高中物理新教材同步选择性必修第三册-第5章-原子与原子核4-核裂变与核聚变

4核裂变与核聚变第五章原子核1.知道什么是裂变、聚变和链式反应，知道链式反应和聚变

的条件.2.会书写裂变和聚变方程，会利用质量亏损计算裂变和聚变

产生的核能.3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度.【学习目标】【内容索引】梳理教材夯实基础探究重点提升素养课时对点练随堂演练逐点落实SHULIJIAOCAI

HANGSHIJICHU梳理教材夯实基础1一、核裂变的发现1.核裂变：铀核在被

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

____.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

反应.中子链式4.临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生

反应的

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

，它主要由以下几部分组成：(1)燃料：

.(2)慢化剂：

、

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

的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入___一些，让它多吸收一些

，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作

.链式最小反应堆铀棒石墨重水中子深中子控制棒2.工作原理核燃料发生

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

，把反应堆内的

传输出去，用于

，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

，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线.核废料具有很强的

，需要装入特制的容器，

.核裂变循环流动水泥层发电放射性深埋地下热量3.条件：使轻核的距离达到

m以内.方法：加热到很高的

.4.宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核

成氦核释放的

能.5.人工热核反应：

弹.首先由化学炸药引爆

弹，再由

弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸.三、核聚变1.定义：两个

结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变.轻核10－15温度聚变核氢原子原子6.核聚变与核裂变的比较(1)优点：①轻核聚变产能

；②地球上核聚变燃料氘和氚的储量

；③轻核聚变更为安全、清洁.(2)缺点：核聚变需要的温度太

，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度.解决方案：

约束和

约束.效率高丰富高磁惯性1.判断下列说法的正误.(1)铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能不停地进行下去.(

)(2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变.(

)(3)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些.(

)(4)核聚变主要用在核武器上，那就是原子弹.(

)即学即用×√××返回答案140.4MeV解析释放的总能量为ΔE＝(235.0439＋1.0087－135.9072－89.9077－10×1.0087)×931.5MeV≈140.4MeV.TANJIUZHONGDIAN

TISHENGSUYANG探究重点提升素养2一、核裂变及链式反应如图1为铀核裂变示意图.导学探究图1(1)铀核裂变是如何发生的？试写出一种铀核裂变的核反应方程.答案当中子进入铀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.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，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应.(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？答案不是，铀块体积还须大于或等于临界体积.1.典型的裂变方程知识深化2.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.例1

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√命题角度1对裂变的理解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或等于其临界体积，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，在裂变反应中核子数是不会减少的，故选D.命题角度2裂变产生核能的计算答案200.6MeV解析裂变反应的质量亏损为Δm＝(235.0439＋1.0087－140.9139－91.8973－3×1.0087)u＝0.2153u.一个铀235原子核裂变后释放的能量为ΔE＝0.2153×931.5MeV≈200.6MeV.(2)1kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于完全燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107J/kg)答案5.14×1026MeV相当于完全燃烧2797.3t煤解析1kg铀235原子核中含原子核的个数为1kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量ΔEN＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6MeV≈5.14×1026MeV.设完全燃烧的煤的质量为m，有ΔEN＝qm，二、核电站1.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2.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.例３

如图2是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是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√图2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，A错误，B正确；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，C、D错误.三、核聚变为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？导学探究答案轻核的聚变反应，是较轻的核子结合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15m以内；同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度.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.聚变方程知识深化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倍例4

(多选)(2019·天津卷)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图3)2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础.下列关于聚变的说法正确的是A.核聚变比核裂变更为安全、清洁B.任何两个原子核都可以发生聚变C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加√命题角度1对聚变的理解图3√解析与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易发现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，核子的比结合能增加，D正确.A.40kg B.100kgC.400kg D.1000kg√命题角度2聚变产生核能的计算解析根据核反应方程式，6个氘核聚变反应可释放出43.15MeV的能量，返回SUITANGYANLIAN

ZHUDIANLUOSHI随堂演练

逐点落实31.(核裂变及链式反应)(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中的一种裂变反应为

，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1234√√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影响，D错.123412342.(核电站)(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.石墨的作用是吸收中子D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能√√√1234解析铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故选项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，故选项B正确；慢中子最容易引发核裂变，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，故选项C错误；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，同时也使反应堆冷却，控制温度，故选项D正确.12343.(核裂变)(2021·江西高二期中)下列核反应中属于裂变反应的是√1234A.X原子核中含有中子数为52B.该反应质量亏损Δm＝m1－m3－m4C.该反应释放的能量为(m1－10m2－m3－m4)c2√解析根据电荷数守恒和质量数守恒可得：X的质量数为A＝235＋1－136－10＝90，电荷数为Z＝92－54＝38，所以X的中子数为90－38＝52，故A正确；质量亏损Δm＝m1－9m2－m3－m4，根据质能方程可得释放的核能，故B、C错误；比结合能越大原子核越稳固，由于核反应的过程中释放热量，生成物比反应物更稳固，

的比结合能小于

的比结合能，故D错误.1234返回KESHIDUIDIANLIAN课时对点练4考点一重核的裂变及链式反应1.(多选)当一个铀核裂变时，它所产生的两个核A.含有的总质子数比裂变前铀核的质子数少B.含有的总中子数比裂变前铀核的中子数少C.比结合能比裂变前铀核的比结合能小D.可能是多种形式的两个核的组合基础对点练123456789101112√13√12345678910111213解析铀核裂变反应中，铀核吸收一个中子而释放出几个中子，与铀核相比，两个新核的总质子数没有发生变化，而总中子数减少，A错误，B正确；裂变发生质量亏损，释放能量，产物的比结合能更大，在铀核裂变反应中，产物并不是唯一的，故C错误，D正确.2.目前核电站获取核能的基本核反应方程可能是123456789101112√13解析现在的核电站用的是裂变反应获取能量，A是α衰变，故A错误；B是裂变反应，故B正确；C是β衰变，故C错误；D是发现质子的反应，故D错误.12345678910111213D.铀核裂变后的新核比铀核的比结合能小3.2020年1月10日，中国核潜艇之父黄旭华获国家最高科学技术奖，他为核潜艇研制和跨越式发展作出巨大贡献.下列有关核反应的说法错误的是A.目前核潜艇是利用重核裂变提供动力B.重核裂变反应前后一定有质量亏损123456789101112√13解析目前核潜艇是利用重核裂变释放的核能提供动力，故A正确.根据质能方程可知，重核裂变反应前后一定有质量亏损，故B正确.12345678910111213铀核裂变后生成的新核稳定，可知铀核的比结合能比裂变后生成的新核的比结合能小，故D错误.4.(2020·银川唐徕回民中学高三一模)作为我国核电走向世界的“国家名片”，华龙一号(如图1)是当前核电市场上接受度最高的三代核电机型之一，是我国核电创新发展的重大标志性成果，其国内外示范工程按期成功的建设，对我国实现由核电大国向核电强国的跨越具有重要意义.已知发电站的核能来源于

的裂变，现有四种说法：12345678910111213图1由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知，②正确；半衰期不受外界因素影响，③错误；通过计算知：200MeV＝200×106×1.6×10－19J＝3.2×10－11J，④正确.故选D.以上说法中完全正确的是A.①②③ B.②③④C.①③④ D.①②④√12345678910111213考点二核电站5.核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是A.燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统B.燃料、减速剂、发热系统和传热系统C.燃料、调速剂、碰撞系统和热系统D.燃料、中子源、原子能聚存和输送系统12345678910111213√解析核反应堆的主要部分包括①燃料，即浓缩铀235；②减速剂，采用石墨、重水或普通水；③控制调节系统，用控制棒控制链式反应的速度；④冷却系统，水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆的热量传输出去，用于发电，故A正确，B、C、D错误.123456789101112136.在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是A.使用浓缩铀B.改变铀块的临界体积C.通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制中子数D.利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度123456789101112√13解析控制铀235核裂变反应速度的方法是控制中子的数量，其有效方法是用吸收中子能力很强的镉棒插入铀燃料周围，镉棒插入的深度不同，可控制中子的数目，以达到控制核反应速度的目的，C正确.考点三核聚变7.(2020·广东高二期末)月球土壤里大量存在着一种叫作“氦3()”的化学元素，可作为发电燃料.即利用氘和氦3发生的核聚变反应产生一个质子和一个新核，释放能量，进行发电.关于“氦3”与氘核聚变反应，下列说法中正确的是A.释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少B.目前核电站普遍利用的就是这种核聚变反应C.生成的新核是D.核聚变反应需要的条件是氦3的体积足够大123456789101112√13解析释放能量，出现质量亏损，但是质量数仍然守恒，A错误；目前核聚变反应无法有效的控制，核电站利用的是重核裂变，B错误；12345678910111213轻核聚变在高温、高压下才可以发生，重核裂变才要求裂变物质体积达到临界体积，D错误.8.(多选)(2021·江西高二期中)核聚变能释放大量的核能，一种核聚变的反应方程为

＋E，关于该方程，下列说法正确的是A.X射线的电离本领比γ射线强B.X核的比结合能小于氘核的比结合能C.X核子与中子的质量之和大于氘、氚两核子的质量之和D.该核反应需要巨大的能量克服氘、氚核子间的库仑斥力123456789101112√13√解析由核反应方程，质量数守恒、电荷数守恒，可知X是α粒子，其射线是α射线，电离本领比γ射线强，选项A正确；比结合能越大，原子核越稳定，X的比结合能大于氘核的比结合能，选项B错误；由于核聚变时释放能量，质量亏损，所以X核子与中子的质量之和小于氘、氚两核子的质量之和，选项C错误；要使该核反应发生，需要巨大的能量以克服氚核和氘核之间的库仑斥力，通常需要把它们加热到很高的温度，选项D正确.12345678910111213B.这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应C.辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c29.(2020·南宁三中高二期中)一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个γ光子.已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c.下列说法中正确的是12345678910111213√12345678910111213解析核反应方程满足质量数和电荷数守恒，故A正确；该反应为聚变反应，故B错误；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E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C错误；10.太阳的能量来自于热核反应，其中一种核反应是四个质子聚变成一个α粒子，同时放出两个正电子和两个没有静止质量的中微子.已知α粒子的质量为mα，质子的质量为mp，电子的质量为me，c为光在真空中的传播速度，N为阿伏加德罗常数.在这种核反应中1000g的氢核聚变所放出的能量为A.1000(4mp＋mα＋2me)Nc2 B.1000(mα＋2me－4mp)Nc2C.250(mα＋2me－4mp)Nc2 D.250(4mp－mα－2me)Nc2123456789101112√1312345678910111213解析4个氢核聚变的质量亏损Δm＝(4mp－mα－2me)根据质能方程，核聚变释放的能量ΔE＝Δmc2＝(4mp－mα－2me)c211.2020年12月，我国自主研制新一代“人造太阳”，“中国环流器二号M”装置首次成功放电，标志我国核物理发展取得重大突破.“人造太阳”中的核反应方程为：

＋X.下列说法正确的是A.该核反应是核聚变反应，聚变反应过程需要吸收能量才能进行B.该核反应是核裂变反应，核反应方程式中的X是中子C.人造太阳释放的能量大小的计算公式是ΔE＝Δmc2D.核反应表明，原子核越重，比结合能越大12345678910111213能力综合练√12345678910111213解析由质量数守恒和电荷数守恒可得

，即X为中子；该反应为核聚变反应，聚变反应过程需要吸收能量才能使轻核间的距离接近到发生聚变的距离，反应过程中会释放更大的能量，故A、B错误；核聚变释放的能量可用质能方程ΔE＝Δmc2进行计算，故C正确；中等质量的原子核比结合能较大，故D错误.12.(2020·太和第一中学高二月考)用中子轰击铀核()，其中的一个可能反应是分裂成钡

两