核能概论

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思考人生 发表于 2015-7-20 08:49:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
第一节 核能的发现与发展历史
一、 十八亿年前奇特的自然现象
自然界里的物质,是由各种元素组成的。不同元素的原子不同。原子由电子和原子核组成,电子绕着原子核运转。原子不但很小,而且里面十分空旷。如果我们将原子放大成上百米直径的大气球,原子核只是气球中央的一颗小米粒,而它的质量却占整个原子质量的99.94%以上。
除了最轻的原子核只包含一个质子之外,其余的原子核都由质子和中子组成。中子和质子统称为核子。它们的质量差不多大,当然它们的质量都是很小的。
人们以原子核内的质子数和核子总数来区分原子核,于是又出现了核素这个专有名词。正如不同元素的化学性质完全不同一样,不同核素的核特性完全不同。质子数相同而中子数不同的核素,在元素周期表中占据同一个位置,因而叫同位素。自然界中存在有91中元素,其中有些自然界中并不存在,而是人工制造出来的。这些元素,一共有2500多种同位素,其中265种是稳定同位素,2300多种是放射性同位素。
放射性同位素会自发地放射出file:///C:/Users/Auser/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image001.gif、file:///C:/Users/Auser/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.gif或file:///C:/Users/Auser/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image003.gif等射线,并衰变成别的核素。每一种放射性同位素都按照自已固定不变的速率衰变为别的核素,这个速率不受通常的温度、压力和各种化学变化等因素影响。我们将放射性同位素的衰变速率用半衰期来衡量。半衰期是放射性同位素原子核衰变一半所需要的时间。
核素有两种表示方法:一种是在元素符号的左上角标明核子总数,在左下角标明质子数。例如file:///C:/Users/Auser/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif,就表示质子数为94,核子总数为239的核素。另-种方法是在元素的名称后,标明核子总数。例如铀-235,就表示核子总数为235的铀的一种同位素。
地球上存在的91种元素中,第92号元素铀,是唯-容易裂变的元素。我们称自然界中存在的铀为天然铀,它有三种同位素:一种是铀-238,占99.27%;一种是铀-235,占0.724%;一种是铀-234,占0.006%。这三种同位素的原子核,都含有92个质子,因此化学性质基本相同。但它们的中子数目不同:铀-238有146个中子,铀235有143个中子,铀-234有142个中子。这三种同位素的核特性相差很大,只有铀-235的原子核才容易分裂成两个中等质量的原子核,也就是我们所说的裂变。其它两种同位素不易裂变。
无论是那个国家,也无论是陆地和海洋,七十年代初以前人们找到的天然铀,其中铀-235的含量都在0.724%左右。1969年7月美国阿波罗11号飞船从月球取回的岩样,其中铀-235在铀元素中占的比例,也差不多是上面的数值。我们称0.724%为铀-235的天然丰度。也就是说,自然界里的铀,不管它是单独存在,还是以极低的含量存在于矿石或海水中,我们任意找来+万个铀原子,其中的铀-235原子都是七百多个。
可是,1972年6月,法国皮埃尔拉特铀矿分析室的工作人员鲍齐涅,却惊奇地发现,有些矿石里,铀-235在铀中的比例,明显地低于上述天然丰度。后来顺藤摸瓜,发现非洲加蓬共和国奥克洛矿区的铀矿,铀-235的含量普遍偏低,有的竟不到0.29%。这个惊奇的发现,引起了各国科学家的注意。1975年6月应加蓬政府和法国政府的要求,国际原子能机构组织了专门的学术讨论会。根据现场勘测的大量资料,专家们认为,远在人类诞生前,距今18亿年时,由于大自然的巧妙安排,在奥克洛矿区,至少有8座天然反应堆断断续续地运行了几十万年,释放出相当于约两千万吨煤燃烧放出的热量。
那么,大自然是怎样创造出这一奇迹的呢?为什么铀-235原子核容易裂变,而别的原子核不易裂变?为什么世界各地的铀矿中,别的铀矿不容易形成天然反应堆,奥克洛矿区却容易形成,并在18亿年前出现呢?为说明这些问题,我们先看看铀-235原子核为什么容易裂变。

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qzuser283 发表于 2017-10-13 11:24:10 | 显示全部楼层
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