高三物理 4_5《裂变和聚变》素材 粤教版选修3-5.doc

1、三种核弹的工作原理三种核弹的异同简单的说，它们的相同之处就在于其破坏威力都来源于某些物质的原子核核能的释放。本世纪初科学家发现原子核中蕴藏着巨大的能量，人们将这种核能释放，并首先用于军事目的，结果促成了核武器的出现；三种核弹的不同之处在于核能释放的方式不同和破坏杀伤的形式不同。核能的释放出现在原子核发生转变的过程中，而这种转变可分为重核裂变和氢核聚变两种方式。一般将核裂变武器称为第一代核武器，实际上就是原子弹；将核聚变武器称为第二代核武器，实际上就是氢弹；将以调整和控制核爆炸能为特点的新一代核武器称为第三代核武器，主要包括增强某一破坏因素的核武器，如中子弹、冲击波弹、感生辐射弹、光辐射弹、电磁

2、脉冲弹以及核定向能武器等。作为增强的辐射武器，中子弹是目前世界上唯一已实现生产和部署的一种第三代核武器。原子弹原子弹是利用原子核裂变反应释放出大量能量的原理制成的一种核武器，核装药一般为钚-239、铀-235。这些物质的原子核在热中子轰击下，分裂为两个或若干个裂片和若干个中子，同时释放出巨大的能量。新产生的中子又去轰击其它原子核，如此连续发展下去，核分裂的数量就会急剧增加，形成链式反应，仅在百分之几秒内就会出现猛烈爆炸，并放出非常大的能量。1 公斤铀释放出的能量相当于 2 万吨梯恩梯炸药爆炸时释放出的能量。原子弹装药分为两块，每块都小于临界质量，因此平时不会发生核反应。当引爆装置点燃普通炸药时

3、，将两块装药推挤到一起，整体质量便大于临界质量，在中子的轰击下，产生原子核裂变链式反应，随即出现核爆炸。目前原子弹的威力可达到几万吨到几百万吨梯恩梯当量。利用铀或钚等易裂变重原子核裂变反应瞬时释放巨大能量的核武器。又称裂变弹。威力通常为几百到几万吨梯恩梯当量，有很大的杀伤破坏力。可单独配置在不同的投射工具中而成为核导弹。核航空炸弹、核地雷和核炮弹等，或用作氢弹中的初级(或称“扳机”)，为点燃轻核引起热核聚变反应提供必需的能量。(1)基本原理。铀-235、钚-239 这类重原子核在中子轰击下通常会分裂成两个中等质量数的核(称裂变碎器)，并放出 2-3 个中子和 200 兆电子伏能量(相当于 3.

4、21011 焦耳)。放出的中子，有的损耗在非裂变的核反应中或漏失到裂变系统之外，有的则继续引起重核裂变。如果每一个核裂变后能引起下一代核裂变的中子数平均多于 1 个，裂变系统就会形成自持的链式裂变反应，中子总数将时间按指数规律增长。例如，当引起下一代裂变的中子数其均为 2 个时，则在不到 1 微秒之内，就可以使 1 千克铀或钚内的 2.5024 个原子核发生裂变，并释放出约 2 万吨梯恩梯当量的核能。裂变材料的装量必须大于一定的量，称为临界质量，才能使链式裂变反应自持进行下去。原子弹中要放置相当份量的裂变材料，但不使用时，它们必须处于次临界状态。使用时，要使处于次临界状态的裂变装料瞬间达到超临

5、界状态，并适时提供若干中子触发链式裂变反应。超临界状态可以通过两种方法来达到：一种是“轮法” ，又称压拢型，另一种是“内爆法” ，又称压紧型；(2)基本结构。原子弹主要由引爆控制系统、炸药、反射层、核装料组成的核部件、核点火部件和弹壳等结构部件组成。引爆控制系统用来适时引爆炸药；炸药是推动、压缩反射层和核部件的能源；反射层由铍或铀-238 构成，用来减少中子的漏失；核装料主要是铀-235或钚-239；核点火部件用以提供“点火”中子，以引发链式裂变反应；弹壳用来固定和组合各部件；(3)爆炸过程。原子弹中的引爆控制系统在预定时间或条件下发出引爆指令，使炸药起爆，炸药的爆轰产物推动并压缩反射层和核装

6、料，使之达到超临界状态，核点火部件适时提供若干“点火”中子，使核装料内发生链式裂变反应，并猛烈释放能量。随着能量的积累，温度和压力迅速升高，核装料不断膨胀，密度不断下降，最终又成为次临界状态，链式反应趋于熄灭。从炸药起爆到核点火前是爆轰、压缩阶段，通常要几十微秒时间；从核点火到链式裂变反应熄灭是裂变放能阶段，只需要十分之几微秒。原子弹在如此短暂的时间里放出几百至几万吨梯恩梯当量的能量，使整个弹体和周围介质都变成高温高压等离子气团，中心温度可达 107 开尔文 ，压力达 1015 帕斯卡 。原子弹爆炸产生的高温高压以及各种核反应产生的中子、r 射线和裂变碎器，最终形成冲击波、光辐射、早期核辐射、

7、放射性沾染和电磁脉冲等杀伤破坏因素。(4)研究和发展。主要包括：原子弹体积重量的小型化；适应战场使用的多种低威力和威力可调的核装置；提高安全性、可靠性、有效性、提高核装料的利用效率；最重要的进展则是发展了“助爆型原子弹” 。原子弹结构图氢弹氢弹是利用轻原子核聚合成较重原子核过程中释放出大量能量的原理制成的核武器。这种核聚变反应要在数千万度高温和超高压条件下才能进行，单位质量所释放出来的能量一般为核裂变反应的 4 倍以上，能产生更大的破坏作用，通常又称这种聚变反应为热核反应。原子核越轻，所带电荷越少，产生聚变反应所需的能量也越低。因此，一般都用氢的同位素氘、氚和氘化锂等物质作为核装药，故将这种核

8、武器称为氢弹。热核反应就是氘和氚的原子核在超高温和超高压的情况下彼此结合成为氦原子核并释放出巨大的能量的过程。为什么用氘化锂也可以进行热核反应呢？这是因为中子打在锂上就会产生氚，同时氘化锂中的氘和氘发生反应也可产生氚和中子。氢弹的结构比原子弹复杂得多，它要装一个小型原子弹做引爆装置。小原子弹引爆后释放出中子流并形成超高温、超高压环境，中子流与热核材料作用使氘和氚原子核结合成氦原子核，并释放出巨大能量和新的中子，继而又产生新的聚变反应，如此连续发展下去，直至产生热核爆炸。由于热核材料不受临界质量限制，氢弹可以制成比原子弹威力大得多的核武器。现代氢弹威力可以做到几万吨、几百万吨和几千万吨梯恩梯当量

9、。中子弹中子弹也是一种利用核材料聚变反应放出巨大能量的原理制成的核武器，因此又被称为特殊的氢弹。由于它是利用轻核聚变时产生的大量高能中子进行杀伤破坏的一种小型核武器，故又被称为以高能中子辐射为主要杀伤力的小型氢弹。在中子弹中，引爆用的原子弹更小，只有几百吨梯恩梯当量。这种原子弹是用钚-239 制成的，因其比铀装药能释放更多的中子，可使中子弹小型化。中子弹主要核装药是氘和氚的混合物，而不是氘化锂。因为氘和氚聚变反应所放出的中子比裂变反应所放出的中子多得多，而锂可以吸收大部分中子。中子弹的外壳一般不用铀-238 制作，而是采用铍和铍合金做成，这样高能中子可以自由逸出，同时使放射性污染的范围比较小。

10、中子弹的当量较小，一般威力为 1 千吨梯恩梯当量，要求引爆用的原子弹更小，使其制造难度增大。中子弹的爆炸能由聚变反应产生，并主要以快中子流的形式向四周释放。它的核辐射效应特别大，因此其正确名称应是增强的辐射武器。凡是核武器都具有核辐射、冲击波、光辐射、放射性污染和电磁脉冲等杀伤力，但对三种核弹来说，这五种因素各自体现的比例都是不同的。同时在不同的爆炸方式下，各种杀伤破坏因素在释放的总能量中所占的比例也不完全相同。大体来说，原子弹爆炸时，冲击波和光辐射占能量的 85%，其它 3 种因素占 15%；氢弹爆炸时，冲击波和光辐射占能量的 65%，其它3 种因素占 35%；中子弹爆炸时，核辐射和电磁脉冲

11、占能量的 70%以上，其它 3 种因素占 30%以下。由此可见，氢弹和中子弹虽然都属核聚变武器，但它们的杀伤形式是不同的。氢弹是以冲击波和光辐射为主来杀伤生命和破坏设施的，而中子弹是以中子辐射为主来杀伤生命的，电磁脉冲是随着中子辐射而出现的占能量较小部分的强脉冲信号。1 千吨梯恩梯当量的中子弹，在距地面 90 米的低空爆炸时，其冲击波、光辐射和放射性污染的毁坏作用只限在爆心投影点周围 180 米的范围之内，而快中子流以及中子流贯穿辐射与周围介质原子互相作用产生的电磁脉冲的杀伤半径却可达 800 米的距离。中子的贯穿作用很强，它可以穿透坦克、掩体和砖墙去杀伤人员，而武器和建设物却能完好的保存下来。由于中子弹放射性污染比较低，因而被称为“清洁的”核弹。此外，中子流作用的时间很短，在中子弹袭击之后，军队能很快进入目标区作战。这些特点，决定了中子弹可作为战术核武器使用。核武器主要是作为核战斗部装在战略导弹上，用以摧毁战略目标。在近程夜战、空战和防空中有的导弹也装有核战斗部，用以摧毁地面大面积战术目标，对付飞机群和拦截携核弹的轰炸机等。中子弹不仅可以作为核战斗部装在导弹上使用，而且能够制成炮弹由榴弹炮发射出去投入战斗。（国家原子能机构网特约撰稿/尹怀勤）