2019-2020学年高中物理 第四章 原子核 第五节 裂变和聚变学案 粤教版选修3-5

第五节裂变和聚变1.知道什么是核裂变和核聚变及它们反应的特点2.知道链式反应3.能写出聚变方程并计算聚变能量4了解受控热核反应一、核裂变与链式反应1核裂变：比较重的一个核分裂成两个较轻的核时，会释放能量，这种核反应叫做核裂变2链式反应：一个核的裂变能够引发一个或一个以上的核发生裂变，让核裂变过程自己持续下去，源源不断地将核能释放出来，这样的核反应叫做链式反应3典型例子(1)铀核裂变的反应方程unbakr3n.(2)铀核发生链式反应的条件要有足够浓度的铀235；要有足够数量的慢中子；铀块的体积不小于临界体积1(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)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变()提示：(1)(2)(3)二、受控热核反应1核聚变：比较轻的两个轻核聚合成一个较重的核时，会释放能量，这种核反应叫做核聚变2热核反应：要使核发生聚变，必须使它们接近到1015m，也就是接近到核力能够发生作用的范围物质达到几百万度以上的高温时，原子的核外电子已经完全和原子脱离，这时小部分原子核就具有足够的动能，能够克服相互间的库仑斥力，在互相碰撞中接近到可以发生聚变的程度，因此，这种反应又叫做热核反应3核反应举例：hhhen.4受控热核反应：如果要使巨大的热核反应能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工控制下逐渐地释放出来并加以利用，这称为受控热核反应2(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()提示：(1)(2)(3)铀核裂变及链式反应1裂变的解释：重核被中子轰击后，与中子复合成一个处在高激发态的同位素，这种重核的同位素要发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球形的核，核子间的距离增大，核力减小不足以抵消质子间的库仑斥力而恢复原状，最后分裂成两部分，同时放出中子2裂变过程为什么能放出能量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，核子的平均结合能会增加，可以释放出能量.u的裂变是很常见的一种重核裂变，它裂变的反应物和生成物有多种，其中有两种很典型的反应是：unxesr2nunbakr3n在重核裂变过程中，核反应满足电荷数守恒和质量数守恒但反应前后静质量不同，发生了质量亏损，释放出能量3重核裂变的条件如果铀块体积不够大，生成的中子从铀块中通过时可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了，所以发生链式反应时铀块的体积必须大于临界体积(1)重核裂变是人为的核反应，自然界中不会自发的产生裂变(2)用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，释放出更多的中子又引起其他铀核的裂变，这样不断继续下去，中子会不断增加，裂变反应就会不断加强，形成了裂变的链式反应(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应式是unbakr3n.下列说法正确的有()a上述裂变反应中伴随着中子放出b铀块体积对链式反应的发生无影响c铀核的链式反应可人工控制d铀核的半衰期会受到环境温度的影响解析根据裂变反应的规律和影响半衰期的因素解决问题裂变反应式中的n为中子，铀块体积大于临界体积，才能发生链式反应，且铀核的链式反应是可控的，选项a、c正确，选项b错误；放射性元素的半衰期不受外界压强、温度的影响，选项d错误答案ac对核聚变的理解和计算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放热反应例如：hhnhe17.60 mev.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1015 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，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温3特点：聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去4应用(1)核武器氢弹(2)可控热核反应：目前处于探索阶段一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mh1.007 3 u，中子质量mn1.008 7 u，氚核质量m3.018 u.(1)写出聚变方程；(2)释放出的核能有多大？(3)平均每个核子释放的能量有多大？解析(1)聚变方程为h2nh.(2)质量亏损mmh2mnm(1.007 321.008 73.018) u0.006 7 u.释放的核能emc20.006 7931.5 mev6.24 mev.(3)平均每个核子释放的能量为 mev2.08 mev.答案(1)h2nh(2)6.24 mev(3)2.08 mev(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emc2进行计算 轻核聚变与重核裂变的区别(1)裂变反应是目前核能利用中常用的反应以原子核u为燃料的反应堆中，当u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u nxesr3n235.043 9 1.008 7138.917 8 93.915 4(2)一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mh1.007 3 u，中子质量mn1.008 7 u，氚核质量m3.018 u.已知1 u的质量对应的能量为931.5 mev.求上述两个核反应中，平均每个核子释放的能量解析(1)mm前m后(235.043 91.008 7138.917 893.915 431.008 7) u0.193 3 u平均每个核子释放的能量为 mev0.766 mev.(2)质量亏损mmh2mnm(1.007 321.008 73.018)u0.006 7 u平均每个核子释放的能量为 mev2.08 mev.答案(1)0.766 mev(2)2.08 mev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倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富.1 l海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 l汽油相当可控性速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它随堂检测1链式反应中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是()a质子b中子c粒子 d粒子解析：选b.重核的裂变需要中子的轰击，在链式反应中，不断放出高速的中子使裂变可以不断进行下去，b项正确2铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是()a铀块的质量是重要因素，与体积无关b为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子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能否发生链式反应与铀块的质量无关解析：选c.要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积，但铀核的质量无论怎样，只要组成铀块的体积小于临界体积，则不会发生链式反应，如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变由此知a、b、d错误，c正确3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能量，产生明显的质量亏损，但核子数不会减少d重核裂变时平均结合能减小，要发生质量亏损，释放核能解析：选c.核裂变时发生质量亏损，核能转化为其他形式的能，释放的核能远远大于中子的动能，a错误；要发生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积，b错误；任何的核反应中核子数都不变，c正确；重核的平均结合能较小，中等质量的核平均结合能最大，裂变时重核分裂为中等质量的核，平均结合能变大，产生质量亏损，释放核能，d错误4(多选)下列关于聚变的说法中，正确的是()a要使聚变产生，必须克服库仑引力做功b轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应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太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应解析：选bcd.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错误；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，故b、c正确；在太阳内部或其他恒星内部都存在着热核反应，d正确5用中子轰击铀核(u)，其中的一个可能反应是分裂成钡(ba)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，求出反应中释放的核能解析：根据反应前后核的质量数守恒、核电荷数守恒，就可以写出核反应方程根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦的质能方程就可求出释放的核能此铀核裂变方程为nubakr3n则核反应前后的质量亏损为mmumnmbamkr3mn0.357 81027 kg.由爱因斯坦的质能方程可得释放的核能为emc20.357 81027(2.997 9108)2 j 3.215 71011 j.答案：nubakr3n3.215 71011 j课时作业一、单项选择题1关于太阳辐射能的主要由来，下列说法中正确的是()a来自太阳中重核裂变反应释放的核能b来自太阳中轻核聚变反应释放的核能c来自太阳中碳元素氧化释放的化学能d来自太阳中本身贮存的大量内能解析：选b.太阳辐射能是来自轻核的聚变反应，故只有选项b正确2科学家发现在月球上含有丰富的he(氦3)它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为hehe2hhe.关于he聚变，下列表述正确的是()a聚变反应不会释放能量b聚变反应产生了新的原子核c聚变反应没有质量亏损d目前核电站都采用he聚变反应发电解析：选b.聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量但目前核电站都采用铀核的裂变反应，可控的轻核聚变尚在实验阶段3利用重核裂变释放核能时选铀235，主要原因是()a它裂变放出核能比其他重核裂变放出的核能多b它可能分裂成三部分或四部分c它能自动裂变，与体积无关d它比较容易形成链式反应解析：选d.铀235发生裂变时会生成23个中子，中子再去轰击铀核发生链式反应，但发生链式反应还必须要使铀块体积大于临界体积，所以选项a、b、c错误，选项d正确4一个u原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为unxsr2n，则下列说法正确的是()ax的原子核中含有86个中子bx的原子核中含有141个核子c因为裂变释放能量，出现质量亏损，所以裂变后的总质量数减少du是天然放射性元素，它的半衰期约为7亿年，随着地球环境的不断变化，半衰期可能变短也可能变长解析：选a.x原子核中的核子数为2351942140，选项b错误；质子数为923854，中子数为1405486，选项a正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但总质量数不变，选项c错误；半衰期不随外界环境变化而变化，选项d错误5铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应：unab2n.则ab可能是()axekr bbakrcbasr dxesr解析：选d.利用质量数守恒和电荷数守恒可以判断出可能的核反应方程选项a不满足电荷数守恒也不满足质量数守恒，选项c不满足电荷数守恒；选项b不满足质量数守恒；只有选项d正确61个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 mev的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(na为阿伏加德罗常数)()ana196 mev b235na196 mevc235196 mev d196 mev解析：选d.1 g纯235u有na个235u.因此1 g 235u吸收中子完全发生核反应可以释放出196 mev能量二、多项选择题7对以下核反应方程，说法正确的是()ahhhen是聚变bunxesr2n是裂变cthrnhe是衰变dnamge是裂变解析：选abc.原子核的变化通常包括衰变、人工转变、裂变和聚变衰变是指原子核放出粒子或粒子后，变成新的原子核的变化，像本题中的c和d两选项；原子核的人工转变是指在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程裂变是重核分裂成质量较小的核，像b选项；聚变是轻核结合成质量较大的核，像a选项；由上述知a、b、c是正确的8中国科学界“两弹一星”巨星钱学森在2009年逝世，享年98岁人民群众深刻悼念这位有着“中国航天之父”称号的伟大科学家下列核反应方程中属研究两弹的基本核反应方程式的是()anheohbunsrxe10ncuthhedhhhen解析：选bd.“两弹”指原子弹和氢弹，它们的核反应属于重核的裂变与轻核的聚变，故应选b、d.9山东荣成石岛湾核电站总装机规模400万千瓦核电站与火电站相比较，其优势在于()a核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量b就可采储量来说，地球上核燃料资源远多于煤炭c核电站造成的污染远小于相等发电能力的火电站d核电站比火电站更容易建造解析：选abc.核电站与火电站相比，相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多，地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的15倍，只要措施得当，核电站造成的污染很小，核能属于清洁能源，选项a、b、c均正确；核电站的建造难度较大，选项d错误10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“人造太阳”的核反应方程是unbakr3nc“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是emc2d“人造太阳”核能大小的计算公式是emc2解析：选ac.“人造太阳”发生的是氢核聚变，所以核反应方程式为hhhen，而b选项中的核反应是核裂变，故b错误；“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是emc2，而核能大小的计算公式为emc2，d错误，故选项a、c正确三、非选择题11我国自行设计并研制的“人造太阳”托卡马克实验装置运行获得重大