人教版(新教材)高中物理选择性必修3学案3：5 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〖素养目标〗1.知道重核的裂变和链式反应，知道聚变反应的特点2.了解原子弹的原理，聚变反应的条件3.会计算核裂变释放的能量〖知识梳理〗知识点一、核裂变1．定义：核物理中，把重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程，叫核裂变。2．铀核的典型裂变方程用中子轰击铀核时，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\al(235,)92U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,)56Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n.3．链式反应由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程。4．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．知识点二、反应堆与核电站1.核反应堆：通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆．2.反应堆工作原理(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围．反应堆示意图(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度．(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电．发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面．知识点三、核聚变1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应．2．典型的核聚变方程：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．条件在超高温条件下，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库伦斥力，发生核聚变。因此，核聚变又叫热核反应。4．优点核聚变产能效率高，燃料的储量丰富，更为安全、清洁。5．实现困难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。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束〖课堂检测〗1．2020年1月10日，黄旭华获2019年度国家最高科学技术奖。黄旭华作为中国第一代核潜艇总设计师，成功研制了我国第一代核潜艇，为我国海基核力量实现从无到有的历史性跨越做出了卓越的贡献。下列关于核反应正确的是（）A．HeHeH为原子核的α衰变，放出的α射线有很强的穿透性B．氪90（Kr）是不稳定的，衰变成为锆90（Zr）需要经过2次α衰变C．原子衰变成新核时，新原子核处于高能级状态不稳定，会向低能级跃迁，跃迁时只能放出一些特定频率的γ射线D．比结合能越小的原子核越稳定2．下列四幅图涉及不同的物理知识，其中说法正确的是（）A．图1：光电效应中，光电子的最大初动能与入射光的频率成正比B．图2：铀核裂变中放出新的中子又引起新的裂变，形成链式反应C．图3：氢原子能级是分立的，但原子发射光子的频率是连续的D．图4：卢瑟福通过α粒子散射实验，提出原子核均匀分布在原子内的结构模型〖素养作业〗1．2020年12月4日，新一代“人造太阳”核聚变实验装置－“中国环流器二号M”在四川成都建成并实现首次放电。这标志着我国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术，为我国核聚变堆的自主设计与建造打下了坚实基础。下列说法正确的是（）A．目前运行的核电站发电都是采用核聚变反应B．托卡马克内部反应过程是链式反应C．托卡马克内部核反应可能是D．属于核聚变反应2．已知“人造太阳”核聚变的反应方程为。关于此核聚变，以下说法正确的是（）A．，B．将原子核加热到几百万开尔文时，原子核具有足够的动能，才能发生聚变反应C．1mol氘核和1mol氚核发生核聚变，可以放出17.6MeV的能量D．裂变比聚变更安全、清洁3．2021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．4．铀核（）是制造核武器的主要材料之一，其中一种核反应方程为，下列说法正确的是（）A．该核反应在中子的轰击下发生，为人工转变B．X原子核中含有86个中子C．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少5．下列说法正确的是（）A．若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减小B．发生α衰变时，生成核与原来的核相比，中子数减少了4C．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的热核反应D．按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，电势能增大，原子的总能量不变6．在太阳内部发生的典型核反应方程是4→He+2X，下列说法正确的是（）A．核电站利用此反应来获得核能 B．该核反应属于聚变反应C．方程中的X为电子（e）D．该核反应前后质量数守恒，因而反应前后总质量保持不变7．轻核聚变的一个核反应方程为：H＋H→He＋X，若已知H的质量为m1，H的质量为m2，He的质量为m3，X的质量为m4，则下列说法中正确的是（）A．H和H在常温下就能够发生聚变B．X是质子C．这个反应释放的核能为ΔE＝（m1＋m2－m3－m4）c2D．我国大亚湾核电站是利用轻核的聚变释放的能量来发电的8．太阳内部发生的核反应模式之一是质子—质子循环，即四个结合生成一个，并释放出大量能量，其链式反应方程为①，②，③，下列说法正确的是（）A．②反应中，释放了γ光子，则②反应为衰变反应B．循环结果可表示为C．四个生成一个过程中存在质量亏损D．核电站中的核反应方式与太阳内部发生的主要核反应方式相同

▁▃▅▇█参*考*答*案█▇▅▃▁〖课堂检测〗1．〖答案〗C〖解析〗A．HeHeH为轻核的聚变，α射线的电离能力很强，穿透性很弱，A错误；B．根据质量数与质子数守恒，结合β衰变释放电子，则KrZr+e，B错误；C．因为原子核在经历核反应后往往处于激发态，衰变后产物的新核从激发态向较低能级跃迁，一般以发射电磁波的形式进行，发射的正是γ射线，C正确；D．比结合能越大的原子核越稳定，D错误。故选C。2.〖答案〗B〖解析〗A．图1的光电效应中，由爱因斯坦的光电效应方程可知变换可得故光电子的最大初动能与入射光的频率呈线性关系，但不成正比，A错误；B．图2中，铀核裂变中放出新的中子又引起新的裂变，形成链式反应，B正确；C．图3中：氢原子能级是分立的，原子发射光子的频率也是不连续的，即原子发光只能发出某个能级差对应的能量而形成的光子，C错误；D．图4中,卢瑟福通过α粒子散射实验,提出的是原子的核式结构模型，D错误。故选B。〖素养作业〗1.〖答案〗D〖解析〗A．目前运行的核电站发电都是采用核裂变反应。A错误；B．托卡马克内部反应过程是核聚变反应。B错误；C．该反应是核裂变反应，托卡马克内部核反应不可能是该反应。C错误；D．属于核聚变反应。D正确。故选D。2.〖答案〗B〖解析〗A．根据电荷数守恒、质量数守恒可知，，故A错误；B．将原子核加热到几百万开尔文时，原子核具有足够的动能，才能发生聚变反应，故B正确；C．1个氘核和1个氚核发生核聚变，可以放出17.6MeV的能量，故C错误；D．轻核聚变产生物为氦核，没有辐射和污染，所以聚变比裂变更清洁，但聚变更难控制，故D错误。故选B。3.〖答案〗A〖解析〗A．该反应是重核裂变，选项A正确；B．该反应是衰变方程，选项B错误；C．该反应为原子核的人工转变方程，选项C错误；D．该反应是轻核聚变反应，选项D错误。故选A。4.〖答案〗B〖解析〗A．该核反应为链式反应，而不是人工转变，故A错误。B．根据核反应质量数和电荷数守恒可计算出,X原子核中含有86个中子,故B正确。C．核裂变释放的能量大于它俘获中子时得到的能量，故C错误。D．因为裂变释放能量，出现质量亏损，所以裂变后的总质量减少，但总质量数不变，故D错误。故选B。5.〖答案〗C〖解析〗A．半衰期与放射性物质的温度无关。A错误；B．发生α衰变时，生成核与原来的核相比，中子数减少了2个。B错误；C．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的热核反应。C正确；D．按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，电势能增大，原子的总能量增大。D错误。故选C。6.〖答案〗B〖解析〗A．核电站利用核裂变来获得核能，A错误；B．该核反应属于聚变反应，B正确；C．根据质量数和电荷数守恒，此X为正电子，C错误；D．该核反应前后质量数守恒，释放了核能，根据爱因斯坦质能方程可知反应过程产生了质量亏损，D错误。故选B。7.〖答案〗C〖解析〗A．H和H只能在极高温度下才能够发生聚变，选项A错误；B．根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为0，是中子，选项B错误；C．根据质能方程可知，这个反应释放的核能为ΔE＝（m1＋m2－m3－m4）c2选项C正确；D．我国大亚湾核电站是利用重核裂变释放的能量来发电的，选项D错误。故选C。8.〖答案〗C〖解析〗A．②反应属于轻核聚变反应，故A错误；B．循环结果可表示为，故B错误；C．四个生成一个过程中释放大量能量，存在质量亏损，故C正确；D．核电站发生的核反应方式是重核裂变，故D错误。故选C。5.4核裂变与核聚变〖素养目标〗1.知道重核的裂变和链式反应，知道聚变反应的特点2.了解原子弹的原理，聚变反应的条件3.会计算核裂变释放的能量〖知识梳理〗知识点一、核裂变1．定义：核物理中，把重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程，叫核裂变。2．铀核的典型裂变方程用中子轰击铀核时，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\al(235,)92U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,)56Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n.3．链式反应由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程。4．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．知识点二、反应堆与核电站1.核反应堆：通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆．2.反应堆工作原理(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围．反应堆示意图(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度．(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电．发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面．知识点三、核聚变1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应．2．典型的核聚变方程：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．条件在超高温条件下，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库伦斥力，发生核聚变。因此，核聚变又叫热核反应。4．优点核聚变产能效率高，燃料的储量丰富，更为安全、清洁。5．实现困难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。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束〖课堂检测〗1．2020年1月10日，黄旭华获2019年度国家最高科学技术奖。黄旭华作为中国第一代核潜艇总设计师，成功研制了我国第一代核潜艇，为我国海基核力量实现从无到有的历史性跨越做出了卓越的贡献。下列关于核反应正确的是（）A．HeHeH为原子核的α衰变，放出的α射线有很强的穿透性B．氪90（Kr）是不稳定的，衰变成为锆90（Zr）需要经过2次α衰变C．原子衰变成新核时，新原子核处于高能级状态不稳定，会向低能级跃迁，跃迁时只能放出一些特定频率的γ射线D．比结合能越小的原子核越稳定2．下列四幅图涉及不同的物理知识，其中说法正确的是（）A．图1：光电效应中，光电子的最大初动能与入射光的频率成正比B．图2：铀核裂变中放出新的中子又引起新的裂变，形成链式反应C．图3：氢原子能级是分立的，但原子发射光子的频率是连续的D．图4：卢瑟福通过α粒子散射实验，提出原子核均匀分布在原子内的结构模型〖素养作业〗1．2020年12月4日，新一代“人造太阳”核聚变实验装置－“中国环流器二号M”在四川成都建成并实现首次放电。这标志着我国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术，为我国核聚变堆的自主设计与建造打下了坚实基础。下列说法正确的是（）A．目前运行的核电站发电都是采用核聚变反应B．托卡马克内部反应过程是链式反应C．托卡马克内部核反应可能是D．属于核聚变反应2．已知“人造太阳”核聚变的反应方程为。关于此核聚变，以下说法正确的是（）A．，B．将原子核加热到几百万开尔文时，原子核具有足够的动能，才能发生聚变反应C．1mol氘核和1mol氚核发生核聚变，可以放出17.6MeV的能量D．裂变比聚变更安全、清洁3．2021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．4．铀核（）是制造核武器的主要材料之一，其中一种核反应方程为，下列说法正确的是（）A．该核反应在中子的轰击下发生，为人工转变B．X原子核中含有86个中子C．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少5．下列说法正确的是（）A．若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减小B．发生α衰变时，生成核与原来的核相比，中子数减少了4C．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的热核反应D．按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，电势能增大，原子的总能量不变6．在太阳内部发生的典型核反应方程是4→He+2X，下列说法正确的是（）A．核电站利用此反应来获得核能 B．该核反应属于聚变反应C．方程中的X为电子（e）D．该核反应前后质量数守恒，因而反应前后总质量保持不变7．轻核聚变的一个核反应方程为：H＋H→He＋X，若已知H的质量为m1，H的质量为m2，He的质量为m3，X的质量为m4，则下列说法中正确的是（）A．H和H在常温下就能够发生聚变B．X是质子C．这个反应释放的核能为ΔE＝（m1＋m2－m3－m4）c2D．我国大亚湾核电站是利用轻核的聚变释放的能量来发电的8．太阳内部发生的核反应模式之一是质子—质子循环，即四个结合生成一个，并释放出大量能量，其链式反应方程为①，②，③，下列说法正确的是（）A．②反应中，释放了γ光子，则②反应为衰变反应B．循环结果可表示为C．四个生成一个过程中存在质量亏损D．核电站中的核反应方式与太阳内部发生的主要核反应方式相同

▁▃▅▇█参*考*答*案█▇▅▃▁〖课堂检测〗1．〖答案〗C〖解析〗A．HeHeH为轻核的聚变，α射线的电离能力很强，穿透性很弱，A错误；B．根据质量数与质子数守恒，结合β衰变释放电子，则KrZr+e，B错误；C．因为原子核在经历核反应后往往处于激发态，衰变后产物的新核从激发态向较低能级跃迁，一般以发射电磁波的形式进行，发射的正是γ射线，C正确；D．比结合能越大的原子核越稳定，D错误。故选C。2.〖答案〗B〖解析〗A．图1的光电效应中，由爱因斯坦的光电效应方程可知变换可得故光电子的最大初动能与入射光的频率呈线性关系，但不成正比，A错误；B．图2中，铀核裂变中放出新的中子又引起新的裂变，形成链式反应，B正确；C．图3中：氢原子能级是分立的，原子发射光子的频率也是不连续的，即原子发光只能发出某个能级差对应的能量而形成的光子，C错误；D．图4中,卢瑟福通过α粒子散射实验,提出的是原子的核式结构模型，D错误。故选B。〖素养作业〗1.〖答案〗D〖解析〗A．目前运行的核电站发电都是采用核裂变反应。A错误；B．托卡马克内部反应过程是核聚变反应。B错误；C．该反应是核裂变反应，托卡马克内部核反应不可能是该反应。C错误；D．属于核聚变反应。D正确。故选D。2.〖答案〗B〖解析〗A．根据电荷数守恒、质量数守恒可知，，故A错误；B．将原子核加热到几百万开尔文时，原子核具有足够的动能，才能发生聚变反应，故B正确；C．1个氘核和1个氚核发生核聚变，可以放出17.6MeV的能量，故C错误；D．轻核聚变产生物为氦核，没有辐射和污染，所以聚变比裂变更清洁，但聚变更难控制，