高中物理总复习之知识讲解核能、核能的利用

1、物理总复习：核能、核能的利用【考纲要求】1、知道核力及结合能、质量亏损等概念2、会配平和书写核反应方程式3、知道核能获取的两种方式，了解核反应堆的主要组成部分,能进行简单的有关核能的计算问题【考点梳理】考点一、核能要点诠释：1核子间作用力。其特点为短程强引力：作用范围为2.0>1015m,只在相邻的核子间发生作用。2、核能核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能。比结合能：结合能与核子数之比称做比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。不同原子核的比结合能是不一样的,最大（平均每个核子的质量亏损最大

2、）由比结合能曲线可以看出：中等大小的核比结合能这些核最稳定。3、质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E=mc2说明物体的质量和能量之间存在着一定的关系，一个量的变化必然伴随着另一个量的变化。核子在结合成原子核时放出核能，因此，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Am,这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能AE=mc2；反之，由核能也可求出核反应过程的质量亏损。4、AE=Amc2是计算核能的常用方法。在具体应用中要注意单位制的统一及不同单位的换算。若质量单位取原子质量单位u,贝U:相当于1u=1.66X1027kg193L5MeV此结论亦可在计算中直接应用。另外，在无光子辐射的情况下，核

3、反应中释放的核能转化为生成的新核和新粒子的动能。因而在此情况下可应用力学原理一动量守恒和能量守恒来计算核能。5、质能方程的理解对于质量亏损，切忌不能认为这部分质量转化成了能量，质能方程的本质是：第一，质量或能量是物质的属性之一，决不能把物质和它们的某一属性（质量和能量）等同起来。第二，质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，方程建立了这两个属性在数值上的关系，这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒，质量和能量在量值上的联系决不等于这两个量可以相互转化。第三，质量亏损不是否定了质量守恒定律，生成的丫射线虽静质量为零，但动质量不为零。考点二、重核的裂变要点诠释：重核分裂成中等质量的核的反应过程。如：29

4、；U0n"；：Xe瞿Sr10而由于中子的增值使裂变反应能持续地进行的过程称为链式反应。发生链式反应的条件是：裂变物质的体积临界体积。裂变的应用：原子弹、原子反应堆。核电站：核电站的核心是核反应堆，核反应堆主要由以下几部分组成。 核燃料：浓缩铀235. 减速剂：浓缩铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、中水、或普通水作减速剂. 控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子能力很强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度. 保护层：反应堆外层是很厚的水泥壁，可防止射线辐射出去 冷却系统：靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把

5、产生的热量传输出去.反应堆是核电站的核心，核电站是靠核反应堆产生的内能发电考点三、轻核的聚变要点诠释：轻核结合成质量较大的核的反应过程。2341nihih*2He0n发生聚变反应的条件是：超高温（几百万度以上）一热核反应。聚变的应用：氢弹、可控热核反应。要点诠释：1、原子核既然是由质子和中子组成的，那么为什么还会从原子核里发射出a粒子、3粒子？实际上，发射出来的a粒子和6粒子仍是原子核内的质子和中子结合或转化而成的。a粒子是原子核内的2个质子和2个中子结合在一起发射出来的，6粒子是原子核内的中子转化为质子时产生并发射出来的。所以不能因为从原子核中发射出a粒子和6粒子就认为原子核也是由它们组成的

6、。2、质量数守恒和核电荷数守恒是我们书写核反应方程的重要依据，但要以核反应的事实为基础，不能仅仅根据该两条守恒定律随意书写事实上不存在的核反应方程。另外，核反应通常是不可逆的，方程中只能用箭头：连接并指示反应方向，而不能用等号竺”连接。【典型例题】类型一、配平和书写核反应方程例1、下面列出的是一些核反应方程3030.乂921044715p14si人4beHe5by2he2He3l1z其中（）A.X是质子，Y是中子，Z是正电子B. X是正电子，Y是质子，Z是中子C. X是中子，Y是正电子，Z是质子D.X是正电子，Y是中子，Z是质子【思路点拨】根据质量数守恒和电荷数守恒配平核反应方程，再确定XYZ

7、是何种物质。【答案】D【解析】将三个核反应方程写明确，为3030.0,92.101、，4.4.7.1_,15P1$i.1X4Be1He，5B0Y2He2He，3Li1Z可知X为正电子，可知Y为中子，可知Z为质子【总结升华】根据质量数守恒和电荷数守恒配平核反应方程，是解决此类问题的关键。举一反三A2【变式1】原子核zX与觉核H反应生成一个a粒子和一个质子。由此可知D.A=3,Z=2A+2=4+1,Z+1=2+1,A.A=2,Z=1B.A=2,Z=2C.A=3,Z=3【答案】D【解析】ZAX+；Ht:He+；H应用质量数与电荷数的守恒/I2I解得A=3,Z=2，答案D。【变式2】2006年美国和俄

8、罗斯的科学家利用回旋加速器，通过雾Ca（钙48）轰击2：；Cf（铜249）发生核反应，成功合成了第118号元素，这是迄今为止门捷列夫元素周期表中原子序数最大的元素。实验表明，该元素的原子核先放出3个相同的粒子X,再连续经过3次a衰变后，变成质量数为282的第112号元素的原子核，则上述过程中的粒子X是（）A. 中子B.质子C.电子D.a粒子【答案】A【解析】因为在衰变的过程中质量数守恒，电荷数守恒.根据电荷守恒定律可得，118-3>2-112=0，所以X粒子的电荷量为零.再根据质量守恒，48+249-4X3-282=3，所以X粒子的质量数为1,所以该粒子为中子，故BCD错误，A正确.故选

9、A.【变式3】目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成.u夸克带电荷量为-e,d夸克带电荷量为-】e,e为基元电荷.下列论断中可能正确的是（）33A.质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成B.质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成C.质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成D. 质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成【答案】B【解析】由质子带一个单位正电荷，中子不带电，设质子中u夸克、d夸克个数分别是x、y,x、y取正整数，f2,1、，贝Uxxe+yx（e）=1

10、解得x=2、y=i；33设中子中u夸克d夸克个数分别是m、n,m、n取正整数，f21.则mxe+nx（e）=0解碍m=1、n=2.故选B.33【变式4】现有三个核反应：24240Na,12Mg【e6235.1141921 92Uon56Ba36Kr3on/qx2341 1H1Hr2He0n下列说法正确的是（）A. 是裂变，是6衰变，是聚变B.是聚变，是裂变，是6衰变C.是6衰变，是裂变，是聚变D.是6衰变，是聚变，是裂变【答案】C【解析】原子核的变化通常包括衰变、人工转变、裂变和聚变.衰变是指原子核放出a粒子和3粒子后，变成新的原子核的变化，如本题中的核反应；原子核的人工转变是指在其它粒子的轰

11、击下变成新的原子核的变化；裂变是重核分裂成质量较小的核，如核反应；聚变是轻核结合成质量较大的核，如核反应；综上所述，C项正确.类型二、质能方程与核能的有关计算【高清课堂：原子核物理例3】例2、为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为国际物理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程，下列说法中不正确的是（）A.E=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比B. 根据AE=Amc2可以计算核反应中释放的核能C. 一个中子和一个质子结合成觉核时，释放出核能，表明此过程出现了质量亏损D. E=mc2中的E是发生核反应中释放的核能【思路点拨】爱因斯坦质能方程的含义.核反应过程中发生质量亏损会释放能量

12、.【答案】D【解析】A、爱因斯坦提出的质能方程E=mc2告诉我们，物体具有的能量与它的质量成正比.故A正确.B、AE=Amc2中而是亏损质量，AE是释放的核能，故B正确.C、核反应中若质量亏损，就要释放能量，所以一个质子和一个中子结合成一个觉核时释放能量，表明此过程出现了质量亏损.故C正确.D、E=mc2中的E是物体具有的能量.故D错误.故选D.【总结升华】理解了E=mc2和E=Amc2的各个量的物理意义，就能准确的选出错误的选项.举一反三【变式1】据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置（又称“人造太阳”）已完成了首次工程调试.下列关于“人造太阳”的说法中正确的是（

13、）2341A.“人造太阳”的核反应方程是2H+3HTHe+jn2351141921B, 人炬太阳的核反应方程正92U+0I56Bi"36Kr+30n2C. “人造太阳”释放的能量大小的计算公式是AE=Amc2D.“人造太阳”核能大小的计算公式是E=1mc22【答案】AC【解析】“人造太阳”是利用海水中的2H和3H聚变而产生大量热量的.放出的热量可利用爱因斯坦质能方程£=m(2求出，其中m为质量亏损，所以A、C项正确.而B项核反应2351万程是92U的裂变方程，所以B项错误.爱因斯坦质能方程E=mc2是计算质量m的粒子2所具有的能量，并不是计算由于核反应中质量亏损而产生的热量

14、.所以D项错误.【变式2】在E衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测。1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系1统，利用中微子与水中iH的核反应，间接地证实了中微子的存在。(1) 中微子与水中的11H发生核反应，产生中子(；n)和正电子(%e),即中微子+11H；n+%e可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是。(填写选项前的字母)(A)0和0(B)0和1(C)1和0(D)1和1(2) 上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(Y),即*e+eT2丫已知正电子和电子的质量都为9.11

15、0-31kg,反应中产生的每个光子的能量约为J.正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是。(3) 试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小。14【答案】(1)A(2)8.210遵循动量守恒(3)粒子的动量p=q'2mEk,h物质波的波长丸=一由mnme，知pn>pe，则如<)%.P【解析】(1)发生核反应前后，粒子的质量数和核电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数分都是0,A项正确。(2) 产生的能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，由E=mc2,故一个光子的能量为与三钏叽普=mec2=9.1乂103x(3.0x108)2

16、J=8.2勺0"1七。正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒。h（3）物质波的的波长为=_,要比较波长需要将中子和电子的动量用动能表示出来即Pp=*：2mEk，因为m>me，所以Pnpe,故K<Ko例3、（2016全国口卷）在下列描述的核过程的方程中，属于a衰变的是:属于6衰变的是，属于裂变的是,属于聚变的是（填正确答案标号）A.12八1206Cr7N+JeB32p_.15Pr32S+0e16°+JeC.2382344.92Ur90*Th+2HeD.1447N+217一1HeT8

17、O+1HE.238.1140、，94192U+0nr54Xe+38Sr+20nF.1h+2h41；2He+0n【答案】C、AB、E、F【解析】衰变的反应物只有一个，生成物有2He或_0e;重核裂变的反应物是U核和中子，生成中核；氢核聚变是轻核合成为中核。举一反三【变式1】（2015江苏卷）C.（2）核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，2352351448Q92U是常用的核燃料。92U受一个中子轰击后裂变成56Ba和39Kr两部分，并产生个中子。要使链式反应发生，裂变物质的体积要（选填“大于”或者“小于”）它的临界体积。（3）取质子的质量mp=1.6726勺0业，9，中子的质量mn=

18、1.6749妇0卫kg,a粒子的质量m=6.6467勺0业7kg，光速c=3W08m/s，请计算a粒子的结合能，（计算结果保留两位有效数字）【答案】（2）3大于（3）AE=4.3乂10*J【解析】（2）由235|l+1nT144Ra+89fr+R1n司*冬口全产圭R个由彳勇伸契亦柱妊川十UI田92U+0n，56Ba36K3°n出声目，百：一土3|十丁,安'I丈衣乂寸寸要；进行（链式反应），物质的体积需大于它的临界体积。（3）组成a粒子的核子与a粒子的质量亏损-m=（2mP2mn）-m-.结合能E=mc2代入数据得E=4.31012J【点评】本题考查原子核裂变，爱因斯坦质能方程

19、。【变式2】一个质子和一个中子聚变结合成一个觉核，同时辐射一个丫光子。已知质子、中子、觉核的质量分别为m、m2、m3,普朗克常量为h,真空中的光速为c。下列说法正确的是()1_13-A.核反应万程是H+°nT1H+/B. 聚变反应中的质量亏损Am=m+m2m3C. 辐射出的7光子的能量E=(m3mm2)chD. 丫光子的波长九=2(m1m2-m3)c【答案】B【解析】该核反应方程质量数不守恒，A错；聚变反应中的质量亏损Amnmi+mz-mh,B对；聚变反应中亏损的质量转化为能量以光子的形式放出，故光子能量为_,、2hc_,、2E=(m+m2m3)c,C错；根据一=E=(m+m2m3)

20、c所以丫光子的波长：X=-一上,D错，故选B。【高清课堂：原子核物理例4例4、雷蒙德磁维斯因研究来自太阳的电子中微子()而获得了2002年度诺贝尔物理学奖，他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615t四氯乙烯(C2CI4)溶液的巨桶，、.一一.Q7Q70电子中做子可以将一个氯核转变为一个氯核，其核反应万程式为Ve+17ClT18Ar+.e,37370己知17Cl核的质量为36.95658u,Ar核的质量为36.95691u,e的质重为0.00055u,lu质量对应的能量为931.5MeV.根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为()A.1.33MeVB.0.82MeVC.

21、0.51MeV0.31MeV【思路点拨】根据题意可知该核反应过程中质量增加，因此需要提供能量，根据质能方程求出反应所需能量，然后根据能量守恒即可求出中微子的最小能量.【答案】B【解析】反应过程需要能量为：E=mc2=(36.95691u+0.00055u-36.95658u)c2根据lu质量对应的能量为931.5MeV,得：E0.82MeV,所以中微子的能量最小为0.82MeV,故ACD错误，B正确.故选B.【总结升华】本题考查了能量守恒在原子物理知识中的应用，要解答这类问题关键是在计算上不要出错。举一反三【变式1觉核和氤核可发生热核聚变而释放巨大的能量，该反应方程为：2_342_3_41H+

22、1Ht2He+x，式中x是某种粒子。已知：H、1H、2He和粒子x的质重分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u;1u=931.5MeV/c2,c是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知，粒子x是，该反应释放出的能量为MeV（结果保留3位有效数字）【答案】（1）01n（中子）17.6【解析】根据¥h+；Ht；He+x并结合质量数守恒和电荷数守恒知x为；n；由质能方程AE=Amc2得.一2E=mm3m4mc=mm3m4m931.5MeV=17.6MeV1H1H2h°n，1H1H2h0n238234【变式2】一静止的92U核经a最变成为90Th核，释放出的总动能为4.27MeV.|可此最变一234后90Th核的动能为多少M