核武器与化学全解.doc

课时授课计划1、课题：第4章核武器与化学2、课型：新授课3、目的要求：通过本章的学习，了解原子弹、氢弹等的作用机理及特点。4、重点难点：教学重点：原子弹、氢弹等核武器的原理和特点教学难点：原子弹、氢弹等核武器的原理和正确认识。5、教学方法及手段：讲授与学生讨论及观看相关视频相结合，在有条件的教室使用多媒体课件。6、参考资料7、作业8、授课日期班次9、授课效果分析：10、教学进程（教学内容、教学环节及时间分配等）（1）导入课题：第4章核武器与化学（2）教学内容： a.原子弹的发展演化 b.核裂变原理和应用 c.氢弹的发展演化 d.核聚变的原理、特点和应用 e.贫铀弹的是与非（3）课堂总结：核武器威力巨大，对战争带来了翻天覆地的变化；核武器的出现使整个世界处在核威慑带来的阴郁的笼罩之下，核大国的任何一个不可冷静都会带来不可挽回的代价；核裂变核聚变在民用方面具有巨大的开发价值。【讲稿】第4章核武器与化学4.1原子弹与化学4.1.1发展历史 1、二战中英美苏德的原子弹竞赛 1939年德国科学家发现了原子核裂变现象，并进一步提出有可能创造这种裂变反应支持进行的条件，从而开辟了利用这一新能源为人类创造财富的广阔前景。但是，同历史上许多科学技术新发现一样，核能的开发也被首先用于军事目的，即制造威力巨大的原子弹，其进程受到当时社会与政治条件的影响和制约。1939年德国扩大侵略战争，欧洲许多国家开展科研工作日益困难。1939年丹麦科学家阐述了核裂变反应过程，并指出能引起这一反应的最好元素是同位素铀235。就在此时英、法向德国宣战，二战全面爆发，1940年夏德国占领法国。 （1）英国英国曾制订计划进行这一领域的研究，但由于战争影响，人力物力短缺，后来也只能采取与美国合作的办法，派出科学家与美国合作。（2）美国英国受战争影响被迫派出科学家与美国合作，再加上纳粹德国对犹太人实行种族灭绝政策（爱因斯坦就是犹太人，犹太人很聪明，很会做生意），很多核科学家来到美国。为了抢在德国之前，1939年8月爱因斯坦和几个科学家联名向美国总统提出制造建议，研究原子弹。美国总统批准，命名为“曼哈顿计划”，开始规模很小，只投入了很少的钱，6000美元，后来日本偷袭珍珠港后，才扩大规模，直接动用的人力约60万人，投资20多亿美元。到二战快结束时，后来居上，抢在德国之前制造出了三颗原子弹，美国成为世界上第一个拥有原子弹的国家。并在日本失败已成定局的情况下，美国仍于8月6日、9日先后在日本的广岛和长崎投下了仅有的两颗原子弹，造成了巨大的伤亡，惨状让人不寒而栗，日本也成为世界上第一个也是至今唯一一个遭受过核打击的国家，但愿不要有第二个。（3）德国德国开始处于领先地位，但纳粹过于自信，认为战争很快就会结束，不重视，再加上英美等国的空袭，物资，电力等短缺和因纳粹迫害科学家，有的科学家采取不合作态度，因此到二战结束德国也没造出原子弹。（4）苏联苏联在战前也在加强这方面的研究，卫国战争使研究中断。1943年逐渐恢复，战后苏联更是加速进行，终于与1949年，进行了原子弹试验。 2、二战后的新的核国家中国基础工业有了一定的发展后，即着手准备研制原子弹，并在苏联专家的帮助下研究。1958年开始起步时，国民经济发生严重困难，苏联撕毁协议，撤走专家。中国决心完全依靠自己的力量来实现这一任务。中国首次试验的原子弹取596为代号，就是以此激励全国军民大力协同做好这项工作。1964年10月16日，首次原子弹试验成功。目前除美、苏、英、法和中国已掌握核武器外，印度，巴基斯坦也有了核武器，朝鲜也于2009年试验了原子弹，实际上以色列也有只是不承认也不否认。一般认为，掌握必要的核技术并具有一定工业基础及经济实力的国家，也完全有可能制造原子弹，伊朗也在为此努力。 原子弹正向着小型化方向发展。4.1.2原理1、核裂变原理当一个重原子核，如铀等，被中子轰击后，可以发生裂变(一个原子核分裂成几个原子核的变化，是指由重的原子，主要是指铀或钚，分裂成较轻的原子的一种核反应形式)分裂成两个或更多个质量较小的原子核，释放出23个次级中子。裂变前后并没有发生质子、中子数量的变化，但是其质量却减轻了微不足道的一点，但根据爱因斯坦能量方程E=mc2，这些消失的质量转化成为能量释放出来。这微不足道的一点质量乘以光速的平方，就是一个相当大的数值了。而且铀原子核在裂变时，可以同时释放2-3个中子，如果这些中子继续轰击其他的铀原子核，这样一个接一个继续就可以形成雪崩式的裂变反应，把能量在百分之一秒内释放出来，我们称之为链式反应。1千克铀235的全部核的裂变将产生20,000兆瓦小时的能量(足以让20兆瓦的发电站运转1,000小时)，与燃烧300万吨煤释放的能量一样多。1千克铀235(或钚239)全部裂变，大约能释放18000吨梯恩梯当量的能量，这样的瞬间能量释放可以形成破坏巨大的爆炸，完全能够制造出一种重量轻、破坏大的武器。一颗原子弹的核装药一般为1525千克铀235(或68千克钚239)，美国投到日本的原子弹威力只相当于两万吨左右的TNT当量，这样算核装药利用率还不到百分之五。 2、原料制备核裂变主要使用铀为原料，但是，铀有两种同位素，铀235和铀238。铀235在吸收中子后可以立即发生裂变，而铀238则几乎毫无变化。天然铀中铀235的比例很小，根本不可能维持链式反应。所以，将铀235提纯就成为原子弹成功的关键。铀235与铀238的化学性质完全相同，物理性质中也仅仅是密度稍有差异。科学家发现，铀与氟反应生成UF6，这是一种气体。铀235和铀238的氟化物密度有差异，如果让他们扩散通过多孔板，铀235氟化物就会比铀238氟化物略微快一点。经过很多次这种过程，铀235就被提纯了，也可以利用超速离心的方法分离（就是现在的离心机）。当铀238吸收中子后，会发生衰变成为镎239。镎239的半衰期很短，很快衰变为钚239。钚239与铀235性质相似，也可以发生链式反应。1945年投放在长崎的“胖子”就是一枚钚弹，广岛投下的是一颗铀弹（所以铀238也不是没有用处，也可以使用）。4.1.3应用 1、原子弹可以用来作为武器造成惨重的损失，据统计，美军在日本投下的两枚原子弹共造成近30万人死亡，效果远远超过任何一种常规武器，那当量只有几万吨的TNT.现在的原子弹威力更大，动辄几百万吨TNT当量，甚至有上千万吨的，那就损失更大了。 2、用来发电，核反应堆，核电厂已经应用于全世界，中国的秦山和大亚湾补救正在运行，贡献电能。3、至于利用地下核爆炸的高温高压，将石墨变成金刚石，利用地下核爆炸的强大中子流生产超铀元素，则已开始实践了。作用还有很多，只要开动智慧，和平利用会很多的。4.2氢弹与化学4.2.1发展历史1、产生阶段1942年，美国科学家在研制原子弹的过程中，由于原子弹爆炸能产生上千万度的超高温，推断原子弹爆炸提供的能量有可能点燃氢核，引起聚变反应，并想以此来制造一种威力比原子弹更大的超级弹。美国在研制氢弹初期，经过了多次试验都没有成功，1950年以后美国又重新开始试验，并且利用电脑对热核反应的条件进行了大量计算之后，证明在钸弹爆炸时所产生的高温下，热核原料的氘和氚混合物确实有可能开始聚变反应。为了检查这些结论，他们曾经准备了少量的氘和氚装在钸弹内进行试验，结果测得这枚钸弹爆炸时产生的中子数大大增加，说明了其中的氘氚确实有一部分会进行热核反应。于是在这次试验后，美国加紧了制造氢弹的工作，1952 年11月1日清晨，太平洋比基尼岛，随着一声巨响，耀眼的火球冲天而起。海水沸腾了，整个小岛几乎从海面上消失，这就是第一枚氢弹。 当时所用的氢弹重65吨，其中用于维持氘氚液化的制冷系统就有50余吨，体积十分庞大，这样大的重量是任何运载工具都难于胜任的，没有实战价值。而且，核燃料氚是一种放射性同位素，半衰期为12年，制造好的氢弹是不能长期保存的。直到1954年找到了用固态的氘化锂替代液态的氘氚作为热核装料之后，才缩小了体积和减轻重量，制出了可用于实战的氢弹。从50年代初至60年代后期，美国、苏联、英国、中国和法国都相继研制成功氢弹，并装备部队。2、发展成熟阶段大型化20世纪60年代中期，大型氢弹的威力已达到了很高的水平。为了在核竞争中压服美国，苏联开始打算引爆1亿吨TNT当量的氢弹，考虑到破坏力太大，换了5000万吨级的氢弹，也是威力超强啊，冲击波绕了地球4圈，核污染范围达4000公里。闪光在1000公里外都能看见。爆炸过后通红的蘑菇云高达70公里。也就是说在苏联引爆的超级氢弹，在美国也能看到闪光，而且美国也会受到核辐射。核爆炸后，4000公里以内的所有的飞机、导弹、雷达、通讯等设备全部都受到不同程度的影响，苏军整个通讯体系失去联系的时间长达一个多小时，而其对手美军也遭了殃，首当其冲的是最靠近苏联国土的阿拉斯加和格陵兰岛，美军驻阿拉斯加和格陵兰岛上的北美防空司令部的电子系统大都受损，雷达无法操作，通讯中断。这颗氢弹在4000多米高空引爆，范围比整个日本还大。1945年的原子弹小男孩曾经灭掉日本一个城市，如果当时氢弹已经诞生，那么今天就没有日本了。氢弹采取的是核聚变，原子弹是核裂变，氢弹必须靠原子弹来引爆，原子弹和氢弹融合，氢原子相互碰撞，强大的力量到达临界点，氢弹的外壳立刻被5000万吨黄色炸药炸的粉碎。这颗氢弹被称为世界上最大的氢弹。 由于太过恐怖，对环境破坏太过于严重，威力过度没有意义，从此以后世界各国再未进行过如此疯狂的核试验。3、小型化小型氢弹则经过了60年代和70年代的发展，威力也有较大幅度的提高。在某些战争场合，需要使用具有特殊性能的武器。至80年代初，已研制出一些能增强或减弱某种杀伤破坏因素的特殊氢弹，如中子弹、减少剩余放射性武器等。中子弹是一种以中子为主要杀伤因素的小型氢弹，只不过这种小型氢弹中裂变的成分非常小，而聚变的成分非常大，因而冲击波和核辐射的效应很弱，但中子流极强，它靠极强的中子流起杀伤作用，据称能做到“杀人而不毁物”。70年代末，美国宣布研制成功中子弹。减少剩余放射性武器（Reduced-Residual-Radioactivity weapon）亦称RRR弹，也属于一种以冲击波毁伤效应为主，放射性沉降少的氢弹 。随着科学技术的发展，氢弹与洲际弹道飞弹的结合就为现代世界带来了以暴制暴的恐怖和平，使得人类进入按钮战争的时代，任何一个核子强国在战争中使用氢弹，也就是世界末日的来临，氢弹主要起威慑作用。到目前为止，所有被制造出的氢弹当中，威力最大的是由苏联所制造的，当量为7000万吨的超大型氢弹，但因为过于笨重及庞大，难以搬运，欠缺实用性，因此早已退役。万一谁一时大意，或走了火，那就是世界末日啊。氢弹只是一种威慑武器，美俄数次签订削减核武器条约就是为了较少和避免这种擦枪走火的事故发生的概率。4.2.2原理1、裂变原理裂变实现以后，科学家又把目光集中在了轻核的聚变反应。如果轻原子核，如氢的同位素氘(dao，D)、氚（chuan，T）能靠近到一定距离，可以发生聚合成为质量稍大的氦核，其质量的衰减大于重核的裂变，产生巨大的能量。太阳就是一个巨大的核聚变反应堆，现在一直作用反应者，不断的向地球等星球供应能量，而且还可以供应100亿年（如果太阳开始衰败，那地球就灭亡了）。但是，原子核携带正电荷，要想让其靠近到可以聚合的距离，必须让其具有巨大的动能。达到这种动能的温度只存在于恒星内部，依靠常规方法是无法实现的。原子弹爆炸时，其温度可以达到上千万度，完全满足了这种需求。一旦被引发，核聚变本身产生的能量就足以维持直到燃料用尽。1952年的第一枚氢弹就是此原理，这枚氢弹使用一枚小当量原子弹作为“雷管”。核聚变材料为液态氘、氚。核反应方程式为：D+THe+n这枚氢弹的爆炸当量相当于700个广岛原子弹，充分体现了核聚变的威力。但是，这种氢弹重量大，体积大，不易保存，是不具有实战应用价值的。化学家和核物理学家合作，很快解决了这个问题。用3号元素锂的一种同位素锂6，与氘反应，生成一种白色的固体氘化锂，这是一种容易保存的盐。氘化锂用作核装药，在爆炸时发生以下两个核反应：Li+nT+HeT+DHe+n这两个反应都会释放巨大的能量。原子弹“雷管”爆炸时可以提供足量的中子，中子与锂6反应生成氚，氘氚核聚变时又能产生中子维持锂6的反应所以，总反应可以写成：Li+D2He这样，氢弹甩掉了重负，可以应用于实战之中了。由于氢弹爆炸时要发生两种核反应原子弹“雷管”裂变反应和氘氚聚变反应，因此也被称为双相弹。2、原料获取氢弹的原料氘，是氢的同位素，大量存在于自然界之中。氘与氧的化合物称为重水，其化学性质与水基本相同。但是，重水的沸点略高于水，在电解水的时候，重水也相对不容易被电解。所以，就可以采用反复蒸馏普通水和电解水的方法浓缩重水，最后利用电解的方式得到氘。锂6主要存在于海水、矿泉水、锂辉石当中，天然储量也很大。所以，氢弹的原料更易得。3、几种新型氢弹的原理氢弹爆炸成功后，人们发现，其爆炸时可以产生大量高速度的中子。如果用这种高速度的中子轰击铀238，可以引起它的裂变而释放能量。由于铀238裂变时不产生中子，所以不会维持链式核裂变反应，但是核聚变产生的高能中子已经是绰绰有余。于是，在氢弹的外边加上铀238外壳，就制成了聚变-裂变弹，也称为氢铀弹。由于同时发生原子弹“雷管”裂变-氘氚聚变和铀238裂变三种核反应，所以又被称为三相弹。它的特点是成本低、威力大、放射性污染多。 由于氢弹不受核装药临界体积的限制，所以理论上讲可以做得无限大，上千万甚至上亿吨级的氢弹也可以制造出来。由于三相弹中应用的铀238是制造原子弹的废品，这种应用更是很好的废物利用。还有一种新型核弹，即所谓中子弹。中子弹实际上可能是一种小型氢弹，只不过这种小型氢弹中裂变的成分非常小，而聚变的成分非常大，因而冲击波和核辐射的效应很弱，但中子流极强。它靠极强的中子流起杀伤作用，据称能做到“杀人而不毁物”。4、氢弹的运载氢弹的运载工具一般是导弹或飞机。为使武器系统具有良好的作战性能，要求氢弹自身的体积小、重量轻、威力大。因此，比威力的大小是氢弹技术水平高低的重要标志。当基本结构相同时，氢弹的威力随其重量的增加而增加。大型氢弹只是威慑工具，小型化的氢弹更有应用空间，现在各国都在研究小型核弹。4.2.3特点氢弹比原子弹优越的地方在于: 1、威力巨大，单位杀伤面积的成本低； 2、自然界中氢和锂的储藏量比铀和钍的储藏量还大得多，地球上重氢有10万亿吨（每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油） ； 3、所需的核原料实际上没有上限值，这就能制造TNT当量相当大的氢弹；4、可不对环境构成大的污染，而且反应过程容易控制，核事故风险极低；5、无高端核废料。缺点：反应要求极高，技术要求极高。 从理论上看，用核聚变制造武器和提供部分能源，是非常有益的，但目前人类还没有办法，对它们进行较好的利用。 4.2.4应用1、用作武器，用导弹、飞机等运载。2、核爆炸可以用来开山、辟路、挖掘运河、建造人工港口等。原子弹辐射太大，产生大量放射性物质，污染严重，不适用，主要就是氢弹。例如，只需四次核爆炸就可开凿一个能停泊万吨巨轮的海港。进行一次百万吨梯恩梯当量级的核爆炸，就可炸出一个直径300多米、深30多米的大坑。然后进行三次规模较小的核爆炸，开出一条运河来把大坑和深海连接起来(这样的爆炸当然应尽量减少放射性物质的产生)。只要经过几个月的时间，当海潮把产生的少许放射性物质冲走后，这个海港就可安全使用了。3、许多地区有大量石油沥青沙层和油页岩，靠钻井并不能开采这种石油，但是核爆炸（主要是氢弹）的高温高压能迫使这种石油流动，因而可以把它开采出来。据称，单把美国西部一个区域内的油页岩中的石油取出来，就可供全世界使用很长一段时间。4、至于利用地下核爆炸（主要是氢弹）的高温高压，将石墨变成金刚石，利用地下核爆炸的强大中子流生产超铀元素，则已开始实践了。5.核爆炸还可以改造沙漠，使沙漠变成良田。很多干旱的沙漠地带其实也有一些雨水，但是这些雨水多半从地面流进地下河流、流入海中，剩下的一点则很快蒸发淖了，因此地面上没有一点水分，沙漠成了不毛之地。核爆炸（主要是氢弹）可以造成巨大的积水层“地下水库”。雨季时，雨水储在积水层中，然后慢慢地透过多孔的泥土湿润地表，使之适合于植物的生长。 6、还可利用核聚变的原理制造人工太阳，发电，现在中国就在投巨资研究人造太阳，处于世界领先地位。截至2006年，核能（核裂变能）发电占世界总电力约15%。说明了核裂变的应用的规模之大，更能说明优势比核裂变更大的核聚变能源前景更加光明。科学家们估计，到2025年以后，核聚变发电厂才有可能投入商业运营。2050年前后，受控核聚变发电将广泛造福人类。4.3不是核武器的核武器：贫铀弹 4.3.1定义和来源贫铀弹是弹芯用贫铀合金制成的炮弹、炸弹或子弹，其穿透性极强。贫铀弹采用分离浓缩铀后产生的大量下脚料制成，主要成分是低放射性的铀。所谓贫铀是从金属铀中提炼出核材料铀235以后得到的副产品，其主要成分是不具放射性的铀238，故称贫化铀，简称贫铀。它的密度为18.7gcm3，是钢密度的2.8倍。天然铀中，含有U238、U235、U234三种同位素，而只有U235才能用于核裂变反应，才能作为核武器和核电站燃料，因此天然铀必须加工处理成高含U235的浓缩铀。纯天然铀中U235仅占0.72，U238占绝对优势，获取浓缩铀后剩余的铀，U235含量更低。这种U235含量比天然铀更低的铀叫贫铀。美国原子能标准委员会（NRC）将U235低于0.711的铀定为贫铀，美国国防部定的国防部标准为 U235含量在 0.3以下，而实际使用的标准是0.20。但是，铀蒸气有毒，贫铀也不是绝对不含铀235，仍有微弱的放射性，这些都会对人体产生伤害，对环境造成污染。4.3.2优点贫铀作为核燃料的副产品，在过去相当长的时间内被作为核废料，而用于核废料的管理费用是相当巨大的。因此各生产核燃料的国家都为贫铀的利用寻找出路。目前已有不少国家将贫铀用于新弹药的研制，生产了贫铀弹。美国在贫铀的利用方面比较领先，制成了穿甲弹等。据研究贫铀穿甲弹穿甲性能很强，一是由于贫铀密度大，其密度远远大于铅，制成相同体积的弹丸时质量大；其次贫铀的高硬度也是重要因素，又由于铀易氧化，穿甲时发热燃烧，形成较大的后破坏作用，杀伤乘员及破坏坦克的内部设备。广泛的来源也为其广泛应用提供了可能，反正是废物，就当废物处理。因此，用其为弹芯制成穿甲弹，其打击动量更大。当贫铀弹击中目标时，其巨大的动能可以很轻易的击穿坦克的厚装甲，穿甲弹也就具有如下特点：1、因此贫铀弹的威力巨大，但它击中坦克等装甲车辆后，由于撞击能产生高温，因此可以引发铀燃烧，进而产生更高的温度，软化弹着点的装甲，降低装甲的强度，使穿甲弹破甲而入。2、而且，铀属于元素周期表稀土族，具有类似的特点：当其粉末与空气摩擦时可以燃烧，且热值很高，因此用来作贫铀弹。比如，机械打火机的火石就是稀土族的镧铈合金。贫铀弹打击后产生的贫铀材料碎屑可以立即燃烧，铀燃烧时产生的大量云雾状氧化铀尘埃还会沾染坦克等装甲车辆的表面，扩散于空气之中，沉降在土壤之内。形成放射性污染源，对敌人造成放射性杀伤。 3、同时，相对于钨合金穿甲弹，贫铀穿甲弹的一个不同是：其在穿甲的过程中弹头不断自锐，而钨合金穿甲弹是自钝的。在一定程度增加了贫铀弹的穿透能力。4.3.3缺点铀238是一种放射性元素，其半衰期达数百万年。使用过贫铀弹的地区，铀238的化合物可以随饮水、食物链进入人体，同时在环境中对人和其他生物造成持久的放射伤害。而且贫铀弹并不是真的不含铀235，知识含量较少而已，仍有微弱的放射性，这些都会对人体产生伤害，对环境造成污染。从这一点来说，贫铀弹的放射性沾染威力一点也不逊色于任何一种核武器。美国队贫铀弹的应用最突出，在1991年海湾战争中，美军就大量使用了贫铀弹，具体数量至今秘而不宣，据估计可能超过80万枚，总计约320吨。当时曾大出风头的“坦克杀手”A-10“雷电”攻击机，就靠使用贫铀弹摧毁了上千辆T-72坦克（功劳很大啊）。1994-1995年间在波黑使用10800枚贫铀弹，1999年在南联盟投下31000枚。给当地人民造成了巨大的危害。海湾战争后，在伊拉克南部巴士拉等战地，辐射强度骤然增大，无端患病者特别是血液病和癌症患者急剧增多。紧接着，参战的多国部队特别是美军老兵中也出现了“海湾战争综合症”，患者的痛苦难以言表，给他们本人及家人产生了严重的身心创伤，也引起人们对贫铀弹的关注。也严重破坏了整个巴尔干地区的生态环境，这次美国预作防范，其维和士兵避开了那些受贫铀弹污染严重的地区，并采取了一些预防措施。所以，这次遭祸害的是美国那些欧洲盟友，这种背后插刀的行为已引起它们的强烈不满。尽管美国军方和“铁哥们”英国军方还在力不从心地拒不承认现实，但世界各国都已对贫铀弹深恶痛绝，北约多数盟国也强烈要求美国给一个明确的说法。而令人不可思议的是，面对众怒，美军方还顽固坚持要继续使用贫铀弹，个中原因无非有三：一是看中这种弹药的杀伤威力；二是还有大量储备，包括在日、韩等国都储备有大量的贫铀弹；三是另有企图，即利用这种特殊武器将战争的伤害永久地留给对手，不仅让其在战时受创，也要令其在短时间内无法从战争中恢复元气，数十年、数百年地承受战争痛苦（好狠啊）。与贫铀弹类似，一些恐怖组织试图制造一种“脏弹”来攻击其他国家。我们知道，放射性元素的半衰期是不随其化学存在状态改变的，其辐射能力也是稳定的。于是，他们在普通炸药中混入放射性核废料，在爆炸后，这些放射性元素化合物就会严重的污染周围的环境。所以，在最近的反恐怖战争中，连毫无用处的核废料也被各个政府部门严加看管，以免失窃，成为恐怖分子制造“脏弹”的原料。4.3.4应用 用作穿甲子弹、炮弹、炸弹等。