高中物理 第十九章 原子核 6、7、8 核裂变、核聚变、粒子和宇宙导学案(新人教版)选修3-5

1、学案6核裂变学案7核聚变学案8粒子和宇宙目标定位 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义及发生条件.3.会判断和书写核裂变、核聚变方程，能计算核反应释放的能量一、核裂变和链式反应问题设计阅读课本“核裂变”，说明：(1)铀核裂变是如何发生的？(2)铀核裂变在自然界中能自发进行吗？答案(1)铀核的裂变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

2、式反应(2)重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自发地发生铀核裂变不会自发地进行，要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这些中子继续与其他铀核发生反应，再引起新的裂变，这样就形成了链式反应要点提炼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UnBaKr3n.3链式反应由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，叫做核裂变的链式反应4链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积或铀块的质量大于临界质量(2)有足够数量的慢中子二、

3、核电站1核电站是利用核能发电，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：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水作慢化剂；(3)控制棒：采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子的能力很强的特性，控制链式反应的速度2工作原理核燃料裂变释放能量，使反应区温度升高3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4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，深埋地下三、裂变过程中核能的分析与计算问题设计重核裂变

4、为什么能释放核能？人们获得核能的途径有哪些？通过图1说明图1答案中等质量的原子核的核子的平均质量较小，重核和轻核的核子的平均质量较大如果原子序数较大的重核A分裂成原子序数小一些的核B和C，会有质量亏损，放出巨大的核能获得核能的主要途径：一是重核裂变，二是轻核聚变要点提炼铀核裂变释放核能的计算1首先算出裂变反应中的质量亏损m.2根据Emc2计算释放的核能计算时要注意m与E单位的对应关系：若m用kg做单位，则E用J做单位；若m用u做单位，则E用MeV做单位，1 u相当于931.5 MeV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En

5、E.四、轻核聚变1聚变两个轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为核聚变聚变反应又称为热核反应2聚变方程HHHen17.6 MeV.3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1015 m，这要克服电荷间强大的库仑斥力作用，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，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文以上的高温4重核裂变与轻核聚变的区别反应方式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34倍燃料储量情况聚变燃料储量丰

6、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五、粒子1“基本粒子”不基本直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来人们发现了光子、电子、质子、中子，并把它们叫做“基本粒子”2发现新粒子1932年发现了正电子，1937年发现了子，1947年发现了K介子和介子及以后的超子等3夸克模型1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的一、对重核裂变的理解及核能的计算例1关于重核的裂变，下列说法正确的是()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的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数

7、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即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程因而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其临界体积如果体积小，中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则链式反应就不会发生在裂变反应中核子数是不会减少的，如U裂变为Sr和Xe的核反应，其核反应方程为：UnSrXe10n查阅相关资料可得其中各粒子质量分别为mU235.043 9 u，mn1.008 67 umSr89.907 7 u

8、，mXe135.907 2 u质量亏损为m(mUmn)(mSrmXe10mn)0.151 0 u可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此选项A、B、C错误重核裂变为中等质量的原子核时，由于核子平均质量减小，发生质量亏损，从而释放出核能综上所述，选项D正确答案D例2用中子轰击铀核(92U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(56Ba)和氪(Kr)两部分，放出3个中子各个核和中子的质量如下：mU390.313 91027 kg，mn1.674 91027 kg；mBa234.001 61027 kg，mKr152.604 71027 kg.试写出核反应方程，求出反应中释放

9、的核能解析根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒就可以写出核反应方程铀核裂变方程为n92U56BaKr3n，根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能则核反应前后的质量亏损为mmUmnmBamKr3mn0.357 81027 kg.Emc20.357 81027(3108)2 J3.220 21011 J.答案n92U56BaKr3n3.220 21011 J二、对轻核聚变的理解及核能计算例3据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试下列关于“人造太阳”的说法正确的是()A“人造太阳”的核反应方程是HHHenB“人

10、造太阳”的核反应方程是UnBaKr3nC根据公式Emc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D根据公式Emc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同解析HHHen是氢核聚变方程，故A项正确；根据氢核聚变特点，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确答案AC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mH1.007 3 u，氦核质量为mHe4.001 5 u，电子质量为me0.000 55 u)(1)写出这个核反应方程(2)这一核反应能

11、释放多少能量？(3)已知太阳每秒释放的能量为3.81026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？解析(1)由题意可得核反应方程应为4HHe2e.(2)反应前的质量m14mH41.007 3 u4.029 2 u，反应后的质量m2mHe2me4.001 5 u20.000 55 u4002 6 u，mm1m20.026 6 u，由质能方程得，释放能量Emc20.026 6931.5 MeV24.78 MeV.(3)由质能方程Emc2得太阳每秒减少的质量m kg4.22109 kg.答案(1)4HHe2e(2)24.78 MeV(3)4.22109 kg重核的裂变核聚变1(对重核裂变的理解)关于铀

12、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数目不等的中子C为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235D铀块的体积对产生链式反应无影响答案BC解析铀核受到中子的冲击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况比较多，也有的分裂成多块，并放出数目不等的中子，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1 MeV以上的中子时才能引起裂变，且裂变的几率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故B、C正确2(一种重核裂变的核能计算)一个铀235吸收一个中子后发生的一种核反应方程是2

13、35 92Un136 54XeSr10n，放出的能量为E，铀235核的质量为M，中子的质量为m，氙136核的质量为m1，锶90核的质量为m2，真空中光速为c，则释放的能量E等于()A(Mm1m2)c2B(Mmm1m2)c2C(Mm1m29m)c2D(m1m29mM)c2答案C解析铀235裂变时的质量亏损：mMmm1m210mMm1m29m，由质能方程可得Emc2(M9mm1m2)c2.3(对轻核聚变的理解)某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为HCNQ1，HNCXQ2.方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：原子核HHeHeCNN质量/u1.007 8

14、3.016 04.002 612.000 013.005 715.000 1以下推断正确的是()AX是He，Q2 Q1 BX是He，Q2 Q1CX是He，Q2 Q1 DX是He，Q2 Q1答案B解析由核反应过程必须遵守的质量数守恒和电荷数守恒知X是He.放出热量分别为Q1和Q2的两个核反应中质量亏损分别为0.002 1 u和0.005 3 u，故Q2Q1.4(对轻核聚变的核能计算)一个氘核(H)和一个氚核(H)结合成一个氦核(He)，同时放出一个中子，已知氘核质量为m12.014 1 u，氚核质量为m23.016 0 u，氦核质量为m34.002 6 u，中子质量为m41.008 665 u，

15、求：(1)写出聚变的核反应方程；(2)此反应过程中释放的能量为多少？平均每个核子释放出多少核能？答案(1)HHHen(2)17.5 MeV3.5 MeV解析(1)核反应方程为HHHen.(2)此反应过程的质量亏损为m2.014 1 u3.016 0 u4.002 6 u1.008 665 u0.018 835 u，Emc20.018 835931.5 MeV17.5 MeV.平均每个核子释放的核能为 MeV3.5 MeV.题组一对重核裂变的理解及核能计算1下列核反应中，属于核裂变反应的是()A.5BnLiHeB.UThHeC.7NHe8OHD.UnBaKr3n答案D解析由核裂变反应的特点知，D

16、正确2为使链式反应平稳进行，下列办法可行的是()A铀块可制成任何的体积B铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核C通过慢化剂将产生的中子减速D用镉棒作为慢化剂使中子减速答案C解析由于使铀块发生链式反应的体积应大于临界体积，故A错误；铀核裂变释放出的为快中子，不能直接用来轰击铀核，必须用慢化剂减速，而镉棒是用于控制中子数量的，故C正确，B、D错误3一个235 92U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应的裂变方程为235 92UnXSr2n，则下列叙述正确的是()AX原子核中含有86个中子BX原子核中含有141个核子C因为裂变时释放能量，根据Emc2，所以裂变后的总质量数增加D因为裂变时释放

17、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X原子核中的核子数为(2351)(942)140个，B错误；中子数为140(9238)86个，A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D错误4秦山核电站第三期工程中有两个6105 kW发电机组已实现并网发电发电站的核能来源于92 U的裂变，下列说法正确的是()A反应堆中核反应速度通常是采用调节92U的体积来控制的B.92U的一种可能裂变为92Un54XeSr2nC.92U是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短D虽然核电站能提供很大的能量，但它对环境的污染比火电站严重答案B解析反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)

18、吸收中子的多少来控制，A错；U裂变有多种可能性，这是其中常见的一种，B对；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温度、压强等外界条件无关，C错；核电站的核能是清洁能源，污染少，D错5裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核92U为燃料的反应堆中，当92U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为：92U n 54Xe Sr3n235043 91.008 7138.917 893.915 4反应方程下方的数字是中子及有关原子核的静止质量(以原子质量单位u为单位)已知1 u的质量对应的能量为9.3102 MeV，此裂变反应释放出的能量是_ MeV.答案179.8解析Emc2

19、(235.043 91.008 7138.917 893.915 431.008 7)9.3102 MeV179.8 MeV.题组二对轻核聚变的理解和核能计算6关于聚变，以下说法正确的是()A两个氘核可以聚变成一个中等质量的原子核，同时释放出能量B同样质量的物质发生核聚变反应时放出的能量比同样质量的物质发生核裂变反应时释放的能量大得多C聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积D发生聚变反应的原子核必须有足够大的动能答案BD7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开尔文的高温，因此聚变又叫做热核反应C原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢

20、弹可以利用原子弹引发热核反应D太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行答案ABC解析轻核聚变时，要使轻核之间距离达到1015 m，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发生作用的范围，实验证实，原子核的温度必须达到几百万开尔文时才有这样的能量，这样高的温度可以利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳和许多恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错误8关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是()A一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大C聚变反应中粒子的比结合能变

21、小D聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增大答案B解析在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，故A错误；由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，故C、D错误9当两个中子和两个质子结合成一个粒子时，放出28.30 MeV的能量，当三个粒子结合成一个碳(C)核时，放出7.26 MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳(C)核时，释放的能量约为()A21.04 MeV B35.56 MeVC77.64 MeV D92.16 MeV答案D解析6个中子和6个质子可结合成3个粒子，放出能量328.30 MeV84.90 MeV,3个粒子再结合成一个碳核，放出7.26 MeV能量，故6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放能量为84.90 MeV7.26 MeV92.16 M