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绿色核能科普宣传-绿色核能基本知识

2020-05-22 14:25  来源:中国核学会    核电  核能

放射性核素是不稳定的,原子核会自发释放出粒子,并变成另一种元素,这种现象就是衰变。这些放射出的粒子统称辐射。由不稳定原子核发射出来的辐射可以是α粒子、β粒子、γ射线或中子。


绿色核能科普宣传大纲

绿色核能基本知识

1.核科学发展重要事件

1895年,伦琴发现X射线

1896年,贝可勒尔发现天然放射性现象

1897年,汤姆逊实验发现电子;卢瑟福和汤姆逊发现放射性的产物α射线和β射线

1898年,居里夫妇先后发现放射性元素钋和镭

1905年,爱因斯坦提出狭义相对论

1911年,卢瑟福提出核原子结构模型

1916年,爱因斯坦提出广义相对论

1919年,卢瑟福实现人工核反应

1923年,康普顿发现康普顿效应

1932年,查德威克发现中子

1934年,约里奥-居里夫妇实现核反应生产人工放射性核素

1938年,哈恩和斯特拉斯曼发现核裂变现象

1942年,费米启动世界第一座核反应堆

2.什么是衰变

放射性核素是不稳定的,原子核会自发释放出粒子,并变成另一种元素,这种现象就是衰变。这些放射出的粒子统称辐射。由不稳定原子核发射出来的辐射可以是α粒子、β粒子、γ射线或中子。

3.质能转换理论

1905年,爱因斯坦在狭义相对论的研究基础上,导出了著名的“质能转换公式:E=mc2。他认为物质和能量是同一种事物的两种不同形式,物质可以转变为能量,能量也可以转变为物质。当一定量的物质消失时,就会产生一定量的能量。其定量关系是:产生的能量E等于消失的质量m乘以光速c的平方。由于光速很大,因此很少量的物质也能产生极大的能量。如果1克物质转化为能量,这些能量可以供给一只100瓦的灯泡点亮35000年。

4.核裂变

核裂变是指由重的原子核分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。原子弹或核能发电厂的能量来源就是核裂变。裂变只有一些质量非常大的原子核像铀、钍和钚等才能发生核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核,同时放出二个到三个中子和很大的能量,又能使别的原子核接着发生核裂变……,使过程持续进行下去,这种过程称作链式反应。原子核在发生核裂变时,释放出巨大的能量,这些能量被称为原子能。1千克铀-238的全部原子核的裂变将产生20,000兆瓦小时的能量,与燃烧至少2000吨煤释放的能量一样多,相当于一个20兆瓦的发电站运转1,000小时。

5.核聚变

核聚变是由两个轻的原子核结合成一个较重的原子核的核反应过程。聚变反应会释放出巨大的能量。就单位质量而言,聚变释放的能量要比裂变释放的能量大3~4倍。核聚变反应是在高温、高密度与高能量约束状态下的等离子体中实现的。包括太阳在内的大多数星体释放的能量便是来源于高温氢等离子体中的高能氢核聚合成氦核(粒子)的核聚变反应。核聚变能具有能量密度高、原料储量丰富、安全环保清洁等特点,是人类未来理想的主力能源。核聚变燃料之一的氘广泛地分布在海水中,1升海水中含的氘全部聚变反应所产生的能量与300升汽油完全燃烧所释放的能量相当,海水中氘的储量可供人类使用几十亿年。核聚变能是目前认识到的最终解决人类能源问题的最重要途径之一,研究核聚变、开发核聚变能具有极其重大的科学意义和战略意义。但实现聚变条件苛刻,目前聚变能的应用尚处于研发之中。

6.核反应堆

又称为原子能反应堆,是能维持可控自持链式核裂变反应,以实现核能利用的装置。人类第一台核反应堆由美国籍意大利著名物理学家恩利克·费米领导的小组于1942年12月在美国芝加哥大学建成,命名为芝加哥一号堆(Chicago Pile-1)。该反应堆是采用铀裂变链式反应,开启了人类原子能时代,芝加哥大学也因此成为人类“原子能诞生地”。根据用途,核反应堆可以分为以下几种类型:

(1)研究堆。将中子束用于实验或利用中子束来进行基础科学和应用科学的研究,包括研究堆、材料实验堆等。

(2)生产堆。利用核裂变放出来的中子来生产核燃料、核裂变物质,或者进行工业规模的辐照的反应堆。

(3)动力堆。利用核裂变释放的能量来产生动力。主要包括用于发电的核反应堆,提供取暖、海水淡化等用的热量的核反应堆,用于推进船舶、飞机、火箭等的核反应堆等。

7.粒子加速器

利用电场和磁场的结合,操纵粒子(比如质子)沿着一定的轨道直线或环运动,同时把它们提升到越来越高的能量水平,让这些粒子碰撞,并产生大量碰撞产物。根据爱因斯坦的质能转换公式,能量越高,产生大质量粒子的可能性越大。科学家通过设置在对撞点的探测器,寻找这些转瞬即逝的新粒子,从而使一些基础科学的推论得到验证,是核物理研究的重要工具。加速器包括直线加速器、回旋加速器、同步加速器等多种形式。加速器能够产生多种射线,射线辐射技术在工程、医药、生物学等方面有着广泛的应用,在辐射加工、无损检测、辐照育种、杀虫灭菌、医用诊疗等多个领域发挥了作用。

8.中国科学家的贡献

(1)吴有训与康普顿效应。吴有训是中国著名物理学家、教育家,清华大学物理系创建者之一。1923年,吴有训成为阿瑟·康普顿的研究生。同年,康普顿发现“康普顿效应”。吴有训改进了实验方法,证明了康普顿效应的普遍性。1927年,康普顿荣获诺贝尔物理学奖,康普顿晚年曾对杨振宁说,他一生最得意的学生就是吴有训。

(2)赵忠尧与正负电子湮灭。赵忠尧是中国著名核物理学家,中国核物理研究的开拓者。1927年,赵忠尧赴美国加州理工学院留学,师从密立根教授。他在研究“硬γ射线通过物质时的吸收系数”过程中,测量到反常吸收和特殊辐射现象。1932年,美国学者安德逊以发现正电子获得诺贝尔奖,安德逊谈到,正是赵忠尧的发现引起了他的极大兴趣,激发了他当时研究的计划。

(3)王淦昌与“反西格玛负超子”。王淦昌是中国实验原子核物理、宇宙射线及基本粒子物理研究的主要奠基人和开拓者,“两弹一星”元勋,1930年赴德国留学,师从莉泽·迈特纳。1941年王淦昌在美国《物理评论》上发表论文,提出验证中微子存在的实验方案。1959年王淦昌发现“反西格玛负超子”,苏联《自然》杂志评价:“实验发现反西格玛负超子是在微观世界的图像上消灭了一个空白点。”

(4)钱三强与铀三裂变。钱三强是中国著名核物理学家,中国原子能科学事业的创始人,“两弹一星”元勋。1937年,钱三强赴法国留学,导师是约里奥-居里夫妇。钱三强于1946年发现了“铀的三裂变现象”,1947年发表《论铀的三分裂的机制》,对“三裂变”进行了详细论证,引起了当时世界核物理界的高度重视。




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