【同步】高中物理鲁科版(2019)选择性必修3：第5章第4节核裂变和核聚变第5节核能的利用与环境保护课件

第5章第4节核裂变和核聚变第5节核能的利用与环境保护课标要求1.知道重核裂变和轻核聚变。(物理观念)2.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。(物理观念)3.了解核能的利用与环境保护。(物理观念)基础落实·必备知识全过关重难探究·能力素养全提升目录索引

学以致用·随堂检测全达标基础落实·必备知识全过关一、重核裂变1.核裂变:用

轰击铀核,铀核分裂成两个质量相近的两部分,这种核反应过程称为核裂变。

2.铀核裂变:用中子轰击铀核时,铀核发生裂变,其产物是多种多样的,其中一种典型的反应是

。

中子

二、链式反应1.链式反应:当一个

引起一个重核

后,裂变释放的______

再引起其他重核

,且能不断继续下去,这种反应叫核裂变的链式反应。

2.临界体积:能发生裂变反应的铀块的

称为临界体积。

3.链式反应的条件:发生裂变物质的体积不小于

。

三、轻核聚变1.核聚变:采用轻核聚变成较重核引起结合能变化的方式可获得核能,这样的核反应称为核聚变。2.氢核聚变的核反应方程为

。

中子

裂变中子

裂变最小体积临界体积四、可控热核聚变1.使轻核发生聚变的条件:必须使它们的间距达到核力作用的范围。2.控制方法:①引力约束;②磁约束;③惯性约束。五、核能的利用与环境保护1.核电站:将核反应堆释放的核能转化为电能的发电厂。2.核能的优势:产热效率高、安全运行的情况下污染小。3.核污染的处理:在反应堆的外面需要修建很厚的

,用来屏蔽裂变反应放出的各种射线,核废料具有很强的

,需要装入特制的容器,深埋地下。

水泥层

放射性易错辨析

判一判(1)铀块的体积不小于临界体积时链式反应才能不停地进行下去。(

)(2)中子的速度越快,越容易发生铀核裂变。(

)(3)核聚变时吸收能量。(

)(4)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。(

)√提示

中子的速度太快,不易被铀核俘获,不容易发生铀核裂变。

提示

核聚变时放出能量。

××√即学即用

练一练(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是(

)A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定分裂为质量差不多的两部分B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应BC解析

用中子轰击

等少数重核元素才能发生裂变反应,铀核裂变时可能分裂为两部分、三部分或四部分,但产生两部分的概率最大,A、D错误,C正确;铀核裂变为中等质量的原子核时一定释放能量,B正确。重难探究·能力素养全提升探究一核裂变情境探究如图所示为铀核核裂变示意图。

(1)铀核裂变是如何发生的?写出上图所示铀核裂变的核反应方程。要点提示

只有铀块体积不小于临界体积才能发生链式反应。

(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗?要点提示

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。知识归纳1.铀核的裂变和裂变方程(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2或3个中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变就会不断地进行下去,释放出越来越多的核能。(3)常见的裂变方程

2.链式反应的条件(1)铀块的体积不小于临界体积。(2)铀块的质量不小于临界质量。画龙点睛

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。

应用体验典例1

关于重核的裂变,以下说法正确的是(

)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,所以核子数要减少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D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,其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量。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,碰不到原子核,则链粒子质量分别为mU=235.043

9

u,mn=1.008

67

u,mSr=89.907

7

u,mXe=135.907

2

u,质量亏损为Δm=(mU+mn)-(mSr+mXe+10mn)=0.150

97

u。可见铀核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,D正确。规律方法

裂变问题的分析方法1.对于裂变问题,要知道是什么原子核发生了裂变,写出原子核的裂变方程,应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒;更应该注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造,并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生。2.根据质能方程ΔE=Δmc2,由反应前后原子核的质量亏损,可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。针对训练1原子弹和核能发电的工作原理都是核裂变。一种典型的铀核裂变的核反A.X原子核中含有86个中子,裂变后的总质量数减少B.X原子核中含有144个核子,裂变后的总质量不变C.X原子核中含有144个核子,裂变后的总质量减少D.X原子核中含有86个中子,裂变后的总质量数增加C解析

铀核裂变反应过程中,质量数守恒,X的质量数235+1-89-3=144,可知X原子核中含有144个核子;电荷数守恒,92-36=56,所以X中的中子数为144-56=88,即X原子核中含有88个中子,在核反应的过程中,质量数是守恒的。总质量数既不减小,也不增加,存在质量亏损,故C正确,A、B、D错误。探究二核聚变和核能的计算情境探究万物生长靠太阳。太阳在我们日常生活中是不可替代的,它提供给地球足够的能源,一旦没有了太阳,地球上的一切生物都将随之消失。你知道太阳的能量来源吗?要点提示

来源于太阳内部的核聚变反应。

知识归纳1.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10-15

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。2.轻核聚变是放能反应: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放能反应。3.聚变方程

质量数守恒,电荷数守恒

4.重核裂变与轻核聚变的区别

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可控性速度比较容易进行人工控制,现在的核电站都是用重核裂变反应释放核能目前人们还不能控制轻核聚变放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3~4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应用体验典例2

太阳能源于其内部的聚变反应,太阳质量也随之不断减少。设每次聚变反应可看作4个氢核结合成1个氦核,太阳每秒钟辐射的能量约为4.0×1026J,下列说法正确的是(

)A.该聚变反应在常温下也容易发生B.太阳每秒钟减少的质量约4.4×109kgD.目前核电站采用的核燃料主要是氢核

B解析

核聚变反应也叫热核反应,聚变反应必须在很高的温度下才能发生,温度要达到几百万开尔文才可以,故A错误;根据ΔE=Δmc2可得太阳每秒钟减少的质量约为Δm=

kg=4.4×109

kg,故B正确;根据氢核的聚变过程中,质量数和电荷数守恒可知其反应方程为

,故C错误;目前核电站采用的核燃料主要是铀原子核,因为重核裂变反应是可控的,故D错误。针对训练2两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)。已知氘核质量mD=2.0136u,氦核质量mHe=3.0150u,中子质量mn=1.0087u。(1)写出聚变方程并算出释放的核能;(已知质量亏损1u释放的核能为931.5MeV)(2)若反应前两个氘核的动能均为EkD=0.35MeV。它们正面对撞发生聚变,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?该反应质量亏损Δm=2mD-mHe-mn=0.003

5

u由质能方程得释放核能ΔE=Δm×931.5

MeV=0.003

5×931.5

MeV=3.26

MeV。(2)将两个氘核作为一个系统,由动量守恒有

代入数据可得EkHe=0.99

MeV,Ekn=2.97

MeV。

学以致用·随堂检测全达标1231.(多选)下列说法正确的是(

)A.聚变反应中有质量亏损,所以必向外界放出能量B.要使核发生聚变反应,必须使核之间的距离接近到1×10-15m,也就是接近到核力能够发生作用的范围内C.要使核发生聚变反应,必须克服核力做功D.热核反应只有在人工控制下才能发生AB解析

由质能方程可知,选项A正确;轻核结合成质量较大的核,必须使轻核间的距离达到核力能发生作用的范围,才能使它们紧密地结合起来,选项B正确,C错误;热核反应必须在很高的温度下才能发生,不一定要人工控制,选项D错误。1232.关于对下列核反应方程式的描述,正确的是(

)A1231233.(多选)关于重核裂变的说法正确的是(

)A.重核裂变为两个中等质量的核时,重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多B.只要用中子轰击