核裂变与核聚变【含答案解析】人教版【知识架构+对点训练】 高二物理备课精研提升

5.4核裂变与核聚变基础导学要点一、核裂变（一）核裂变的发现1．核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。2．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。3．链式反应：中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应。4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。（二）反应堆与核电站1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成：(1)燃料：铀棒；(2)慢化剂：石墨、重水和普通水(也叫轻水)；(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。2．工作原理核燃料发生核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内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却。3．核污染的处理在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线．核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。要点二、核聚变1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。2．核反应方程：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：使轻核的距离达到10－15m以内。4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能。5．人工热核反应：氢弹．首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。6．核聚变与核裂变的比较：(1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘和氚的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁；(2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。要点突破突破一：核裂变1．典型的裂变方程(1)eq\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(2)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)n2．核能的释放由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中等质量的原子核时，会发生质量亏损，释放核能。3．链式反应发生的条件(1)铀块的体积大于或等于临界体积；(2)有足够浓度的铀235；(3)有足够数量的慢中子；4．裂变反应的能量大小：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全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温。5．核电站的主要部件及作用组成部分材料作用裂变材料(核燃料)浓缩铀提供核燃料减速剂(慢化剂)石墨、重水或普通水(也叫轻水)使裂变产生的快中子减速控制棒镉棒吸收中子，控制反应速度热交换器水或液态的金属钠传输热量防护层厚水泥层防止放射线泄露，对人体及其他生物体造成伤害6.核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少；(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采用储量大，所能提供的能量大；(3)对环境的污染要比火力发电小。突破二：核聚变1．聚变发生的条件：要使轻核发生聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离10－15m以内，这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能，有一种方法就是给它们加热，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．聚变方程：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。4．重核裂变与轻核聚变的区别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倍典例精析题型一：核裂变例一．下列关于核反应方程及描述，正确的是（）A．He+Al→P+n是居里夫妇发现人工放射性的核反应方程B．U→Xe+Sr+n是核聚变方程C．H+H→He+n是α衰变方程D．N+He→O+H是α衰变方程【答案】A【分析】A．该方程是居里夫妇发现人工放射性的核反应方程，找到了放射性的同位素30P，故A正确；B．该方程是核裂变方程，但书写错误，不是核聚变方程，故B错误；C．该方程是轻核聚变反应，故C错误；D．该方程是卢瑟福发现质子的方程，故D错误。故选A。变式迁移1：下列说法正确的是（）A．能量耗散现象不满足能量守恒定律B．核电站是利用可控的核聚变来发电的C．来源于太阳能的水能、风能、潮汐能等属于可再生能源D．能量是守恒的，不会凭空消失，所以不会发生能源危机【答案】C【分析】A．能的转化和守恒定律是普遍规律，能量耗散不违反能量守恒定律，故A错误；B．核电站是利用可控的核裂变来发电的，故B错误；C．水能、风能、潮汐能等在自然界中可以不断再生，属于可再生能源，故C正确；D．能量的转化是有方向性的，即使能量符合守恒定律，某些能量在短期内也无法再生，故D错误。故选C。题型二：核聚变例二．能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一。下列核反应方程及其表述都正确的是（）A．He＋Al→P＋H是原子核的人工转变B．F＋H→O＋He是α衰变C．H＋H→He＋γ是核聚变反应D．U→Sr＋Xe＋3n是核裂变反应【答案】C【分析】A．该方程书写错误，电荷数两边不相等，故A错误；B．该方程是人工转变方程，故B错误；C．该方程是核聚变反应，故C正确；D．该方程书写错误，反应物中应该有中子，故D错误。故选C。变式迁移2：有关原子结构和原子核的认识，下列说法正确的是（）A．γ射线是高速运动的中子流B．氢原子辐射光子后，其绕核运动的电子动能增大C．太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变D．Bi的半衰期是5天，200gBi经过10天后还剩下25g【答案】B【分析】A．γ射线是光子流，A错误；B．氢原子辐射光子后，从高轨道跃迁到低轨道，电子轨道半径减小，根据，联立解得所以电子动能增大，B正确；C．太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的轻核聚变，C错误；D．Bi的半衰期是5天，经过10天，即经过2个半衰期，剩余质量D错误。故选B。强化训练选择题1、铀核裂变时，对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或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变，铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，由此知A、B、D三项错误，C项正确。2、一个​92235U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为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=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：根据电荷数守恒、质量数守恒知，X的质量数为140，电荷数为54，则中子数为86，核子数为140，故A项正确，B项错误；在裂变的过程中，有能量释放，根据爱因斯坦质能方程知，裂变后的总质量小于反应前的质量，但是质量数守恒，故C、D两项错误。3、下列有关核反应方程的说法正确的是（）A．，是核裂变反应之一B．铀核是一种常用的核燃料，若它的原子核发生如下裂变反应，则a+b可能是C．钚238的同位素打造的“核电池”为“玉兔二号”提供保暖，其核反应，属于β衰变D．氢核聚变可以简化为4个氢核（）聚变生成氦核（），并放出2个X，同时伴随着产生γ光子，则X是电子【答案】A【解析】A．核反应方程是核裂变反应之一，A正确；B．核反应方程如果a+b是，则不满足电荷数守恒，B错误；C．核反应方程属于α衰变，C错误；D．4个氢核（）聚变生成氦核（），并放出2个X，根据质量守恒与电荷数守恒，得出X为正电子，D错误。故选A。4、如图为普通使用的“慢中子”核反应堆的示意图，铀棒是核燃料，一种典型的铀核裂变方程​92235U+A.钡核的比结合能比铀核的大B.若碰撞前中子的动能为E0，经过一次弹性碰撞后中子动能变成C.镉棒插入深一些可增大链式反应的速度D.水泥防护层可用来屏蔽裂变产物放出的射线答案：C解析：该核反应的过程中释放大量的能量，结合爱因斯坦质能方程可知，钡核的比结合能比铀核的比结合能大，故A项正确，不符合题意；取碰撞前中子的速度方向为正方向，根据动量守恒定律有mv0=mv1+2mv2，依据能量守恒定律有12mvA．核反应方程中，生成物X的中子数为128B．铀235吸收慢中子裂变成中等质量原子核的过程中，核子的平均质量变大C．一个中子可转化成一个质子和一个电子，同时释放出能量D．在辐射防护中，可以用电磁场来加速、减速以及束缚中子【答案】C【解析】A．由核反应的质量数守恒，可知，生成物X的质量数为206，所以中子数为A错误；B．裂变的过程中会释放能量，质量会变小，B错误；C．一个中子裂变成一个质子和电子，在衰变的过程中，同时会释放出能量，C正确；D．中子不带电荷，电磁场不会加速和减速及束缚中子，D错误。故选C。6、2021年5月，中国的“人造太阳”，在1.2亿摄氏度下，成功“燃烧”101秒。这标志着我国核聚变研究又获得重大突破，也为人类获得可控核聚变能源奠定了商用的物理和工程基础。下列关于核聚变的说法正确的是（

）A．核聚变可以在常温下发生B．太阳释放的巨大能量是核聚变产生的C．聚变反应中吸收的能量大于释放的能量D．是聚变反应【答案】B【解析】A．核聚变反应属于热核反应，必须在高温下进行，A错误；B．太阳释放的巨大能量是核聚变产生的，B正确；C．要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万度高温。但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量。因此，总的说来，聚变反应还是释放热量，C错误；D．是人工转变，D错误。故选B。7、2020年12月4日，新一代“人造太阳”中国环流二号M装置（HL-2M）正式建成并实现首次放电，放电温度达太阳芯部温度近10倍。“人造太阳”实验中的可控热核反应的方程是，海水中富含反应原料氘（），氚核（）可以用中子轰击锂核（）得到。下列说法正确的是（）A．上述核反应前后核子数相等，生成物的质量等于反应物的质量B．中子轰击锂核（）反应方程为C．中子轰击锂核（）发生了衰变D．氘核（）和氚核（）的比结合能均比氦核（）的比结合能大【答案】B【分析】A．上述核反应前后核子数相等，反应过程释放能量，有质量亏损，所以生成物的质量小于反应物的质量，故A错误；B．由质量数和电荷数守恒可得中子轰击锂核（）反应方程为故B正确；C．衰变是自然状态下发生的，中子轰击锂核（）为原子核的人工转变，故C错误；D．核反应方程式中生成物氦核（）的比结合能比反应物氘核（）和氚核（）的比结合能都大，故D错误。故选B。8、下列核反应方程中，属于轻核聚变的是（）A． B．C． D．【答案】A【分析】A．为轻核聚变，A正确；B．铀核需要俘获一个慢中子才能发生裂变，其中的一种核反应方程为，B错误；C．是人工转变，C错误；D．是人工转变，D错误。故选A。9、2020年12月4日在成都，我国核聚变反应“人造太阳”已获得重大突破新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”（）正式建成并首次放电，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础，核聚变反应方程中，X表示（）A．质子 B．正电子 C．负电子 D．中子【答案】D【分析】根据核反应过程中，质量数和电荷数守恒，可得出该核聚变的反应方程为所以，X表示的是中子。故选D。10、中国“嫦娥五号”在月球采集的约2公斤月壤中含有地球上鲜有的，是地球上很难得到的清洁、安全和高效的核聚变发电燃料，被科学家们称为“完美能源”。有关聚变的核反应方程如下：①，②；下列说法正确的是（）A．X为质子，Y为中子B．的比结合能比的比结合能大C．方程①中：质量亏损约为5.9×10-31kgD．方程②中：核子平均释放的能量约为2.14MeV【答案】D【解析】A．由电荷数和质量数守恒守恒可知，X为中子，Y为中子，A错误；B．聚变的核反应过程放出热量，则比更稳定，所以的比结合能比的比结合能小，B错误；C．由爱因斯坦质能方程方程可得则解得质量亏损为代入数据，解得C错误；D．核子平均释放的能量约为