高中物理 3.53.6 核裂变 核聚变课件 教科版选修35 .ppt

第三章原子核 3 5 3 6核裂变核聚变 1 知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件 2 了解核反应堆的工作原理及常见核反应堆类型 3 知道热核反应 了解受控核聚变反应研究的发展 学习目标定位 学习探究区 一 重核裂变 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 重核裂变 问题设计 1 铀核裂变是如何发生的 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u ba kr u xe sr 中子 2 链式反应由重核裂变产生的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 3 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 有足够数量的慢中子 中子 大于 大于 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 也有的分裂成多块 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 问题设计 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 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 从题图中可以看出 铁原子核中核子的平均质量最小 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 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 则铀块裂变释放的核能e n e 例22011年3月11日 日本发生了9 1级大地震 并引发海啸 在此次灾害中 日本福岛核电站发生了核泄露 对附近的环境造成了很大的危害 核泄露产生的射线具有非常大的危害性 能够使动植物体内的细胞发生癌变 致使生物死亡 根据以上材料回答以下问题 核电站的发电原理是通过核裂变产生巨大的能量 完成下面铀核裂变可能的一个反应方程 并计算1kg铀核裂变放出的能量是 j 结果保留两位有效数字 u ba kr和中子的质量分别为235 0493u 140 9139u 91 8973u 1 0087u 1u 1 66 10 27kg 解析一个铀原子核裂变放出的核能为 e mc2 235 0493u 140 9139u 91 8973u 2 1 0087u 1 66 10 27kg 3 108m s 2 3 3 10 11j e na e 6 02 1023 3 3 10 11j 8 45 1013j 答案3n8 45 1013 返回 要点提炼 三 核聚变发生的条件及特点 1 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 使物质达到几百万开尔文的高温 放能 10 15 加热 3 核裂变与核聚变的区别 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 解析核反应方程 而x只能是2个正电子 因此核反应方程应为 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 m kg 4 2 109kg 答案4 2 109kg 返回 课堂要点小结 核裂变核聚变 核裂变 定义及发现 链式反应的条件 v v临足够的慢中子 应用 原子弹核电站 核聚变 定义 聚变发生的条件 受控热核反应 优点可控方案 返回 自我检测区 1 2 3 4 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 1 2 3 4 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 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 1 2 3 4 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 答案d 1 2 3 4 2 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 所以氢弹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 1 2 3 4 解析轻核聚变时 要使轻核之间距离达到10 15m 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开尔文下才有这样的能量 这样高的温度通过利用原子弹爆炸获得 故b c正确 1 2 3 4 在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应 但在地球上不会自发地进行 d错误 答案abc 1 2 3 4 3 一个铀235原子俘获一个中子后 裂变为氙139和锶94 同时放出三个中子 写出核反应方程并计算一个铀核裂变时释放的核能 已知mu 235 04394u mxe 138 91844u msr 93 91547u mn 1 008665u 1u相当于931 5mev 1 2 3 4 解析核反应方程为反应中的质量亏损为 m mu mn mxe msr 3mn 235 04394 1 008665 u 138 91844 93 91547 3 1 008665 u 0 1927u所以 一个铀核裂变释放的核能为 e 0 1927 931 5mev 179 5mev答案179 5mev 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