高中物理 5.25.4 裂变及其应用 聚变与受控热核反应 核能利用与社会发展课件 沪科版选修35.ppt

第5章核能与社会 5 2 5 4裂变及其应用聚变与受控热核反应核能利用与社会发展 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 4 了解核能的优越性 核电站的安全性能及核废料的处理 学习目标定位 知识储备区 1 质量数电荷数2 mc2 1 j 2 mev931 5 3 1 质量差不多核能 2 中子中子 3 临界体积临界质量 知识链接 新知呈现 4 1 较平缓 2 铀 石墨重水普通水 知识储备区 镉中子 石墨中子逃逸 水 金属套水层 5 1 重水 2 石墨 3 铀 235 6 核反应堆高压蒸汽7 1 平均结合能小较重释放 2 3 几千万开以上热核 知识储备区 8 1 强磁场 2 王淦昌 9 1 巨大 2 丰富 3 运输储存 4 小 10 1 二氧化铀 包壳 压力边界 2 后处理 学习探究区 一 核裂变和链式反应 二 裂变过程中核能的分析与计算 三 核聚变发生的条件及特点 一 核裂变和链式反应 问题设计 1 阅读课本 铀核的裂变 说明 1 铀核裂变是如何发生的 答案铀核裂变的发生 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2 3个中子 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 重核裂变在自然界中能自发进行吗 答案不能 重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中 自然界不会自发地发生 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 这样形成了链式反应 要点提炼 1 铀核裂变用轰击铀核时 铀核发生裂变 其产物是多种多样的 其中两种典型的反应是 2 链式反应的条件 1 铀块的体积临界体积或铀块的质量临界质量 2 中子的 再生率 要 大于等于 大于等于 大于1 中子 例1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 最好用纯铀235d 铀块的体积对产生链式反应无影响 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 也有的裂变成多块 并放出几个中子 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 答案bc 返回 二 裂变过程中核能的分析与计算 重核裂变为什么能释放核能 人们获得核能的途径有哪些 答案用中子轰击铀核时 使该核变成处于激发状态的复核 从而重核裂变成两个原子核 并释放能量 获得核能的主要途径 一是重核裂变 二是轻核聚变 问题设计 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发生的质量亏损 m 2 根据计算释放的核能 计算时注意 m与 e单位的对应关系 若 m用kg做单位 e用j做单位 若 m用u做单位 e用mev做单位 1u相当于931 5mev的能量 e mc2 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 从而得出铀块裂变释放的核能e n e 例2现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是 1 核反应方程中的 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 解析根据核反应中质量数和电荷数守恒知 锆的电荷数z 92 60 8 40 质量数a 236 143 3 90 核反应方程式中应用符号zr表示 答案4090 2 已知铀 u 核的质量为235 0493u 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 试计算一次核裂变中释放的核能 解析核反应前后的质量亏损为 m mu mn mnd mzr 3mn 0 2174u e mc2 0 2174 931 5mev 202 5081mev 答案202 5081mev 3 试计算1kg铀235大约能产生的能量 解析1kg铀235中的铀核数为n 6 02 1023个 2 56 1024个1kg铀235完全裂变产生的能量e n e 2 56 1024 202 5081mev 5 18 1026mev 8 29 1013j 答案5 18 1026mev 或8 29 1013j 返回 三 核聚变发生的条件及特点 要点提炼 1 从平均结合能的图线看 轻核聚变后平均结合能增加 因此聚变反应是一个反应 2 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m 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 使物质达到几千万开尔文以上的高温 放能 10 15 加热 3 重核裂变与轻核聚变的区别 中等质量 质量 较大 大 简单 例3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 1 写出这个核反应方程 解析 答案 2 这一核反应能释放多少能量 解析反应前的质量m1 4mp 4 1 0073u 4 0292u 反应后的质量m2 mhe 2me 4 0015u 2 0 00055u 4 0026u m m1 m2 0 0266u 由质能方程得 释放能量 e mc2 0 0266 931 5mev 24 78mev 答案24 78mev 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 mp 1 0073u mhe 4 0015u me 0 00055u 解析由质能方程 e mc2得每秒减少的质量 答案 返回 课堂要点小结 返回 自我检测区 1 2 3 4 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 1 2 3 4 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 因而其释放的能量是远大于其俘获中子时吸收的能量的 链式反应是有条件的 即铀块的体积必须不小于其临界体积 如果体积小 中子从铀块中穿过时 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 1 2 3 4 其中各粒子质量分别为mu 235 0439u mn 1 00867umsr 89 9077u mxe 135 9072u质量亏损为 m mu mn msr mxe 10mn 0 1510u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均错误 1 2 3 4 重核裂变为中等质量的原子核时 由于平均质量减小 还会再发生质量亏损 从而释放出核能 综上所述 选项d正确 1 2 3 答案d 4 2 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聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变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 发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能 1 2 3 bd 4 3 为了直接验证爱因斯坦狭义相对论中著名的质能方程e mc2 科学家用中子轰击硫原子 分别测出原子捕获中子前后质量的变化以及核反应过程中放出的能量 然后进行比较 精确验证了质能方程的正确性 设捕获中子前的原子质量为m1 捕获中子后的原子质量为m2 被捕获的中子质量为m3 核反应过程放出的能量为 e 则这一实验需验证的关系式是 1 2 3 4 a e m1 m2 m3 c2b e m1 m3 m2 c2c e m2 m1 m3 c2d e m2 m1 m3 c2 1 2 3 4 解析反应前的质量总和为m1 m3 质量亏损 m m1 m3 m2 核反应释放的能量 e m1 m3 m2 c2 选项b正确 答案b 1 2 3 4 4 一个质子和两个中子聚变为一个氚核 已知质子质量mh 1 0073u 中子质量mn 1 0087u 氚核质量m 3 0180u 1 写出聚变方