2022-2023学年粤教版选择性必修第三册 5.5 裂变和聚变 学案

学习目标物理与STSE1．知道重核的裂变和链式反应．(重点)2．会计算核裂变释放的能量．(难点)3．了解原子弹的原理．4．知道聚变反应的特点．(重点)5．了解聚变反应的条件(难点)eq\a\vs4\al(反应堆示意图)eq\a\vs4\al(链式反应)知识点一核裂变与链式反应1．原子核中的质子数又称为原子序数．2．核裂变．比铁原子核重的重核分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出能量的过程．3．铀核裂变．用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n．4．链式反应．当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应．5．链式反应的条件．发生裂变物质的体积大于临界体积．知识点二核聚变及受控热核反应1．核聚变．(1)定义．两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应．(2)举例．eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV(3)条件．①轻核的距离要达到10－15m以内．②需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．2．受控热核反应．人工的热核反应可以通过原子弹爆炸时产生的高温来达到，氢弹就是这样制成的．如果热核反应所释放的巨大能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工控制下逐渐地释放出来并加以利用(例如发电)，这被称为受控热核反应．目前，受控热核反应是一项正在研究的尖端课题，其应用前景十分诱人，可彻底解决人类未来的能源问题，因此受到各国的高度重视．知识点三核能利用1．核能释放的控制．通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆．2．慢化剂．反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放慢化剂，常用的慢化剂有石墨和重水．3．控制棒．为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒．4．能重输出．核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．5．核能发电的效益．一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗30吨左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要烧煤250万吨．小试身手1．(多选)下列关于聚变的说法中正确的是()A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B．轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此聚变又叫作热核反应C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D．自然界中不存在天然的热核反应ABC解析：轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误．2．(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是()A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能B．镉棒的作用是控制反应堆的功率C．铀棒的作用是控制反应堆的功率D．石墨的作用是吸收中子AB解析：铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确，C错误；慢中子最容易引发铀核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故D错误．探究一核裂变和核能的计算1．铀核的裂变和裂变方程．(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或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，释放出越来越多的核能．(3)常见的裂变方程：①eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n；②eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n.2.链式反应的条件．(1)有慢中子轰击．(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量．3．裂变反应的能量．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．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能，裂变时能产生几百万摄氏度的高温．4．铀235比铀238更易发生链式反应．在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是铀238，0.7%的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同．(1)铀235：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大．(2)铀238：只有俘获能量大于1MeV的中子才能发生裂变，且裂变的概率小．能量低于1MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变．因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235.【典例1】现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(143,60)Nd＋eq\o\al(A,Z)Zr＋3eq\o\al(1,0)n＋8eq\o\al(0,－1)e＋ν.(1)核反应方程中的ν是中微子，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(eq\o\al(235,92)U)核的质量是为235.0493u，中子质量为1.0087u，钕(eq\o\al(143,60)Nd)核质量为142.9098u，锆核质量为89.9047u．又知1u＝1.6606×10－27kg.试计算，1kg铀235大约能产生的能量是多少？解析：(1)根据电荷数和质量数守恒，可得Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－143－3×1＝90.(2)Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.2174u＝0.2174×1.6606×10－27kg≈3.6×10－28kg，ΔE＝Δmc2＝3.6×10－28×(3×108)2J＝3.24×10－11J，n＝eq\f(1000,235)×6.02×1023个≈2.562×1024个，E总＝nΔE＝2.562×1024×3.24×10－11J≈8.3×1013J.答案：(1)4090(2)8.3×1013J重核裂变释放的核能的计算方法(1)根据爱因斯坦质能方程，用裂变反应中质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中的光速(c＝3×108m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2.(2)根据1个原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量计算，用裂变反应中质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm(u)×931.5MeV.(3)由核能的转化量计算．1．下列核反应中，表示核裂变的是()A.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeB.eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)eC.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)nD.eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)nC解析：eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He是α衰变，eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)e是β衰变，eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n是原子核的人工转变，只有C选项是重核裂变．2．关于重核的裂变，以下说法正确的是()A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能D解析：根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积．如果体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会发生．在裂变反应中由电荷数与质量数守恒得核子数是不会减少的，重核裂变时发生质量亏损，放出核能．因此选项A、B、C均错误，D正确．3．一个eq\o\al(235,92)U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程式为eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→X＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n，则下列叙述正确的是()A．X原子核中含有86个中子B．X原子核中含有141个核子C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，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A解析：根据电荷数守恒、质量数守恒可知，X原子核质量数为140，电荷数为54，其中子数为140－54＝86，核子数为140，故A正确，B错误；裂变过程中释放核能，反应前后总质量不同，但质量数守恒，故C、D均错误．探究二反应堆的工作原理和核电站的组成1．反应堆工作原理．(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图．铀棒是燃料，由天然铀或者浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，常用石墨、重水和普通水(也叫轻水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围．(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢；插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快．采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度．(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态的金属钠等做冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动汽轮发电机发电．发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面．2．核电站的主要组成．核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要组成如表格：项目慢化剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨、重水或普通水(也叫轻水)镉水或液态的金属钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染【典例2】如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆，下列说法中正确的是()A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B．快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些B解析：快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，选项C、D错误．4．核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成()A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统B．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统C．原子燃料、减速剂、碰撞系统和传热系统D．原子燃料、中子源、原子能储存系统和输送系统A解析：核反应堆里用的核燃料是用浓缩铀(铀235占2%～4%)制成的铀棒；铀235易俘获慢中子，不易俘获快中子，必须使用减速剂(如石墨、重水、普通水)，让快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子；控制调节系统是用于调节中子的数目以控制反应速度，它是由镉做成的置放在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组成；冷却系统靠水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全．5．(多选)目前我国已经建成秦山和大亚湾核电站并投入使用，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是()A．核能发电对环境的污染比火力发电要小B．核能发电对环境的污染比火力发电要大C．都只利用核裂变释放大量的原子能D．既有核裂变，又有核聚变释放大量的原子能AC解析：目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且污染程度小，核燃料是一种比较清洁的能源，A、C正确，B、D错误．6．铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应式是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)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．铀核的链式反应不可人工控制D．铀核的半衰期会受到环境温度的影响A解析：从铀核裂变方程可以看出，反应中伴随着中子放出，A项正确；铀块的体积必须大于临界体积才能发生链式反应，B项错误；通过控制中子数可以控制链式反应，C项错误；铀核的半衰期与物理、化学状态无关，因此不受环境温度的影响，D项错误．探究三核聚变1．核聚变发生的条件．要使轻核聚变，必须使轻核间距达到核力发生作用的距离10－15m以内，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．从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．3．核聚变的特点．(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量．(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，只靠自身产生的热就可以使反应进行下去．(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻在进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆．4．核聚变的作用．(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸．(2)可控热核反应：目前处于探索阶段．5．重核裂变与轻核聚变的区别．项目重核裂变轻核聚变放能原理重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上的储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富，1L海水中大约有0.03g的氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300L汽油相当可控性速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它【典例3】一个质子和两个中子可聚变为一个氚核，已知质子质量为mH＝1.0073u，中子质量为mn＝1.0087u，氚核质量为m＝3.0180u.(1)写出聚变方程．(2)释放出的核能多大？(3)平