2022-2023学年粤教版（2019）选择性必修第三册 5.5裂变和聚变 课件（34张PPT）

第五章

原子与原子核第五节

裂变和聚变粤教版（2019）高中物理选择性必修第三册原子核中蕴藏着巨大的能量，那么，怎样才能让这些能量有效释放出来从而造福人类呢？原子核中的质子数又称为原子序数，这是因为它与元素周期表中元素的排列序号一致。一般排在周期表前面的轻核，其质子和中子数相等(N=Z)，例如，氦4的原子核有2个质子和2个中子，硅28各有14个质子和中子.但是大多数重核是中子多于质子，例如，金197有79个质子和118个中子，铀238有92个质子和146个中子排在第83号元素铋之后的原子核不稳定，它们会自发裂变或衰变成更轻的原子核。排在第92号元素铀之后的原子核十分不稳定，很难在自然状态下存在。如第94号元素钚是人工制造出来的，主要用于核武器，目前在自然界中尚没有找到。一、核裂变与链式反应由原子核的比结合能随质量数的变化曲线可知，原子核的比结合能在中等质量(A=56，Fe元素)处有极大值。这意味着比铁原子核重的一个重核分裂成两个较轻的核时，会释放出能量，我们把这种核反应叫作核裂变。同样地，比铁原子核轻的两个轻核聚合成一个较重的核时，也会释放出能量，我们把这种核反应叫作核聚变。比结合能小的重核裂变为两个较轻的原子核，为什么质量会发生亏损而释放能量？讨论：【理论·探究】一个原子核裂变所产生的能量，与日常生活的耗能相比是微不足道的。但由于物质所含的核子数目是十分巨大的，其单位质量所放出的能量也就十分惊人。为了使裂变产生的能量可以被利用，必须让一个原子核的裂变引发其他原子核发生裂变，让核裂变过程自己持续下去，源源不断地将核能释放出来(如图5-5-1所示)。这样的核反应叫作链式反应。

铀核裂变时，同时放出2~3个中子，有时甚至可以放出更多的中子。如果这些中子再引起其他铀235发生核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，形成链式反应。在天然铀中，主要有两种同位素，其中99.3%是铀238，0.7%是铀235。这两种铀跟中子的作用很不相同，铀235俘获各种能量的中子时都可能发生裂变。铀238只有俘获能量大于1MeV的中子才可能发生裂变。能量低于1MeV的中子跟铀238基本上只发生弹性碰撞，不引起核反应、因此，为了使裂变的链式反应容易发生，最好是利用高浓度铀235。铀块的体积对于产生链式反应也是一个重要因素。因为原子核非常小，如果铀块的体积不够大，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。能够发生链式反应的铀块最小体积叫作它的临界体积。如果铀235的体积超过了它的临界体积，只要有中子进入铀块，就会立即引起铀核的链式反应，在极短时间内就会释放出大量的核能，发生猛烈的爆炸，原子弹就是根据这个原理制成的。二、核聚变及受控热核反应

该过程约释放出17.6MeV的结合能。聚变时每个核子平均释放的结合能要比重核裂变时每个核子平均释放的结合能大3~4倍。

人工的热核反应可以通过原子弹爆炸时产生的高温来达到，氢弹就是这样制成的。如果热核反应所释放的巨大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（例如发电），这被称为受控热核反应。目前，受控热核反应是一项正在研究的尖端课题，其应用前景十分诱人，可彻底解决人类未来的能源问题，因此受到各国的高度重视。三、核能利用目前，人类主要是开发利用核裂变，还无法有效控制利用核聚变。原子弹爆炸时链式反应的速度是不加控制的，为了人工控制链式反应的速度，使核能平缓地释放出来，人们制成了核反应堆。如图5-5-3所示是热中子反应堆示意图。热中子反应堆用的铀棒是天然铀或浓缩铀(其中铀235的含量约为3%)。由于裂变产生的是速度很大的快中子，很容易被铀238俘获而不发生裂变，所以必须设法使中子在碰上铀238前降低速度。为此在铀棒的周围放上原子量比较小又不吸收或很少吸收中子的物体，如石墨、重水，快中子跟这些物体的原子核碰撞后，能量减小，变成慢中子，或称热中子。这种用来使中子减速的物体叫作慢化剂。慢中子碰到铀238时会弹射回来，却容易被铀235俘获而引起裂变。为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些；当反应过于缓慢，达不到所需功率时，将镉棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应速度就会增大。这种镉棒被称为控制棒。用电子仪器自动地调节控制棒，就能使反应堆保持一定的功率输出而安全地运行。核反应堆工作时，核燃料裂变释放出的核能转变为热能，使反应堆的温度升高。水、液态钠等流体在反应堆内外循环流动，不断地带走热能，输出的热能可用于发电。为了防止铀核裂变物放出的各种射线对人体产生危害，在核反应堆的外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线，不让它们透射出来。对放射性的废料，也要装入特制的容器中，埋入深地层来处理。利用核反应堆工作时释放出的热能，可以使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站。核电站消耗的“燃料”很少，一座百万千瓦的核电站，每年只消耗30吨左右浓缩铀，而同样功率的火力发电站，每年却要消耗250万吨煤。目前，核能发电的经济效益跟火电站大体相同。为了适应我国现代化建设对能源日益增长的需要，我国已于沿海地区建成投产多座核电站。把核反应堆小型化，可以用于核动力潜艇、核动力破冰船和核动力航空母舰

1.下列说法正确的是（）A．结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定B．核聚变又叫热核反应，太阳就是一个热核反应堆C．发生光电效应时入射光越强，光电子的最大初动能越大D．卢瑟福的原子核式结构模型可以解释原子的稳定性，但无法解释原子光谱的分立特征B课堂练习2.2021年12月6日，全球第一台“华龙一号”核电机组——中核集团福建福清核电5号机组首个燃料循环结束，开始首次换料大修。如图为普通核反应堆的结构示意图，通过铀235链式反应实现核能的可控释放。下列说法正确的是（）A．镉棒通过改变中子的数量来控制反应速度B．中子速度越快越容易使链式反应发生C．正常运行的反应堆水泥防护层外会检测到大量α粒子D．铀核裂变时释放能量的多少与产物种类无关A课堂练习3.下列说法正确的是（）A．氢原子的发射光谱是连续谱B．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核裂变C．目前核电站利用的核反应是核聚变，核燃料为氘D．一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，是因为该光的频率小于金属的截止频率D

4.2021年11月3日上午，清华大学王大中院士在北京人民大会堂被授于2020年度国家最高科学技术奖，王大中院士领导清华大学核能研究团队以提高核能安全性为主要学术理念，成功走出了一条以固有安全为主要特征的先进核能技术的发展之路。下列有关核反应的说法，正确的是（）A．铀核的衰变和裂变都能自发发生B．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加C．温度升高，铀核的半衰期将逐渐减小D．要使重核裂变产生链式反应，需用α粒子轰击重核B5.下列说法中正确的是（）A．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核聚变反应B．几个核子结合成原子核的过程一定有质量亏损，需要吸收能量C．知道氡元素的半衰期我们就能知道一个氡原子核将何时发生衰变D．大量处于n=3能级的氢原子自发跃迁，可能辐射2种不同频率的光A6.1999年9月，日本发生严重的核泄漏，这是和工厂将核原料（六氟化钠）提炼成核反应材料（二氟化铀）时操作失误造成的，工作人员在一个加工炉中投入16kg的核原料，大大超过了规定标准，从而造成了核泄漏，这个标准是（）A．临界体积 B．临界压强C．临界温度 D．由一定的温度、体积和压强共同确定A7.2022年3月11日，辽宁省红沿河核电厂核能供暖项目进入了实质性推进阶段。该项目提高了地方集中供热能力和市政基础配套设施水平，还将助力地方践行“双碳”目标，从而为我国在东北地区实施长距离、大温差核能供热提供有力的先行示范。下列说法正确的是（）A．核反应过程中原子核的质量和质量数均减少B．原子核比结合能越大，核子的平均质量越小，原子核越稳定C．红沿河核电厂的原理是热核反应D．核裂变反应中，反应物的结合能之和大于生成物的结合能之和B8.重核裂变和轻核聚变是人类获得核能的两种主要途径，关于裂变和聚变，下列说法正确的是（）A．裂变释放能量，聚变吸收能量B．裂变过程有质量亏损，聚变过程无质量亏损C．裂变和聚变都可以释放出巨大的能量D．太阳能来源于太阳内部发生的核裂变C9.2022年1月3日，联合国安理会5个常任理事国美中俄英法罕见发表联合声明，表达防止核武器扩散决心。关于核反应和核能，下列说法正确的是（）A．原子弹和氢弹都能瞬间放出巨大的能量，但原理不同。前者是利用了核聚变，后者是利用核裂变B．核动力航空母舰的动力装置是核反应堆，常用核反应堆中是用镉棒来控制核裂变的反应速度C．目前核电站是采用核裂变的链式反应，当铀块的体积小于临界体积时就会发生链式反应放出巨大能量D．原子核在超高温下才能发生聚变，说明核聚变过程需要吸收能量B10.2021年5月我国的“人造太阳”工程成功创造了新的世界纪录，实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子运行。“人造太阳”其实是一种全超导托卡马克核聚变实验装置，以上纪录的创造标志着我国核聚变能源开发技术水平进入世界先进行列。下列关于核聚变的说法正确的是（）A．我国的大亚湾核电站采用的是核聚变技术进行发电的B．任何两个原子核都可以发生聚变C．两个轻核结合成质量较大的原子核，核子的比结合能一定增大D．两个轻核结合成质量较大的原子核，大核的质量与两轻核的质量之和相等C课堂小结

课堂小结二、反应堆与核电站1．核电站：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：石墨、重水和普通水(也叫轻水)。(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。课堂小结2．工作原理核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高，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。3．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。课堂小结

课堂小结6．核聚变与核裂变的比较(1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘和氚的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁。(2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。解决方案：磁约束和惯性约束。课堂训练1.2019年新中国成立70周年之际，“两弹一星”元勋程开甲被授予“人民科学家”国家荣誉称号，程开甲曾参与了我国第一颗原子弹的研制，还参与主持了氢弹、两弹结合等多种实验方式的30多次核试验，在我国的核事业发展上立下累累功勋，被称为中国“核司令”。关于核知识的叙述，下列说法不正确的是（）A．太阳中的能量主要来源于氢核的聚变，发生聚变后产生的新核的比结合能增大B．大多数核电站的能量来源于重核裂变，发生裂变后产生的新核的比结合能减小C．核聚变与核裂变都发生了质量的亏损D．原子核的结合能是指组成原子核的所有核子所具有的能量之和BD课堂训练2.2021年5月28日，中国在核聚变研究领域获得重大突破，全超导核聚变实验装置（EAST）成功实现了1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。关于核聚变，下列说法中正确的是（）A．恒星的内部进行着核聚变反应B．核聚变和核裂变互为逆过程C．核聚变过程中质量数守恒，电荷数守恒D．核聚变过程中存在质量亏损，亏损的质量转化成了能量AC课堂训练3.2020年11月27日00时41分，华龙一号全球首堆中核集团福清核电5号机组首次并网成功。如图所示是原子核的比结合能与质量数的关系图，下列说法正确的是（）A．核反应中，质量数守恒，电荷数守恒B．华龙一号的原理是热核反应C．原子核比结合能越大，核子的平均质量越小，原子核越稳定D．核裂变反应发生中，反应物的结合能之和大于生成物的结合能之和AC课堂训练4.2021年10月5日，诺贝尔物理学奖颁给了分别来自美国、德国、意大利的三位科学家，其中意大利科学家乔治·帕里西因发现了“从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用”而获奖。下列有关原子和近代物理的说法正确的是（）A．光电效应说明光具有波动性B．α粒子散射实验说明原子具有核式结构C．现有的核电站都是利用核裂变来发电的D．β射线是原子核外电子逸出的电子流BC课堂训练5.铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应被定名为核裂变。1947年我国科学家钱三强、何泽慧在实验中观察到铀核也可以分裂为三部分或四部分。关于铀核的裂变，下列说法正确的是（）A．裂变的产物不是唯一的B．裂变的同