人教版(新教材)高中物理选择性必修3学案2：5 4核裂变与核聚变

人教版(新教材)高中物理选择性必修第三册PAGEPAGE35.4核裂变与核聚变〖学习目标〗1.知道什么是裂变、聚变和链式反应，知道链式反应和聚变的条件.2.会书写裂变和聚变方程，会利用质量亏损计算裂变和聚变产生的核能.3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度．〖自主学习〗一、核裂变的发现1.核裂变的发现1938年年底,德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击

的实验中发现,生成物中有原子序数为56的元素

。重核被

轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核,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,其产物是多样的,其中一种典型的反应是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n。铀核裂变为

的原子核,发生质量亏损,所以

能量。3.链式反应由重核裂变产生的

使核裂变反应一代接一代继续下去的过程。4.发生链式反应的条件发生核裂变物质的体积大于

或物质的质量大于

。二、反应堆与核电站1.核能释放的控制通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为

。2.慢化剂反应堆中,为了使核裂变产生的快中子减速,在铀棒周围要放“慢化剂”。常用的慢化剂有

、

和普通水。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

的能力很强,当反应过于激烈时,可将其插入

一些,多吸收一些中子,链式反应的速度就会

一些,这种镉棒叫作控制棒。4.能量输出核燃料发生

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

内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于

,同时也使反应堆

。5.核污染的处理在反应堆外面需要修建很厚的

,用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的

,需要装入特制的容器, 

。三、核聚变1.定义两个轻核结合成

的核,这样的核反应叫作核聚变。2.经典反应eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV3.发生核聚变的条件要使轻核发生核聚变,必须使它们的距离达到

m以内,核力才能起作用。由于原子核都带正电,要使它们接近到这种程度,必须克服巨大的

,这就要求原子核具有足够的动能。有一种方法就是把它们加热到

温度,当物质的温度高达几百万开尔文时,一部分原子核发生核聚变,因此核聚变又叫

。4.实例(1)太阳能:太阳的主要成分是

。太阳的中心温度达1.6×107K,在此高温下,氢核聚变成氦核的反应不停地进行着,太阳能就来自太阳内部

释放的核能。(2)氢弹:目前,人工产生的热核反应主要用在核武器上,那就是氢弹,需要用原子弹

爆炸产生的

引发热核爆炸。5.核聚变的优点(1)轻核聚变产能

。(2)地球上核聚变燃料的储量

。(3)轻核聚变更为安全、清洁。6.实现可控热核反应的方案(1)磁约束:利用磁场约束参加反应的物质。目前性能最好的一种磁约束装置是

。(2)惯性约束:核聚变物质因自身的惯性,在极短时间内来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下,用高能量密度的

或X射线从各个方向照射反应物,使它们“挤”在一起发生反应。〖重难点突破〗一、核裂变铀核的裂变和裂变方程(1)原子核受激发: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)原子核分裂:核子间的距离增大,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:①eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(235,92)U→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n②eq\o\al(235,95)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(94,38)Sr＋eq\o\al(139,54)Xe＋3eq\o\al(1,0)n。发生链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积。(2)铀块的质量大于临界质量。以上两个条件满足一个,则另一个条件自动满足。导师『点石成金』(1)铀核的裂变只能发生在人为的核反应中,自然界中不会自发地产生裂变,而是会发生衰变。(2)链式反应速度很快,如不加以控制,能量在瞬间急剧释放会引起剧烈爆炸(如原子弹)。如果运用一定办法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)。二、核聚变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大,因此核聚变反应是一个放能反应。核聚变的特点(1)在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。(2)热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应进行下去。(3)普遍性:热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆。〖典例精析〗例1．下列核反应中，表示核裂变的是()A．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He B．eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)eC．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n D．eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n例2．在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是()A．使用浓缩铀B．改变铀块的临界体积C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制反应速度D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度例3．太阳内部核反应的主要模式之一是质子－质子循环，循环的结果可表示为4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e＋2γ已知eq\o\al(1,1)H和eq\o\al(4,2)He的质量分别为mp＝1.0078u和mα＝4.0026u，1u＝931MeV/c2，c为光速。在4个eq\o\al(1,1)H转变为1个eq\o\al(4,2)He的过程中，释放的能量约为()A．8MeV B．16MeVC．26MeV D．52MeV〖随堂演练〗1．(多选)关于重核的裂变，以下说法正确的是()A．核裂变释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量B．铀核裂变在自然界中会自发地产生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2．关于核聚变，以下说法正确的是()A．与重核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来发电的核电站C．要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10－10m以内，核力才能起作用D．核聚变比核裂变更易控制3．铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，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．为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用核裂变时产生的快中子C．若铀235的体积超过它的临界体积，核裂变的链式反应就能够发生D．裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关4．现已建成的核电站发电的能量主要来自于()A．天然放射性元素衰变放出的能量B．人工放射性同位素放出的能量C．重核裂变放出的能量D．化学反应放出的能量5．如图是核反应堆的示意图，对于核反应堆的认识，下列说法正确的是()A．铀棒是核燃料，核心物质是铀238B．石墨起到吸收中子的作用C．镉棒起到使中子减速的作用D．水泥防护层的作用是为了阻隔γ射线，避免放射性危害

▁▃▅▇█参*考*答*案█▇▅▃▁〖自主学习〗一、铀核钡中子中等质量放出中子临界体积临界质量二、核反应堆石墨重水吸收中子深慢核裂变反应堆发电冷却水泥层放射性深埋地下三、质量较大10-15库仑斥力很高的热核反应氢核聚变高温高压效率高丰富环流器激光〖典例精析〗例1．〖答案〗C〖解析〗eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He是α衰变，eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)e是β衰变，eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n是人工转变，只有选项C是重核裂变，C正确。例2．〖答案〗C〖解析〗利用控制系统吸收慢中子，控制链式反应的速度，C选项正确。例3．〖答案〗C〖解析〗核反应质量亏损Δm＝4×1.0078u－4.0026u＝0.0286u，释放的能量ΔE＝0.0286×931MeV≈26.6MeV，选项C正确。〖随堂演练〗1.〖答案〗AD2.〖答案〗A3.〖答案〗C〖解析〗要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于等于临界体积(或临界质量)，A、D错误，C正确；铀235俘获慢中子发生核裂变的概率大，快中子使铀235发生核裂变的几率小，B错误。4.〖答案〗C〖解析〗核电站发电的能量主要来自于重核裂变放出的能量，C正确。5.〖答案〗D〖解析〗核反应堆采用的核燃料为铀棒，核心物质是铀235，A错误；石墨的作用是使快中子减速，B错误；镉棒的作用是吸收中子，C错误；水泥防护层的作用是为了阻隔γ射线，避免放射性危害，D正确。5.4核裂变与核聚变〖学习目标〗1.知道什么是裂变、聚变和链式反应，知道链式反应和聚变的条件.2.会书写裂变和聚变方程，会利用质量亏损计算裂变和聚变产生的核能.3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度．〖自主学习〗一、核裂变的发现1.核裂变的发现1938年年底,德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击

的实验中发现,生成物中有原子序数为56的元素

。重核被

轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核,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,其产物是多样的,其中一种典型的反应是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n。铀核裂变为

的原子核,发生质量亏损,所以

能量。3.链式反应由重核裂变产生的

使核裂变反应一代接一代继续下去的过程。4.发生链式反应的条件发生核裂变物质的体积大于

或物质的质量大于

。二、反应堆与核电站1.核能释放的控制通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为

。2.慢化剂反应堆中,为了使核裂变产生的快中子减速,在铀棒周围要放“慢化剂”。常用的慢化剂有

、

和普通水。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

的能力很强,当反应过于激烈时,可将其插入

一些,多吸收一些中子,链式反应的速度就会

一些,这种镉棒叫作控制棒。4.能量输出核燃料发生

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

内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于

,同时也使反应堆

。5.核污染的处理在反应堆外面需要修建很厚的

,用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的

,需要装入特制的容器, 

。三、核聚变1.定义两个轻核结合成

的核,这样的核反应叫作核聚变。2.经典反应eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV3.发生核聚变的条件要使轻核发生核聚变,必须使它们的距离达到

m以内,核力才能起作用。由于原子核都带正电,要使它们接近到这种程度,必须克服巨大的

,这就要求原子核具有足够的动能。有一种方法就是把它们加热到

温度,当物质的温度高达几百万开尔文时,一部分原子核发生核聚变,因此核聚变又叫

。4.实例(1)太阳能:太阳的主要成分是

。太阳的中心温度达1.6×107K,在此高温下,氢核聚变成氦核的反应不停地进行着,太阳能就来自太阳内部

释放的核能。(2)氢弹:目前,人工产生的热核反应主要用在核武器上,那就是氢弹,需要用原子弹

爆炸产生的

引发热核爆炸。5.核聚变的优点(1)轻核聚变产能

。(2)地球上核聚变燃料的储量

。(3)轻核聚变更为安全、清洁。6.实现可控热核反应的方案(1)磁约束:利用磁场约束参加反应的物质。目前性能最好的一种磁约束装置是

。(2)惯性约束:核聚变物质因自身的惯性,在极短时间内来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下,用高能量密度的

或X射线从各个方向照射反应物,使它们“挤”在一起发生反应。〖重难点突破〗一、核裂变铀核的裂变和裂变方程(1)原子核受激发: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)原子核分裂:核子间的距离增大,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:①eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(235,92)U→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n②eq\o\al(235,95)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(94,38)Sr＋eq\o\al(139,54)Xe＋3eq\o\al(1,0)n。发生链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积。(2)铀块的质量大于临界质量。以上两个条件满足一个,则另一个条件自动满足。导师『点石成金』(1)铀核的裂变只能发生在人为的核反应中,自然界中不会自发地产生裂变,而是会发生衰变。(2)链式反应速度很快,如不加以控制,能量在瞬间急剧释放会引起剧烈爆炸(如原子弹)。如果运用一定办法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)。二、核聚变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大,因此核聚变反应是一个放能反应。核聚变的特点(1)在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。(2)热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应进行下去。(3)普遍性:热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆。〖典例精析〗例1．下列核反应中，表示核裂变的是()A．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He B．eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)eC．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n D．eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n例2．在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是()A．使用浓缩铀B．改变铀块的临界体积C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制反应速度D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度例3．太阳内部核反应的主要模式之一是质子－质子循环，循环的结果可表示为4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e＋2γ已知eq\o\al(1,1)H和eq\o\al(4,2)He的质量分别为mp＝1.0078u和mα＝4.0026u，1u＝931MeV/c2，c为光速。在4个eq\o\al(1,1)H转变为1个eq\o\al(4,2)He的过程中，释放的能量约为()A．8MeV B．16MeVC．26MeV D．52MeV〖随堂演练〗1．(多选)关于重核的裂变，以下说法正确的是()A．核裂变释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量B．铀核裂变在自然界中会自发地产生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2．关于核聚变，以下说法正确的是()A．与重核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来发电的核电站C．要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10－10m以内，核力才能起作用D．核聚变比核裂变更易控制3．铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，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．为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用核裂变时产生的快中子C．若铀235的体积超过它的临界体积，核裂变的链式反应就能够发生D．裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关4．现已建成的核电站发电的能量主要来自于()A．天然放射性元素衰变放出的能量B．人工放射性同位素放出的能量C．重核裂变放出的能量D．化学反应放出的能量5．如图是核反应堆的示意图，对于核反应堆的认识，下列说法正确的是()A．铀棒是核燃料，核心物质