料——氘，在世界上的储量是非常丰富的。1 升海水中大约有 0.03 克的氘，如果用来发生热核反应，它放出的能量就和燃烧 300 升汽油相当。因此，海水中的氘是异常丰富的能源。

世界上许多国家，都在积极研究可控热核反应的理论和技术。我国自行设计和制造的最大可控核聚变实验装置“中国环流器一号”1984 年在四川省乐山地区建成。经过近 10 年卓有成效的实验研究，取得了 400 多项研究成果。1995 年 5 月“中国环流器新一号”又通过国家验收。“中国环流器新一号”是在“中国环流器一号”的基础上重新改建的一个新的实验装置，它的各项参数均有重大的提高。它标志着我国研究可控热核聚变的实验手段又有了新的发展和提高，并将为人类探求新能源的事业做出自己的贡献。

本章小结

这一章我们从天然发射现象出发，学习了原子核是如何组成的以及如何计算和利用原子核发生核反应时所释放出的巨大能量。

(1)什么是放射性元素？a 射线、β射线和γ射线的本质是什么？三种

射线的性质有什么异同？在 a 衰变和β衰变过程中，原子核的变化有什么规律？各举一例说明。怎样表示放射性元素衰变的快慢？

*(2)试述云室、计数器和乳胶照相的作用和原理。

什么是质子？怎样知道质子是原子核的组成部分？中子是怎样发现的？原子核是怎样组成的？什么叫同位素？
简述放射性同位素有哪些主要的应用。
什么是质能联系方程？这个方程告诉了我们什么？怎样根据原子核反应前后的质量亏损来计算核反应中释放的能量？
什么是重核的裂变？什么是链式反应？*在核反应堆中怎样控制核裂变的速度？
什么是轻核的聚变？产生核聚变的条件是什么？研究受控热核反应有什么意义？

习题A 组

原子核的衰变、原子核的人工转变、重核的裂变、轻核的聚变都是核反应，它们有什么不同？
钍 232 经过 6 次 a 衰变和 4 次β衰变后变成一种稳定的元素。这种元素是

，它的质量数是，原子序数是。
下面是 4 种元素的同位素的原子核：

118 X， 3 X，50 X，197 X.

50 2 22 79

请将 X 改为元素符号，并说明每个原子核中的中子数。

在某些恒星内，3个a粒子经过一系列中间反应后结合成1个¹²C

核。¹²C原子的质量是12．0000u， ⁴ He原子的质量是4．0026u。这个

6 2

反应中放出多少能量？

放射性物质每分钟衰变的次数跟尚未发生衰变的原子核数成正比。利用计数器探测某放射源的半衰期，如果最初每分钟平均计数
100 次，

15 天后，每分钟平均计数为 12.5 次。那么，该放射源的半衰期是多少天？

将一计数器放在实验桌上，打开开关。在连续 3
分钟内，计数器的读数是每分钟 11、9 和 16。将一放射源放在计数器附近，在连续 3 分钟内，计数器的读数变为每分钟 1310、1270 和 1296。现将一块厚纸板放在放射源和计数器之间，每分钟读数降为 1250、1242 和 1236。又将一块厚为 2 毫米的铅板代替厚纸板，则读数降为每分钟 13、12 和 11。

a．为什么没有放射源时，计数器会有读数？ b．根据上述的实验数据，你对射线的本质有何推断？为什么？

秦山核电站第一期工程装机容量为 30 万千瓦，如果 1 克铀 235 完

全裂变时产生的能量为 8.2×10¹⁰ 焦，并且假定所产生的能量都变成了电能，那么每年要消耗多少铀 235？(一年按 365 天计算。)

B 组

(1)铀 238 的半衰期是 4.5×10⁹ 年。假设一块矿石中含有 1 千克的铀

238，经过 45 亿年(相当于地球的年龄)以后，还剩有多少铀 238？假设发生衰变的铀 238 都变成了铅 206，矿石中会有多少铅？这时铀、铅的比例是多少？再经过 45 亿年，矿石中的铀、铅比例将变成多少？根据这种铀、铅比例能不能判断出矿石的年龄？

（2）静止状态的放射性原子核镭（ ²²⁶Ra）进行a衰变。为了测量

a 粒子的动能 E，让 a 粒子垂直飞进 B＝1 特的匀强磁场，测得 a 粒子的轨道半径 r＝0.2 米。

写出 Ra 的 a 衰变方程。
试计算 a 粒子的动能 E。

(3)已知²²⁶Ra，²²²Rn， ⁴He的原子量分别是226.0254，222.0175，

88 86 2

4.0026。求在²²⁶Ra的a衰变

²²⁶Ra→ ²²² Rn＋ ⁴He

88 86 2

中放出的能量是多少电子伏？如果这些能量都以 Rn 核和 He 核的动能形式释放出来，放出的 a 粒子的速度有多大？

提示：能量和动量都守恒。

设质量为 ma＝4u、速度为ν的 a 粒子去正面碰撞静止的、质量为mAu＝197u
的金原子核，碰撞时没有能量损失，a 粒子被弹回，如图 10-14 所示。试问：

碰撞后 a 粒子和金原子核的速度 v’和 V’各是多大？
这样被碰回的 a 粒子极少，说明了什么？

在一原子反应堆中，用石墨(碳)作减速剂使快中子减速。已知碳核的质量是中子的
12 倍，假设把中子与碳核的每次碰撞都看作是弹性正碰，而且认为碰撞前碳核都是静止的。

设碰撞前中子的动能是 E0，经过一次碰撞，中子损失的能量是多少？
至少经过多少次碰撞，中子的动能才能小于 10^-6E0？