人教版(新教材)高中物理选择性必修3学案1：5 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PAGEPAGE15.4核裂变与核聚变〖学习目标〗1．知道核裂变与核聚变及链式反应的基本概念，了解原子弹、核反应堆、聚变反应条件的内容。2.掌握链式反应及核聚变释放能量的计算，理解核电站的工作原理，掌握轻核聚变的条件，提高分析、解决问题的能力。3.通过对链式反应的探究，理解原子弹、核反应堆的原理，体会热核反应的条件。4.学习科学家们研究问题的方法，坚持实事求是的科学态度，体验其工作的艰辛，激发探索未来科学的热情。〖知识梳理〗一、核裂变1．核裂变的发现(1)核裂变重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，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，这种由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。(4)链式反应的条件发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量。2．反应堆与核电站(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、重水和普通水(也叫轻水)。(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)能量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。说明：核裂变是可以控制的，如核电站的建立和应用。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．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。4．优点(1)轻核聚变产能效率高。(2)地球上聚变燃料的储量丰富。(3)轻核聚变更为安全、清洁。5．约束方法磁约束和惯性约束。小试牛刀1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。 ()(2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。 ()(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。 ()2．(多选)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，但核子数不变D．重核裂变为中等质量的核时，放出核能3．(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摄氏度的高温，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〖课堂探究〗一、对核裂变和链式反应的理解思考1如图所示为重核裂变的链式反应。试探究：(1)什么是链式反应？(2)链式反应中的临界体积指什么？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(1,0)n＋eq\o\al(235,92)U→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n②eq\o\al(235,95)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(94,38)Sr＋eq\o\al(139,54)Xe＋3eq\o\al(1,0)n。2．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。以上两个条件满足一个即可。例1(多选)2017年11月17日，“中国核潜艇之父”——黄旭华获评全国道德模范。下列有关核反应的说法正确的是()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C．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)U＋eq\o\al(94,38)Sr＋deq\o\al(1,0)n式中d＝1D．铀核裂变后的新核比铀核的比结合能小规律归纳对重核裂变的两点理解(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。二、核电站与核反应堆思考2如图是慢中子反应堆的示意图。试探究：(1)铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？(2)如何控制裂变反应的激烈程度？1．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，它的主要部件列表如下：部件名称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．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，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2～4%)制成，石墨、重水或普通水为慢化剂，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。反应堆示意图(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、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电。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。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。(3)对环境的污染要比火力发电小。例2每昼夜消耗220g铀235的原子能发电站，如果效率为25%，它能产生的电功率为多大？(每个铀核裂变时放出的能量是200MeV)三、对核聚变的理解思考3据报道，中科院离子物理所经过八年的艰苦奋斗努力，终于率先建成了世界上第一个全超导的托克马克试验装置并调试成功。这种装置被称为“人造太阳”(如图所示)，它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续地输出能量，就像太阳一样为人类提供无限清洁的能源。问题探究：(1)请写出此核聚变的方程式；(2)请说出核聚变能源的优点。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．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出更多的能量。(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。4．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。5．重核裂变与轻核聚变的区别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倍燃料储量情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容易得多例3氘核(eq\o\al(2,1)H)和氚核(eq\o\al(3,1)H)结合成氦核(eq\o\al(4,2)He)的核反应方程如下：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(1)这个核反应称为________。(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文。式中17.6MeV是核反应中________(选填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(选填“增加”或“减少”)了________kg(保留一位有效数字)。规律归纳(1)核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据。(2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算。〖课堂达标〗1．下列方程中，表示核裂变的是()A．eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(92))U→eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(90))Th＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))HeB．eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(139),\s\do1(56))Ba＋eq\o\al(\s\up1(94),\s\do1(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))nC．eq\o\al(\s\up1(30),\s\do1(15))P→eq\o\al(\s\up1(30),\s\do1(14))Si＋eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(1))eD．eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(7))N＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He→eq\o\al(\s\up1(17),\s\do1(8))O＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H2．下列方程中属于核聚变的是()A．eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H＋eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H→eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))nB．eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n＋eq\o\al(\s\up1(24),\s\do1(12))Mg→eq\o\al(\s\up1(24),\s\do1(11))Na＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))HC．eq\o\al(\s\up1(60),\s\do1(27))Co→eq\o\al(\s\up1(60),\s\do1(28))Ni＋eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(－1))eD．eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(137),\s\do1(55))Cs＋eq\o\al(\s\up1(88),\s\do1(37))Rb＋11eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n3．(多选)重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是()A．裂变过程质量增加 B．裂变过程质量亏损C．裂变过程和聚变过程都有质量增加 D．聚变过程有质量亏损4．(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种多样的，但只能裂变成两种不同的核B．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用铀235而不用铀238D．铀块的体积对产生链式反应无影响

▁▃▅▇█参*考*答*案█▇▅▃▁小试牛刀1．×√×2．〖答案〗CD〖解析〗核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A错误，D正确；发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于其临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B错误；重核裂变时，核子数守恒，C正确。3.〖答案〗ABC〖解析〗轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15m以内，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，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。〖课堂探究〗思考1〖答案〗(1)重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫链式反应。(2)能发生链式反应的最小体积叫临界体积，相应的质量叫临界质量。例1〖答案〗AB〖解析〗目前核潜艇是利用重核裂变提供动力，选项A正确；重核裂变要释放核能，则反应前后一定有质量亏损，选项B正确；根据质量数和电荷数守恒可知，该核反应中的d＝2，选项C错误；铀核不如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，选项D错误。思考2〖答案〗(1)慢中子。(2)控制棒由镉做成，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，反之，应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快一些。例2〖解析〗一昼夜消耗的铀所能产生的核能为：ΔE＝200×eq