人教版(新教材)高中物理选择性必修3学案：5 4 核裂变与核聚变

人教版(新教材)高中物理选择性必修第三册PAGEPAGE1第4节核裂变与核聚变〖学习目标要求〗1.知道什么是核裂变。2.知道链式反应及链式反应的条件，并能计算裂变释放的核能。3.了解裂变反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度以及核电站的工作模式。4.知道什么是聚变反应，会计算核聚变中释放的核能。5.了解可控热核反应及其研究和发展。一、核裂变的发现1.核裂变：铀核被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反应。2.铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多样的，其中一种典型的铀核裂变是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：由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程叫核裂变的链式反应。4.临界体积和临界质量：把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。5.核裂变的能量：1kg铀235全部发生核裂变放出的能量相当于2__800__t标准煤完全燃烧时释放的化学能。〖判一判〗(1)铀核裂变的产物是固定的，就是生成钡和氪，同时放出3个中子。(×)(2)裂变中放出的中子数目是固定的3个中子。(×)(3)只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应。(√)二、反应堆与核电站1.核反应堆：控制链式反应的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成：(1)核燃料：铀棒。(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水做慢化剂。(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。镉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，链式反应的速度会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。2.核电站——利用核能发电的装置(1)工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高。(2)能量输出：利用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：为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽核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。三、核聚变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：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达几百万开尔文，因此核聚变又叫热核反应。(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹，需要用原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。(5)太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.6×107K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部核聚变释放的核能。2.受控热核反应(1)核聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高。第二：地球上核聚变燃料的储量丰富。第三：轻核聚变更为安全、清洁，控制温度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理。(2)核聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。(3)控制方法①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器。②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。〖判一判〗(1)核聚变时吸收能量。(×)(2)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大。(√)(3)热核反应主要用在核武器上，那就是原子弹。(×)(4)轻核聚变比裂变更安全、清洁。(√)(5)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。(√)(6)现在聚变只要达到临界质量就可以发生。(×)探究1重核裂变及链式反应1.铀核的裂变(1)铀核受激发：当中子进入铀235后，使核处于激发状态，由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。(2)铀核分裂：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2～3个中子。(3)核能的释放：裂变中比结合能变大，因而释放核能。(4)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)n②eq\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.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.铀核裂变释放核能的计算(1)首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm。(2)根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能。计算时注意Δm与ΔE单位的对应关系，若Δm用kg做单位，ΔE用J做单位；Δm用u做单位，ΔE用MeV做单位，1u相当于931.5MeV的能量。(3)若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核(设为n)，则铀块裂变释放的核能E＝nΔE。〖例1〗(多选)关于重核裂变的说法正确的是()A.重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多B.只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应C.为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子D.裂变过程中释放能量，质量亏损〖答案〗AD〖解析〗重核裂变为两个中等质量的核时，会产生两到三个中子，因此分裂后的中等质量核的中子数减小，故A正确；链式反应的发生是有条件的，铀块的体积必须大于其发生链式反应的临界体积，链式反应一旦发生，中子轰击铀核裂变产生的中子再次引起其他铀核的裂变，且能不断继续下去，故B、C错误；重核裂变时质量发生亏损，总能量减小，减小的能量对外释放，选项D正确。〖例2〗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＋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(U)核的质量为235.0439u，中子质量为1.0087u，钕(Nd)核质量为142.9098u，锆核质量为89.9047u；又知1u相当于931.5MeV的能量，试计算1kg铀235大约能产生的能量是多少？〖答案〗(1)4090(2)5.06×1026MeV〖解析〗(1)由电荷数、质量数守恒可得锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－146＝90；核反应方程中应用符号eq\o\al(90,40)Zr表示。(2)1kg铀235的铀核数为n＝eq\f(1000,235)×6.02×1023＝2.56×1024(个)不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应发生的质量亏损为Δm＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn＝0.212u因此1kg铀235完全裂变产生的能量约为E＝n·Δm×931.5MeV＝2.56×1024×0.212×931.5MeV＝5.06×1026MeV。探究2核电站1.核电站的主要部件及作用如下表部件名称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的能量减少，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〖答案〗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，故选项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，故选项C、D错误。〖针对训练1〗(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〖答案〗ABD〖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。探究3核聚变反应及核能的计算1.聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，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.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，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。3.核聚变的应用(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。〖例4〗太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。已知质子质量为mH＝1.0073u，氦核质量为mHe＝4.0015u，电子质量为me＝0.00055u，1u相当于931.5MeV的能量，真空中的光速c＝3×108m/s。(1)写出这个核反应方程；(2)这一核反应能释放多少能量？(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？〖答案〗(1)4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,＋1)e(2)24.78MeV(3)4.22×109kg〖解析〗(1)由题意可得核反应方程应为4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,＋1)e。(2)反应前的质量m1＝4mH＝4×1.0073u＝4.0292u，反应后的质量m2＝mHe＋2me＝4.0015u＋2×0.00055u＝4.0026u，Δm＝m1－m2＝0.0266u，由质能方程得，释放能量ΔE＝0.0266×931.5MeV＝24.78MeV。(3)由质能方程ΔE＝Δmc2得太阳每秒减少的质量Δm′＝eq\f(ΔE′,c2)＝eq\f(3.8×1026,（3×108）2)kg＝4.22×109kg。〖针对训练2〗(2021·山西晋中市高二月考)中国科学院成都研究所的“人工太阳”这一科技成果令世界刮目相看。人工太阳是利用氘核核聚变实现的，反应方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n，下列说法正确的是()A.该反应过程中不满足电荷数守恒和质量数守恒B.重核裂变比轻核聚变更为安全、清洁C.聚变反应相比裂变反应中平均每个核子释放的能量多D.目前核反应堆产生的能量主要来自轻核聚变〖答案〗C〖解析〗核反应过程中满足电荷数守恒和质量数守恒，故A错误；轻核聚变相比重核裂变更为安全、清洁，故B错误；聚变反应相比裂变反应中平均每个核子释放的能量多，C正确；目前核反应堆产生的能量主要来自重核裂变，D错误。1.(重核裂变和链式反应)关于重核裂变，下列说法正确的是()A.重核裂变成中等核要吸收能量B.中子进入铀块中时，一定能发生链式反应C.重核裂变过程中质量数减少D.较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能增加，可以释放出核能〖答案〗D〖解析〗中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定，如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能增加，可以释放出能量，故A错误，D正确；当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子如果能引起其他铀核裂变，链式反应才能进行，B错误；核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，C错误。2.(重核的裂变和链式反应)铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是()A.铀块的质量是重要因素，与体积无关B.为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子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.裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关〖答案〗C〖解析〗要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于临界体积或临界质量，故选项A、D错误，C正确；铀235俘获慢中子发生裂变的几率大，快中子使铀235发生裂变的几率小，故选项B错误。3.(轻核的聚变和核能计算)某同学