新教材2025版高中物理第五章原子核4.核裂变与核聚变学生用书新人教版选择性必修第三册

4.核裂变与核聚变素养目标1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件．(物理观念)2．了解裂变反应堆的工作原理及核电站和核能利用的优缺点．(物理观念)3．驾驭核聚变的定义及发生条件．(物理观念)4．会推断和书写核裂变、核聚变方程，能计算核反应释放的能量．(科学思维)自主落实·必备学问全过关一、核裂变1．核裂变人工转变的一种重核被________轰击后分裂成两个质量差不多的新核，并放出核能的过程．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92235依据试验事实，不能杜撰核裂变反应3．链式反应由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代接着下去的过程．4．链式反应的条件发生裂变物质的体积大于________，裂变物质的质量大于________．铀块足够大，中子才有足够大的概率打中某个铀核二、核电站1．核能释放的限制通过可限制的链式反应实现核能释放的装置称为________．原子弹是不行限制的链式反应2．慢化剂反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒四周要放“慢化剂”，常用的慢化剂有________、________和________．与慢化剂中的原子核碰撞减速3．限制棒为了限制反应速度，还须要在铀棒之间插进一些镉棒，它汲取________的实力很强，反应过于激烈时，可将其插入________一些，多汲取一些________，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作________．4．能量输出核燃料发生________释放的能量使反应区温度上升，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______左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要烧煤________．现在的全部核电站都是应用核裂变发电6．核污染的处理为避开________对人体的损害和____________对水源、空气和工作场所造成放射性污染，在反应堆外面须要修建很厚的________，用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线．核废料具有很强的________，须要装入特制的容器，________．三、核聚变1．定义两个轻核结合成________的核的反应．发生质量亏损2．条件(1)轻核的距离要达到________以内．(2)聚变可能通过________(几百万开尔文)来实现，因此又叫热核反应．3．核反应举例(1)目前，热核反应主要应用在核武器上，如________.(2)热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的____________．(3)典型的核聚变：一个氘核和一个氚核的聚变，1该反应平均每个核子放出的能量比裂变反应平均每个核子放出的能量大________倍．4．聚变与裂变相比有许多优点(1)轻核聚变产能效率________．(2)地球上聚变燃料的储量________．(3)轻核聚变更为____________．5．实现核聚变的方法(1)难点：地球上没有任何容器能够经受核聚变须要的高温．(2)方案：科学家设想了两种方案，即________和________，________是目前性能最好的一种磁约束装置．情境体验如图为铀核裂变示意图：(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．(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？合作探究·实力素养全提升探究一核裂变的原理及应用核心归纳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态．(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力快速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出两或三个中子，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①0②02．链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积．(2)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假如按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．应用体验题型1裂变的特点及条件例1(多选)关于铀核裂变，下列说法正确的是()A．铀核裂变的产物是多样的，但只能裂变成两种不同的核B．铀核裂变时一般释放2～3个中子C．为了使裂变的链式反应简单进行，最好用纯铀235D．铀块的体积对产生链式反应无影响[试解]题型2裂变核能的计算例2裂变反应是目前核能利用中常用的反应．以原子核92235U为燃料的反应堆中，当92235已知中子及有关原子核的静止质量(以原子质量单位u为单位)mU＝235.0439u，mn＝1.0087u，mXe＝138.9178u，mSr＝93.9154u，且1u的质量对应的能量为931.5MeV，则此裂变反应过程中：(1)质量亏损为多少？(2)释放出的能量是多少？[试解]针对训练1.(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中一种裂变反应是92235A．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限制D．铀核的半衰期会受到环境温度的影响探究二反应堆与核电站核心归纳1.核电站的主要组成核电站的核心设施是核反应堆，它的主要部件列表如下：部件名称铀棒慢化剂限制棒热循环介质爱护层采纳的材料浓缩铀235石墨、重水或一般水(也叫轻水)镉水或液态钠很厚的水泥外壳作用核燃料降低中子速度，便于铀235汲取汲取中子，限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2.反应堆的工作原理核反应释放的能量通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流淌，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电．3．核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少．(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大，所能供应的能量大．(3)对环境的污染要比火力发电小．应用体验例3如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法正确的是()A．铀235简单汲取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的能量削减，变成慢中子，慢中子简单被铀235俘获而引起裂变反应C．限制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使限制棒插入浅一些，让它少汲取一些中子，链式反应的速度就会慢一些D．要使裂变反应更激烈一些，应使限制棒插入深一些，使大量快中子碰撞限制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些[试解]针对训练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．镉棒的作用是限制反应堆的功率C．石墨的作用是汲取中子D．冷却剂的作用是限制反应堆的温度和输出热能3．[2024·临沂高二检测]核电站是利用反应堆释放出的能量将水变成高温高压的水蒸气来推动汽轮发电机发电的．反应堆的核反应方程式为92235U+01n→54136Xe+X+100A．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)c2D.92235U探究三轻核聚变的理解与计算核心归纳1.聚变发生的条件、方法(1)条件：要使轻核聚变，必需使轻核接近核力发生作用的距离为10－15m.(2)方法：把轻核加热到几百万开尔文的高温．2．核聚变方程123．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，就不再须要外界给它能量，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地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆．4．核聚变的应用(1)核武器——氢弹：一种不须要人工限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：目前处于探究阶段．5．重核裂变与轻核聚变的区分比较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大约要大3～4倍燃料储量状况聚变燃料储量丰富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应用体验题型4对轻核聚变反应的理解例4(多选)下列关于聚变的说法正确的是()A．要使聚变发生，必需克服库仑斥力做功B．轻核聚变须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开尔文的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D．全部恒星中只有太阳内部在激烈地进行着热核反应[试解]题型2聚变核能的计算例5(多选)太阳的能量来源于轻核的聚变，太阳中存在的主要元素是氢，核聚变反应可以看作是4个氢核(11H)结合成1个氦核同时放出2个正电子的过程．下表中列出了部分粒子的质量取(1u＝16粒子名称质子(p)α粒子正电子(e)中子(n)质量/u1.00784.00260.00051.0087以下说法正确的是()A．核反应方程为41B．4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为0.0276kgC．4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为4.6×10－29kgD．聚变反应过程中释放的能量约为4.14×10－12J[试解]题型3核反应类型的推断例6[2024·云南保山龙陵一中高二上月考]对于下列各核反应方程，表述正确的是()A.BCD.[试解]针对训练4.[2024·浙江1月](多选)如图所示是我国全超导托卡马克核聚变试验装置.2024年11月，该装置实现了1×108℃等离子体运行等多项重大突破，为将来和平利用聚变能量迈出了重要一步．关于核聚变，下列说法正确的是()A．聚变又叫热核反应B．太阳就是一个巨大的热核反应堆C．高温能使原子核克服核力而聚变D．对相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变产能多学以致用·随堂检测全达标1．(多选)下列说法正确的是()A．核聚变比核裂变产能效率高B．在目前条件下，使原子核聚变要比裂变简单C．氢弹的原理是核裂变反应D．核聚变和核裂变发生后，产生的新核的比结合能比反应前原子核的比结合能大2.我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上领先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献．下列核反应方程中属于裂变反应的是()A.BCD.3.[2024·黄山高二检测](多选)我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了“EAST”装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1000s，温度超过1亿摄氏度，这标记着我国磁约束核聚变探讨进入国际先进水平，合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变试验装置并能实际运行的地方．核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富．已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，23HeA．两个氘核聚变成一个23B．两个氘核聚变成一个23C．两个氘核聚变成一个23He所释放的核能为(2m1－m3－m4D．两个氘核聚变成一个23He所释放的核能为(2m1－m3－m24．一座发电实力为P＝1.0×106kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%.核反应堆中发生的裂变反应为92235U+01n―→56141(1)发生一次核反应的质量亏损Δm.(2)每年(1年＝3.15×107s)消耗的922354．核裂变与核聚变自主落实·必备学问全过关一、1．中子2.304．临界体积临界质量二、1．核反应堆2．石墨重水一般水3．中子深中子限制棒4．核裂变循环流淌热量5．30t2.5×106t6．射线放射性物质水泥层放射性深埋地下三、1．质量较大2．(1)10－15m(2)高温3．(1)氢弹(2)热核反应堆(3)3～44．(1)高(2)丰富(3)平安、清洁5．磁约束惯性约束环流器情境体验提示：(1)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态．核子间的距离增大，因而核力快速减弱，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接着下去，形成链式反应；92235(2)不是，铀块体积还须大于或等于临界体积．合作探究·实力素养全提升探究一应用体验[例1]解析：铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是多样的，具有极大的偶然性，裂变成两块的状况比较多，也有的分裂成多于两块，裂变时一般会放出2～3个中子．铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的概率小，而要引起链式反应．需使铀块的体积不小于临界体积．综上所述，选项B、C正确．答案：BC[例2]解析：192235U裂变成(54139Xe和3894Sr，同时放出中子01n，裂变前后质量亏损Δ(2)由爱因斯坦质能方程可知ΔE＝Δm×931.5MeV/u≈180.06MeV.答案：(1)0.1933u(2)180.06MeV针对训练1．解析：由核反应方程式可以看出铀核裂变释放出3个中子，A正确；铀块体积需达到临界体积才能发生链式反应，所以铀块体积对链式反应的发生有影响，B错误；铀核的链式反应可以通过限制棒进行人工限制，C正确；放射性物质的半衰期是元素本身的属性，与外界物理环境和化学环境均无关，D错误．答案：AC探究二应用体验[例3]解析：快中子简单与铀235擦肩而过，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量削减，变成慢中子，慢中子简单被铀235俘获而引起裂变反应，故B项正确，A项错误；限制棒由镉做成，镉汲取中子的实力很强，当反应过于激烈时，使限制棒插入深一些，让它多汲取一些中子，链式反应的速度就会慢一些，故C、D错误．答案：B针对训练2．解析：A对：铀棒是核燃料，裂变时放出能量．B对：镉棒汲取中子的实力很强，作用是调整中子数目以限制反应速度，即限制反应堆的功率．C错：慢中子最简单引发铀核裂变，所以在快中子遇到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速．D对：水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流淌，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，限制温度．答案：ABD3．解析：依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项正确；质量亏损Δm＝m1－9m2－m3－m4，依据质能方程可得释放的核能，故B、C项错误；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,92235U答案：A探究三应用体验[例4]解析：轻核聚变时，要使轻核之间的距离达到10－15m以内，所以必需克服库仑斥力做功，选项A正确；在轻核聚变中，原子核必需有足够的动能，才能克服巨大的库仑斥力，原子核处在几百万开尔文的高温下可以具有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，选项B、C正确；除了太阳，其他恒星内部也进行着热核反应，选项D错误．答案：ABC[例5]解析：由核反应的质量数守恒及电荷数守恒可知，核反应方程为411H―→24He＋210e，故选项A正确；反应中的质量亏损为Δm＝4mP－mα－2me＝(4×1.0078－4.0026－2×0.0005)u＝0.0276u＝4.6×10－29kg，故选项C