讲学案：5.4核裂变与核聚变

学而优教有方解析版第五章原子核第4节核裂变与核聚变【核心素养目标】物理观念知道什么是核裂变、核聚变和链式反应，知道链式反应和核聚变的条件.科学思维会书写核裂变和核聚变方程，会利用质量亏损计算核裂变和核聚变产生的核能.科学探究了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度．科学态度与责任通过核裂变与核聚变知识应用的实例，感受物理中科学技术与社会的紧密联系，体会科学知识的应用价值，进一步增强学生的学习动力和科学意识。知识点一核裂变及链式反应【情境导入】如图为铀核裂变示意图．(1)铀核裂变是如何发生的？试写出一种铀核裂变的核反应方程．(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？答案(1)当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复合核，复合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，核裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应．eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\ar(1,0)n→eq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\ar(89,36)Kr＋3eq\o\ar(1,0)n(2)不是，铀块体积还须大于或等于临界体积．【知识梳理】1．核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变．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eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\ar(1,0)n→eq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\ar(89,36)Kr＋3eq\o\ar(1,0)n.3．链式反应中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应．4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量．【重难诠释】1．典型的核裂变方程(1)eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\ar(1,0)n→eq\o\ar(139,54)Xe＋eq\o\ar(95,38)Sr＋2eq\o\ar(1,0)n(2)eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\ar(1,0)n→eq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\ar(89,36)Kr＋3eq\o\ar(1,0)n2．核能的释放由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中等质量的原子核时，会发生质量亏损，释放核能．3．链式反应发生的条件(1)铀块的体积大于或等于临界体积．(2)有足够浓度的铀235.(3)有足够数量的慢中子．4．核裂变反应的能量大小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．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200MeV估算，1kg铀235全部发生核裂变放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能．【典例精析】例1．铀核裂变的许多核反应中的其中一个是eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\ar(1,0)n→eq\o\ar(141,56)Ba＋eq\o\ar(92,36)Kr＋3eq\o\ar(1,0)n.140.9139u、91.8973u、1.0087u,1u相当于931.5MeV能量)；(2)1kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于完全燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107J/kg)【答案】(1)200.6MeV(2)5.14×1026MeV相当于完全燃烧2797.3t煤【解析】(1)裂变反应的质量亏损为Δm＝(235.0439＋1.0087－140.9139－91.8973－3×1.0087)u＝0.2153u.一个铀235原子核裂变后释放的能量为ΔE＝0.2153×931.5MeV≈200.6MeV.(2)1kg铀235原子核中含原子核的个数为N＝eq\f(103,235)×6.02×1023≈2.56×1024，1kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量ΔEN＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6MeV≈5.14×1026MeV.设完全燃烧的煤的质量为m，有ΔEN＝qm，所以m＝eq\f(ΔEN,q)＝eq\f(5.14×1026×106×1.6×10－19,2.94×107)kg≈2797.3t知识点二核电站【知识梳理】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)核燃料：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．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．【重难诠释】1．核电站的主要部件及作用组成部分材料作用裂变材料(核燃料)浓缩铀提供核燃料减速剂(慢化剂)石墨、重水或普通水(也叫轻水)使裂变产生的快中子减速控制棒镉棒吸收中子，控制反应速度热交换器水或液态的金属钠传输热量防护层厚水泥层防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害2.核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少．(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采用储量大，所能提供的能量大．(3)对环境的污染要比火力发电小．【典例精析】例2．如图是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是()A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B．快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些【答案】B【解析】快中子容易与铀235“擦肩而过”，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，A错误，B正确；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，C、D错误．知识点三核聚变【情境导入】为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？答案轻核的聚变反应，是两个轻核结合成质量较大的核，要使得核力发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15m以内；同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大，因而需要核子有很大的动能才能克服，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度．【知识梳理】1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变．2．核反应方程：eq\o\ar(2,1)H＋eq\o\ar(3,1)H→eq\o\ar(4,2)He＋eq\o\ar(1,0)n＋17.6MeV.3．条件：使轻核的距离达到10－15m以内．方法：加热到很高的温度．4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能．5．人工热核反应：氢弹．首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸．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储量丰富，而氚可利用锂来抽取，足以满足核聚变的需要；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．【重难诠释】以内，这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．2．轻核聚变是释放能量的反应：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释放能量的反应．3．聚变方程eq\o\ar(2,1)H＋eq\o\ar(3,1)H→eq\o\ar(4,2)He＋eq\o\ar(1,0)n＋17.6MeV.4．重核裂变与轻核聚变的区别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要大3～4倍【典例精析】例3．(2021·胶州市高二期末)中国的“人造太阳”，又称东方超环，全称是全超导托卡马克核聚变实验装置，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置.2021年5月28日，中国的“人造太阳”实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，刷新了世界纪录．所谓“人造太阳”，就是在地球上模拟太阳内部发生的核聚变反应，为人类提供源源不断的清洁能源．其内部发生的一种核聚变反应方程为eq\o\ar(2,1)H＋eq\o\ar(2,1)H→X＋eq\o\ar(1,0)n，下列说法正确的是()A．反应产物X为eq\o\ar(4,2)HeB．核聚变后的产物X的比结合能小于eq\o\ar(2,1)H的比结合能C．可控的人工轻核聚变与核裂变相比更为安全、清洁D．要实现核聚变，需要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能克服核力作用而碰撞结合在一起【答案】C【解析】根据核聚变反应方程满足电荷数和质量数守恒，可知反应物X为eq\o\ar(3,2)He，选项A错误；比结合能越大，物质越稳定，所以核聚变后的产物X的比结合能大于eq\o\ar(2,1)H的比结合能，选项B错误；可控的人工轻核聚变产物为氦核，没有辐射和污染，所以与核裂变相比更为安全、清洁，选项C正确；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，由于原子核都带正电，要使它们接近这种程度，必须克服巨大的库仑力，而不是核力，选项D错误.针对训练一、单选题1．2021年1月30日，华龙一号全球首堆中核集团福建福清核电5号机组投入商业运行，这标志着我国在三代核电技术领域跻身世界前列。目前核能发电都是利用核裂变反应，下列表示重核裂变的是（）A．B．C．D．【答案】A【解析】A．该反应是重核裂变。故A正确；B．该反应是衰变方程。故B错误；C．该反应为原子核的人工转变方程。故C错误；D．该反应是轻核聚变反应。故D错误。故选A。2．科学研究表明，太阳核心的温度极高、压力极大，使得太阳内部每4个氢核（1H）转化为1个氦核（4He）和几个正电子并释放出大量能量。假设生成的所有正电子均定向移动，且正电子在4.8×10-4s时间内定向移动形成的平均电流为8.0×10-8A，已知电子的电荷量为1.6×10-19C，则在这段时间内发生核聚变的氢核（1H）的个数为（）A．8.0×1016 B．4.8×1016 C．3.2×1016 D．2.4×1016【答案】B【解析】由于电荷数与质量数守恒，则有可得每4个氢核转化为1个氦核和2个正电子，根据公式可得正电子个数为（个）由上可知发生核聚变的氢核的个数为正电子个数的两倍，即氢核的个数是，故B正确。故选B。3．下列四幅图涉及到不同的物理知识，其中说法正确的是（）A．甲图中，卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，发现了质子和中子B．乙图中，在光颜色保持不变的情况下，入射光越强，饱和光电流越大C．丙图中，射线甲由电子组成，射线乙为电磁波，射线丙由α粒子组成D．丁图中，链式反应属于轻核聚变【答案】B【解析】A．卢瑟福通过分析粒子散射实验结果，提出了原子的核式结构模型，A错误；B．乙图中，在光颜色保持不变的情况下，入射光越强，饱和光电流越大，B正确；C．丙图中，因为射线甲受洛仑兹力向左，所以甲带正电，是由粒子组成。射线乙为电磁波，射线丙受洛仑兹力向右，射线丙由电子组成。C错误；D．链式反应属于重核裂变反应，D错误。故选B。4．2020年12月17日，“嫦娥五号”携在月球采集约2kg月壤返回地球。从月球带来“土”特产中有地球上含量极少且被誉为“月壤宝藏”的氦-3，它是发电效率极高、既环保又安全的核反应原料，可将氦-3原子核与氘原子核结合时释放的能量用来发电，其核反应方程是∶，则下列说法正确的是（）A．氦-3不是Y的同位素B．该反应为原子核的人工转变C．、、三者相比，的结合能最大D．、、三者相比，的比结合能最小【答案】C【解析】A．根据质量数和电荷数守恒可知Y为，所以两者是同位素，A错误；B．题中核反应是两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核，并释放能量，所以属于核聚变，B错误；C．结合能等于比结合能与核子数的乘积，因此根据比结合能和质量数的曲线可得到的结合能最大，C正确；D．通过原子核的比结合能和质量数的曲线可知比结合能最大，D错误。故选C。5．2020年3月2日9时12分，我国具有完全自主知识产权的三代核电“华龙一号”全球首堆——中核集团福清核电5号机组热态性能试验基本完成，为后续机组装料、并网发电等工作奠定了坚实基础。该机组正式运行后的核反应方程之一为，下列说法正确的是（）A．该核反应中，X是质子B．该核反应属于热核反应C．的比结合能比的比结合能大D．该核反应的产物的结合能之和小于反应物的结合能之和【答案】C【解析】AB．该核反应属于核裂变，不属于核聚变（热核反应），所以反应物中X是中子，故AB错误；CD．该反应释放核能，则生成物的总结合能大于反应物的总结合能，考虑到中子不具备结合能，所以生成物具备结合能的核子数为233，反应物具备结合能的核子数为235，由此可知的比结合能比的比结合能大，故C正确，D错误。故选C。6．“两弹一星”可以说长了中国人的志气，助了中国人的威风。下列核反应方程中，属于研究“两弹”的基本核反应方程的是（）①N+HeO+H②U+nSr+Xe+③UTh+He④H+HHe+nA．①② B．③④ C．②④ D．②③【答案】C【解析】“两弹”是指原子弹和氢弹，原子弹是铀核裂变氢弹是轻核聚变故选C。7．中国物理学家钱三强与何泽慧等合作，在利用中子打击铀的实验中，观察到三分裂变和四分裂变现象，如图，其中一种裂变反应式是U＋n→Ba＋Kr＋3n。用分别表示U、Ba、Kr核的质量，表示n粒子的质量，c为真空中的光速，下列说法正确的是（）A．链式反应能否发生跟铀原料的体积无关B．裂变产物Ba的比结合能大于U的比结合能C．该核反应过程中质量有所增加D．该核反应中放出的核能为【答案】B【解析】A．链式反应能否发生跟铀原料的临界体积有关，故A错误；B．裂变产物Ba的比结合能大于U的比结合能，从而产生质量亏损，放出能量，故B正确；C．该核反应过程中质量由亏损，故C错误；D．该核反应中放出的核能为，故D错误。故选B。8．中国的“人造太阳”在1.2亿摄氏度下，成功“燃烧”101秒，标志着我国核聚变研究又获得重大突破，也为人类获得可控核聚变能源奠定了商用的物理和工程基础．下列关于核聚变的说法正确的是（）A．核聚变反应前后满足电荷与质量守恒B．太阳释放的巨大能量是核聚变产生的C．是聚变反应D．原于弹释放的能量是核聚变产生的【答案】B【解析】A．核聚变反应属于热核反应，会出现质量亏损。电荷守恒，质量不守恒，A错误；B．太阳释放的巨大能量是核聚变产生的，B正确；C．是人工转变，C错误；D．原子弹释放的能量是核裂变产生的。D错误。故选B。二、多选题9．2011年3月，日本地震引发海啸，继而福岛核电站（世界最大的核电站）发生核泄漏。关于核电站和核辐射，下列说法中正确的是（）A．核反应堆发生的是轻核聚变反应B．核反应堆发生的是重核裂变反应C．放射性同位素的半衰期长短由核内部本身决定，与外部条件无关D．放射性同位素的半衰期长短与地震、风力等外部环境有关【答案】BC【解析】AB．核反应堆发生的是重核的裂变反应，故A错误，B正确；CD．放射性同位素的半衰期长短由核内部本身决定，与外部条件无关，故C正确，D错误。故选BC。10．钚的一种同位素衰变时释放巨大能量，其衰变方程为，则（）A．核燃料总是利用比结合能小的核B．核反应中光子的能量就是的结合能C．核比核更稳定，说明的结合能大D．由于衰变时释放巨大能量，所以比的比结合能小【答案】AD【解析】A．比结合能越大的原子核越稳定，故A正确；B．结合能与衰变时释放的能量不是同一概念，故B错误；D．由于衰变时释放能量，原子核变得稳定，比结合能变大，故比的比结合