2017-2018学年高中物理第四章原子核4.5裂变和聚变教学案粤教版选修3-5

1、第五节裂变和聚变目标定位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 会计算裂变、聚变所释放的能量.預习导学粧汉记鳥按一、 核裂变与链式反应1.核裂变比较重的一个核分裂为两个较轻的核并释放出能量的反应.预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中问题 1问题 2问题 3、对核裂变和链式反应的理解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23 个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变

2、就会不断地进行下去，形成链式反应.3能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量一般来说，平均每个核子放出的能量约为1 MeV, 1 kg 铀 235 全部裂变放出的能量相当于2 800 t 优质煤燃烧时释放的能量，裂变时能产生几万度的高温.4用中子轰击铀核时，铀核裂变的产物是多种多样的，其中两种典型的反应是：235. 114489192U+on56Ba+36Kr + 3on;?U+in 1546Xe+38Sr + 100n【例 1】关于重核的裂变，下列说法正确的是()A. 核裂变时释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B. 重核裂变时释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，所以核

3、子数减少C.铀核自发放出a粒子、3粒子时要释放能量，核电站利用的就是这一能量D. 重核的平均结合能小于中等质量核的平均结合能，所以重核裂变成中等质量核时，要放出核能，有质量亏损答案 D肄难问题卡片2解析将重核分成核子时比中等质量核分成核子时每个核子平均吸收的能量小些，可见由重核裂变成两个中等质量的核要放出能量，选项 D 正确；铀核裂变放出的能量是原子核的核能，而不是中子具有的动能，选项 A 错误；裂变过程遵守质量数、电荷数守恒规律，B 错误；衰变是自发的现象，铀核衰变后的新核仍是重核，而核电站利用的是裂变核能，选项C 错误.借题发挥 重核裂变的实质(1) 重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，

4、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，根本原因是重核的平均结合能相比中等质量的核的平均结合能要小.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.【例 2】 用中子轰击铀核(U)，其中的一个可能反应是分裂成钡 (1561Ba)和氟(；6心)两部分, 放出 3个中子各个核和中子的质量如下：-2727mu=390.313 9 x10kg,mn=1.674 9x10 kg;mBa=234.001 6x1027kg,mKr=152.604 7x1027kg.试写出核

5、反应方程，求出反应中释放的核能.答案0n + 雰一1Ba+32Kr + 3：n 3.220 2x1011J解析根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒，就可以写出核反应方程. 铀核裂变方程为0n+g2u15eBa+36Kr + 30n,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27 .mi=mU+mBamKr3im=0.357 8x10 kg.由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为227Q 2E= me=0.357 8x10 x(3x10 ) J11=3.220 2x10 J.二、核聚变及核能的计算1. 聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻

6、核接近核力发生作用的距离1015m,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能反应.3聚变方程2 34131H+1H2He+on+Y.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4【例 3】

7、 以下说法正确的是()A. 聚变是裂变的逆反应B. 如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量C. 聚变须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量D. 裂变与聚变均可释放巨大的能量答案 D解析 从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同.裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应，A 选项错误；裂变与聚变都释放能量，B 选项错误；要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量.但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量因此，总的来说，聚变反应还是释放能量，C 选项错误

8、.【例 4】一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量nH= 1.007 3 u，中子质量m= 1.008 7 u，氚核质量m= 3.018 0 u .求：(1) 写出聚变方程；(2) 释放出的核能多大？(3) 平均每个核子释放的能量是多大？113答案(1)1H+ 20n 1H (2)6.24 MeV(3)2.08 MeV解析(1)聚变方程1H+ 20n ?H.质量亏损 mm+ 2mmr= (1.007 3 + 2X1.008 7 3.018 0) u = 0.006 7 u ,释放的核能E= AmC=0.006 7X931.5 MeV6.24 MeV.6 24平均每个核子放出的能量为Me

9、V= 2.08 MeV.3对核裂变的理解1.(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中一种裂变反应为U+in 一15?Ba+89Kr +3in，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 答案 AC解析 从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出,对点练习A 对；铀块体积对链式反应应用反债5的发生有影响，B 错；铀核的链式反应可人工控制，C 对；铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，D 错.对核聚变的理解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

10、全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为2：H 21H+；He,关于2He 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2He 聚变反应发电答案 B解析 核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，这是人类利用核能的途径之一.目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电.3.太阳不断地向外辐射能量，仍保持1 千万度以上的高温，其主要原因是太阳内部进行着剧烈的（）A.衰变反应B.人工核反应C.裂变反应D.热核反应答案 D核聚变释放的核能的计算4.氘核（2H）和氚核（3H）

11、结合成氦核（2He）的核反应方程如下：治+14He+in + 17.6 MeV（1）这个核反应称为 _.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17.6 MeV 是核反应中_ （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 _（填“增加”或“减少”）了 _kg（保留一位有效数字）.答案（1）聚变（2）放出 减少 3X1029解析 在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由E=AmC,可以求得Am=A2E= 3x10_29kg.c題组Dll练护“ 嵯町（时间：60 分钟）题组一对核裂变的理解61.裂变反应中释放出的能量来自于（）A. 核子消

12、失转化为能量B. 原子中电子与原子核的电势能减小7C. 入射的中子消失转化为能量D. 原子核的平均结合能变大，释放出能量答案 D解析 发生核反应过程中，核子数保持守恒，中子未消失，故A、C 错误；能量来自于原子核内部，因重核在分裂为中等质量的原子核时，平均结合能增加而释放出能量，C 错误， D正确2(多选)当一个重核裂变时，它能产生的两个核A. 定是稳定的B. 所含有的中子数较裂变前重核的中子数少C. 裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量D 可以是多种形式的两个核的组合答案 BD解析 重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出重核减少，重核裂变的产物是多种多样的，选项3 铀核裂变时，关于产生链

13、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 答案 C解析 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或铀块的质量大于临界质 量，只要组成铀块的体积小于临界体积， 或质量小于临界质量就不会发生链式反应， 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， 如果铀块的质量大， 则其体 积大，若超过临界体积则能够发生链式反应，由此知A、B D 错误，C 正确.4. 一个2SU核

14、在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为235U+冷一 X+38Sr+ 2：n,则下列叙述正确的是()A. X 原子核中含有 86 个中子B. X 原子核中含有 141 个核子C.因为裂变时释放能量，根据E= mC,所以裂变后的总质量数增加D 因为裂变时释放能量，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(235 + 1) (94 + 2) = 140, B 错误；中子数为 140 (92 38) =86，故 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，故C D 错23 个中子，故两核中子数会比原来的B、 D 正确8误5.现有的核电

15、站常用的核反应之一是：92U+on60Nd+Zr+3on+8-ie+ v(1)核反应方程中的V是反中微子，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；已知铀核的质量为 235.043 9 u，中子的质量为 1.008 7 u，钕(Nd)核的质量为 142.9098 u ,锆核的质量为 89.904 7 u ，试计算 1 kg 铀 235 裂变释放的能量为多少？答案 (1)4090(2)8.1X10 J解析(1)锆的电荷数 Z= 92 - 60 + 8= 40 ,质量数 A= 236- 146= 90.核反应方程中用符号90Zr 表示.(2)1 kg 铀 235 中铀核的个数为

16、_ 1n=235.043 9X1.660 6X10不考虑核反应中生成的电子质量，1 个铀 235 核裂变产生的质量亏损为m= 0.212 u ,释放的能量为E=0.212X931.5 MeV=197.5 MeV则 1 kg 铀 235 完全裂变释放的能量为2413E=nAE=2.56X10X197.5 MeV=8.1X10 J.题组二对核聚变的理解6关于核聚变，以下说法不正确的是()A. 与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁B. 世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站C.要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10-15m 以内，核力才能起作用D. 地球聚变燃料的储量十分丰富，从海水中可以

17、提炼出大量核聚变所需的氘核 答案 B解析 与裂变相比，核聚变有下面的几个优势：(1)安全、清洁、辐射少；(2)核燃料储量多;(3)核废料易处理但核聚变发电还没有投入实际运行所以B 项是不正确的.7.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，聚变过程质量亏损24人刃9B. 裂变过程质量亏损，聚变过程质量增加C. 裂变过程和聚变过程都有质量增加D. 裂变过程和聚变过程都有质量亏损10答案 D解析重核裂变和轻核聚变都能释放巨大的能量，由爱因斯坦质能方程知两过程均会有质量亏损.& （多选）下列说法正确的是（）A. N+1H ?C+2He是 a 衰

18、变方程B.iH+1H2He+Y是核聚变反应方程C.292U鬻 Th+2He 是核裂变反应方程D.2He+13AI 15P+in 是原子核的人工转变方程答案 BD解析 选项 A、D 为原子核的人工转变，选项B 为轻核聚变，选项 C 为原子核的衰变，故选项 B、D 正确.9 .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；H+咯一-173N11512+Q,iH+7N6C+ X+Q方程中Q、Q表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：原子核；H3He4He6C13KI7N15KI7N质量/u1.007 83.016 04.002 612.000 013.005 715.000 1以

19、下推断正确的是（）3A. X 是2He,QQ4B. X 是2He,QQC. X 是3He,QQD. X 是4He,QQ答案 B解析 根据核反应中质量数与电荷数守恒求得新核X 的质量数为 4、电何数为 2,即 X 是2He；根据表中提供的数据， 可以求得第 2 个核反应的质量亏损大， 根据爱因斯坦质能方程必然有Q2He+ 2+0e,由此可知，平均每个氢核反应释放出的能量为62.8x105E）=4-eV=7x105eV1 g 氢核（即 1 mol）所包含的氢核的粒子个数为6.0 x1023个.应释放出的总能量E为：5232910E=7X10 x6.0 x10 eV=4.2x10 eV=6.72x10 J.题组三综合应用11=3.015 0 u ，中子质量mn= 1.008 7 u.(1) 计算释放出的结合能；若反应前两氘核的动能均为乐=0.35 MeV 它们正撞发生聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？答案(1)3.26 MeV (2)0.99 MeV 2.97 MeV解析(1)核反应方