高中物理第三章原子核3.6核聚变省公开课一等奖新名师获奖课件

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核聚变1/53一、核聚变1.核聚变:轻原子核聚合成_____原子核反应称为聚变反应,简称核聚变。2.轻核聚变必须在高温下进行,所以核聚变又叫_________。3.核反应举例:较重热核反应2/534.聚变与裂变相比有很多优点:(1)轻核聚变产能_______。(2)地球上聚变燃料储量_____。(3)轻核聚变更为___________。效率高丰富安全、清洁3/535.热核反应:实际举例(1)氢弹原理。(2)太阳内部核聚变释放核能。4/53二、可控核聚变反应研究进展1.我们把_________情况下释放能量装置,称为___________。2.一个被称作_________受控热核反应研究领先于其它路径。3.近年来重大突破是将_________成功地应用于产生_______________线圈上。受控聚变聚变反应堆托卡马克超导技术托卡马克强磁场5/53【判一判】(1)用加速器给氘核加速,很轻易发生聚变反应。(

)(2)托卡马克是利用电磁感应产生大电流对等离子体加热。(

)(3)当前,人类已经实现了受控热核聚变。(

)6/53提醒:(1)用加速器给氘核加速,加速了氘(H)核打在氚(H)核固体靶上,大部分能量会消耗在与电子碰撞上,发生聚变概率非常小,(1)错。(2)托卡马克是用电磁感应产生大电流对等离子进行加热,从而实现等离子体核燃料“点火”,(2)对。(3)当前,受控热核聚变还处于研究阶段,(3)错。7/53三、恒星演化中核反应1.引力坍缩:因为物质间_________而聚集到一起现象。2.供太阳发生核聚变过程燃料是___。太阳内部核聚变反应方程式为_______________。相互吸引氢8/53知识点一、核聚变与恒星演化思索探究:如图是1967年6月17日,我国第一颗氢弹爆炸成功图片资料,请思索以下问题:(1)氢弹威力相比原子弹威力哪一个大?(2)氢弹爆炸过程中核反应是怎样进行?9/53【归纳总结】1.从比结合能图线看,轻核聚变后比结合能增加,所以聚变反应是一个放能反应。比如,10/532.聚变发生条件:要使轻核聚变,必须使轻核靠近核力发生作用距离10-15m,这要克服电荷间强大斥力作用,要求使轻核含有足够大动能。要使原子核含有足够大动能,就要给它们加热,使物质到达几百万开尔文高温。11/533.12/534.恒星演化:13/53【典例探究】【典例】核聚变能是一个含有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势新能源。近年来,受控核聚变科学可行性已得到验证,当前正在突破关键技术,最终将建成商用核聚变电站。一个常见核聚变反应是由氢同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦,并释放一个中子。若已知氘原子质量为2.014u,14/53氚原子质量为3.0160u,氦原子质量为4.0026u,中子质量为1.0087u,1u=1.66×10-27kg。(1)写出氘和氚聚合反应方程。(2)试计算这个核反应释放出来能量。(3)若建一座功率为3.0×105kW核聚变电站,假设聚变所产生能量有二分之一变成了电能,每年要消耗多少质量氘?(一年按3.2×107s计算,光速c=3.00×108m/s,结果取两位有效数字)15/53【思绪点拨】解答该题应关注以下三点:(1)依据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程。(2)由爱因斯坦质能方程求解释放能量。(3)由功率意义求一年内核反应次数。

16/53【正确解答】(1)依据质量数和电荷数守恒,可得核反应方程为17/53(2)质量亏损Δm=m2+m3-m4-m1 =(2.014+3.0160-4.0026-1.0087)u =0.0187×1.66×10-27kg =3.1042×10-29kg依据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2核反应释放核能ΔE=Δmc2=3.1042×10-29×(3×108)2J=2.8×10-12J18/53(3)一年中产生电能发生核反应次数为n=所需氘质量m=n×m2×1.66×10-27kg=23kg.答案:(1)(2)2.8×10-12J

(3)23kg19/53【总结提升】轻核聚变释放核能计算(1)正确书写核反应方程式是解题前提。书写核反应方程式时,要明确反应物和生成物,并注意它们元素符号,尤其是同位素,不要忘记依据质量数守恒与电荷数守恒配平方程式。20/53(2)核能计算式要选取正确单位。在利用ΔE=Δmc2进行计算时,若Δm取kg为单位,则c单位为m/s;若质量单位用原子质量单位u,则要利用1u相当于931.5MeV计算核能。

21/53【赔偿训练】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.(1)写出聚变方程.(2)求释放出核能多大.(3)求平均每个核子释放能量是多大.22/53【解析】(1)聚变方程(2)质量亏损Δm=mH+2mn-m=(1.0073+2×1.0087-3.0180)u=0.0067u,释放核能ΔE=Δmc2=0.0067×931.5MeV≈6.24MeV。(3)平均每个核子放出能量为MeV=2.08MeV.答案:(1)(2)6.24MeV(3)2.08MeV

23/53【过关训练】氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大能量,该反应方程为:,式中x是某种粒子。已知:和粒子x质量分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u;1u=c是真空中光速。由上述反应方程和数据可知,粒子x是____,该反应释放出能量为____MeV(结果保留3位有效数字)。24/53【解析】依据质量数和电荷数守恒可得x是(中子)。核反应中质量亏损为Δm=(2.0141u+3.0161u-4.0026u-1.0087u)=0.0189u所以该反应释放出能量为ΔE=Δm·c2=17.6MeV答案:(1)(或中子)

17.625/53知识点二、可控核聚变反应研究进展思索探究:如图描述是我国第一颗氢弹爆炸成功消息传出后,人们欢呼庆贺场景,请思索以下问题:(1)氢弹爆炸时,核能释放速度应该快还是慢?(2)当前,人们能否有效地控制核聚变速度?26/53【归纳总结】1.核子聚变条件:要使核子发生聚变,必须使核子靠近核力能发生作用范围。2.聚变反应堆:受控聚变情况下释放能量装置。27/533.聚变反应堆研究进展:(1)托卡马克受控热核反应研究领先于其它路径。(2)环流器:托卡马克是一个环形磁约束受控热核反应装置。28/53(3)环流器原理:在这种装置中,等离子体被不一样方向磁场约束在一个环管状金属反应室中,用电磁感应产生大电流对等离子体进行加热,从而实现等离子体热核燃料“点火”。(4)超导托卡马克:将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场线圈上制成。29/534.核聚变是一个安全、不产生放射性物质、原料成本低廉能源,是人类未来能源希望。30/53【典例探究】【典例】(·全国卷Ⅱ)在以下描述核过程方程中,属于α衰变是________,属于β衰变是________,属于裂变是________,属于聚变是________。31/5332/53【正确解答】原子核发生α衰变会产生一个新核和

,所以选项C是α衰变;原子核发生β衰变会产生一个新核和,所以A、B选项为β衰变;重核被轰击后,发生裂变会产生几个质量差不多新核,所以选项E为裂变;两个轻核结合成质量较大核核反应,为核聚变,所以选项F为核聚变。答案:C

A、B

E

F33/53【过关训练】(多项选择)能源是社会发展基础,发展核能是处理能源问题路径之一,以下释放核能反应方程,表述正确有(

)34/5335/53【解析】选A、C。两个轻核聚合成一个较重核反应为核聚变反应,故A对B错。重核被中子轰击后分裂成两个中等质量原子核并放出若干个中子反应为核裂变反应,故C对。原子核放出α或β粒子后变成另一个原子核反应称为原子核衰变。原子核衰变反应物只有一个,故D错。36/53【赔偿训练】我国自行设计、研制“人造太阳”装置——全超导非圆截面核聚变试验装置(EAST)成为世界上第一个同时含有全超导磁体和主动冷却结构核聚变试验装置.它建成使我国迈入磁约束核聚变领域先进国家行列.以下关于“人造太阳”说法正确是(

)37/53A.“人造太阳”核反应方程是B.“人造太阳”核反应方程是C.“人造太阳”核能大小计算公式是E=mc2D.“人造太阳”释放能量大小计算公式是ΔE=Δmc238/53【解析】选B、D.“人造太阳”内进行是核聚变反应,故A错误,B正确.核反应放出能量应由爱因斯坦质能方程计算,C错误,D正确.39/53【温馨提醒】轻核发生聚变反应时,一样满足能量守恒和动量守恒,所以聚变反应经常与能量、动量结合起来进行考查。

40/53【拓展例题】考查内容:能量守恒与轻核聚变反应综合应用两个动能均为1MeV氘核发生正面碰撞,引发以下反应:已知:氘核质量为2.0136u,氚核质量为3.0156u,氢核质量为1.0073u,1原子质量单位(u)相当于931.5MeV.试求41/53(1)此核反应中放出能量ΔE为多少MeV?(2)若放出能量全部变为新生核动能,则新生氢核所含有动能为多少MeV?42/53【思绪点拨】氘核碰撞过程动量守恒,找到新生核动能与其动量关系,进而找到两新生核动能之间关系.43/53【正确解答】(1)由质能方程,核反应中放出能量为:ΔE=Δm×931.5MeV=(2×2.0136u-3.0156u-1.0073u)×931.5MeV=4.005MeV.44/53(2)相互作用过程中动量守恒p1=p2新生氚核动能:新生氢核动能:由能量守恒得:2Ek+ΔE=代入数据得新生氢核动能:=4.5MeV答案:(1)4.005MeV

(2)4.5MeV45/53轻核聚变与重核裂变区分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原子核,放出核能两个轻核结合成质量较大原子核,放出核能46/53反应方式比较项目重核裂变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能量大约要大3倍～4倍核废料处理难度聚变反应核废料处理要比裂变反应简单得多47/53反应方式比较项目重核裂变轻核聚变原料蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限,尤其用于核裂变铀235在铀矿石中只占0.7%主要原料是氘,氘在地球上储量非常丰富.1L海水中大约有0.03g氘,假如用来进行热核反应,放出能量约与燃烧300L汽油相当48/53反应方式比较项目重核裂变轻核聚变可控性速度比较轻易进行人工控制,现在核电站都是用裂变反应释放核能当前,除氢弹以外,人们还不能控制它49/53【案例展示】下面关于原子核裂变和聚变说法,正确是(

)A.重核裂变和轻核聚变都放出核能,但地球上裂变材料比聚变材料丰富得多B.当前人类建成核电站全部是利用重核裂变放出能量来发电50/53C.要使轻原子核发生聚变,必须使它们之间距离最少靠近到10-10mD.太阳发出光和热主要来自太阳内部原子核聚变反应51/53【正确解答】选B、D。裂变材料是铀,