2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案：4-5裂变和聚变

1、第五节裂变和聚变 目标定位 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义及发生条件 .3.会计算裂变、聚变所释放的能量一、核裂变与链式反应1核裂变比较重的一个核分裂为两个较轻的核并释放出能量的反应2链式反应一个核的裂变能够引发一个或一个以上的核发生裂变，让核裂变的过程自己持续下去，源源不断地将核能释放出来的反应3一种典型的裂变反应方程235189144192U0n 36Kr 56Ba30n4临界体积能够发生链式反应的铀块的最小体积二、受控热核反应1核聚变比较轻的两个核结合成一个较重的核，并释放出能量的反应叫核聚变2能量变化轻核聚变后，平均结合能增加，反应中会释放能量3核反应

2、举例21H31H 42He10n17.6 MeV.4核反应条件必须使它们的距离达到10 15 m 以内，使核具有足够的动能，轻核才能够发生聚变5受控热核反应热核反应能量在人工控制下逐渐地释放出来并加以利用(例如发电 )，这称为受控热核反应6实现受控热核反应的条件(1)要把热核燃料加热到非常高的温度；(2)使热核反应释放的能量足以补偿形成聚变过程中所损失的能量，这个条件称第 1页为“点火”条件预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中问题 1问题 2问题 3一、对核裂变和链式反应的理解1核子受激发：当中子进入铀235 后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的

3、形状2核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2 3 个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，形成链式反应3能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量一般来说，平均每个核子放出的能量约为1 MeV ，1 kg 铀 235 全部裂变放出的能量相当于 2 800 t 优质煤燃烧时释放的能量， 裂变时能产生几万度的高温4用中子轰击铀核时， 铀核裂变的产物是多种多样的，其中两种典型的反应是：23592U10n14456Ba8936Kr 310n；235113690192U0n 54Xe38Sr100n

4、【例 1】关于重核的裂变，下列说法正确的是()A核裂变时释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B重核裂变时释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少C铀核自发放出粒子、 粒子时要释放能量，核电站利用的就是这一能量D重核的平均结合能小于中等质量核的平均结合能，所以重核裂变成中等质量核时，要放出核能，有质量亏损答案D解析将重核分成核子时比中等质量核分成核子时每个核子平均吸收的能量小些，可见由重核裂变成两个中等质量的核要放出能量，选项D 正确；铀核裂变放出的能量是原子核的核能，而不是中子具有的动能，选项A 错误；裂变过程遵守质量数、电荷数守恒规律，B 错误；衰变是自发的现象，铀核衰变后的新核

5、第 2页仍是重核，而核电站利用的是裂变核能，选项C 错误借题发挥重核裂变的实质(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的平均结合能相比中等质量的核的平均结合能要小所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量， 而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量235，其中的一个可能反应是分裂成钡14192【例 2】 用中子轰击铀核 ( 925636U)( Ba)和氪 (Kr) 两部分，放出 3 个中子各个核和中子的质量如下：mU 390.313 9 10

6、27 kg， mn1.674 91027 kg；mBa 234.001 610 27 kg，mKr 152.604 7 10 27 kg.试写出核反应方程，求出反应中释放的核能答案123514192111J0n 92U 56Ba36Kr 30n 3.220 210解析根据反应前后质量数守恒、 电荷数守恒和反应中的能量守恒， 就可以写出核反应方程1235141921铀核裂变方程为0n 92U 56Ba 36Kr 30n，根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能则核反应前后的质量亏损为mmU mnmBamKr 3mn 0.357 81027 kg.由爱因斯坦质能方程可得释放的

7、核能为Emc20.357 8 1027(3108)2 J 3.220 21011 J.二、核聚变及核能的计算1聚变发生的条件第 3页要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10 15 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能 要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温2轻核聚变是放能反应从平均结合能的图线看， 轻核聚变后平均结合能增加， 因此聚变反应是一个放能反应3聚变方程21H31H 42He01n .4重核裂变与轻核聚变的区别反应方式重核裂变轻核聚变比较项目重核分裂成两个或多个中等两个轻核结合成质量较大的放能原理质量的原子核，放出核能

8、原子核，放出核能聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大34放能多少倍核废料聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多处理难度【例 3】以下说法正确的是 ()A聚变是裂变的逆反应B如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量C聚变须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量D裂变与聚变均可释放巨大的能量答案D解析从形式上看， 裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然， 因为二者的反应物和生成物完全不同 裂变是重核分裂成中等核， 而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应，A 选项错误；裂变与聚变都释放能量，B选项错误；要实现聚变反应， 必须使参加反应的轻核充分接近，需要

9、数百万开尔文的高温提供能量但聚变反应一旦实现， 所释放的能量远大于所吸收的能量 因第 4页此，总的来说，聚变反应还是释放能量，C 选项错误【例 4】一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH1.007 3 u，中子质量 mn 1.008 7 u，氚核质量 mT3.018 0 u求：(1)写出聚变方程；(2)释放出的核能多大？(3)平均每个核子释放的能量是多大？答案113(1)1 0 1(2)6.24 MeVH2 nH(3)2.08 MeV解析113(1)聚变方程 101H 2 n H.(2)质量亏损mmH2mn mT (1.007 321.008 73.018 0) u0.006 7

10、u，释放的核能Emc20.006 7 931.5 MeV6.24 MeV.(3)平均每个核子放出的能量为6.24 MeV 2.08 MeV.3对核裂变的理解1(多选 )铀核裂变是核电站核能的重要来源， 其中一种裂变反应为 23592U10n14456891Ba 36Kr 30 n，下列说法正确的有 ()A上述裂变反应中伴随着中子放出B铀块体积对链式反应的发生无影响C铀核的链式反应可人工控制D铀核的半衰期会受到环境温度的影响答案AC解析从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，A 对；铀块体积对链式反应的发生有影响，B 错；铀核的链式反应可人工控制，C 对；铀核的半衰期不会受到环境温度的

11、影响，D 错对核聚变的理解32科学家发现在月球上含有丰富的2He(氦3)，它是一种高效、清洁、安全的核第 5页聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为变下列表述正确的是 ()A聚变反应不会释放能量B聚变反应产生了新的原子核C聚变反应没有质量亏损D目前核电站都采用 23He 聚变反应发电答案B3143聚2212，关于 2He2 HHeHe解析核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损， 会有核能的释放，这是人类利用核能的途径之一目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电3太阳不断地向外辐射能量，仍保持1 千万度以上的高温，其主要原因是太阳内部进行着剧烈的 ()A衰变反应B人工

12、核反应C裂变反应D热核反应答案D核聚变释放的核能的计算23423414氘核 (1H)和氚核 (1H)结合成氦核 (2He)的核反应方程如下： 1H1H2He 0n 17.6 MeV(1)这个核反应称为 _(2)要发生这样的核反应， 需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文式中 17.6MeV 是核反应中 _(填“放出”或“吸收” )的能量，核反应后生成物的总质 量 比 核 反 应 前 物 质 的 总 质 量 _( 填 “ 增 加 ” 或 “ 减 少 ” ) 了_kg(保留一位有效数字 )答案(1)聚变(2)放出减少 310 29解析在轻核聚变反应中， 由于质量亏损， 放出核能，由E mc2 ，可

13、以求得 mE29kg.c2 310(时间： 60 分钟 )第 6页题组一对核裂变的理解1裂变反应中释放出的能量来自于()A核子消失转化为能量B原子中电子与原子核的电势能减小C入射的中子消失转化为能量D原子核的平均结合能变大，释放出能量答案D解析发生核反应过程中，核子数保持守恒，中子未消失，故A 、C 错误；能量来自于原子核内部， 因重核在分裂为中等质量的原子核时，平均结合能增加而释放出能量， C 错误， D 正确2(多选 )当一个重核裂变时，它能产生的两个核()A一定是稳定的B所含有的中子数较裂变前重核的中子数少C裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量D可以是多种形式的两个核的组合答案BD解

14、析重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出23 个中子，故两核中子数会比原来的重核减少，重核裂变的产物是多种多样的，选项B、D 正确3铀核裂变时，关于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是()A铀块的质量是重要因素，与体积无关B为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子C若铀 235 的体积超过它的临界体积， 裂变的链式反应就能够发生D能否发生链式反应与铀块的质量无关答案C解析要使铀核裂变产生链式反应， 铀块的体积必须大于临界体积或铀块的质量大于临界质量， 只要组成铀块的体积小于临界体积，或质量小于临界质量就不会发生链式反应， 裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接

15、引发新的第 7页裂变，如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则能够发生链式反应，由此知 A、 B、D 错误， C 正确4一个 23592U 核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为23592U01941nX 38Sr20n，则下列叙述正确的是 ()A X 原子核中含有 86 个中子BX 原子核中含有 141 个核子C因为裂变时释放能量， 根据 Emc2，所以裂变后的总质量数增加D因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少答案A解析X 原子核中的核子数为 (2351) (94 2)140，B 错误；中子数为140 (92 38) 86，故 A 正确；裂变时释放能

16、量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，故 C、 D 错误5现有的核电站常用的核反应之一是：235114310e U nNd Zr3 n89206001(1)核反应方程中的是反中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；(2)已知铀核的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，钕 (Nd)核的质量为142.909 8 u，锆核的质量为 89.904 7 u，试计算 1 kg 铀 235 裂变释放的能量为多少？答案(1)4090(2)8.11013 J解析(1)锆的电荷数 Z 9260840，质量数 A 23614690.核反应方程中用符号9040

17、Zr 表示(2)1 kg 铀 235 中铀核的个数为124n235.043 91.660 610272.5610(个)第 8页不考虑核反应中生成的电子质量，1 个铀 235 核裂变产生的质量亏损为m0.212 u，释放的能量为E0.212 931.5 MeV197.5 MeV则 1 kg 铀 235 完全裂变释放的能量为En E2.56 1024197.5 MeV8.11013 J.题组二对核聚变的理解6关于核聚变，以下说法不正确的是()A与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁B世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站C要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10 15 m 以内，核力才能起作

18、用D地球聚变燃料的储量十分丰富，从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘核答案B解析与裂变相比，核聚变有下面的几个优势：(1)安全、清洁、辐射少；(2)核燃料储量多； (3)核废料易处理但核聚变发电还没有投入实际运行所以B 项是不正确的7重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是 ()A裂变过程质量增加，聚变过程质量亏损B裂变过程质量亏损，聚变过程质量增加C裂变过程和聚变过程都有质量增加D裂变过程和聚变过程都有质量亏损答案D解析重核裂变和轻核聚变都能释放巨大的能量，由爱因斯坦质能方程知两过程均会有质量亏损第 9页8(多选 )下列说法正确的是 ()151124He 是 衰变方程A

19、. N HC7162B.11H21H32He是核聚变反应方程C.23892U23490Th42He 是核裂变反应方程427301D.2He13Al 15P0n 是原子核的人工转变方程答案BD解析选项 A 、 D 为原子核的人工转变，选项B 为轻核聚变，选项C 为原子核的衰变，故选项B、D 正确19某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为1H 126C 137NQ1， 11H157N126CX Q2方程中 Q1、Q2 表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：原子核1341213N151H2He2He6 C77 N质量 /u1.007 83.016 04.002 612.000 0 13.005 715.000 1以下推断正确的是 ()34A X 是2He，Q2Q1BX 是2He，Q2Q132Q1DX 是4Q1222C X 是 He，QHe，Q答案B解析根据核反应中质量数与电荷数守恒求得新核X 的质量数为 4、电荷数为 2，42 个核反应的质量亏损大，根据即 X 是2He；根据表中提供的数据，可以