5.4 核裂变与核聚变-学案

5.4核裂变与核聚变【学习目标】一、知识与技能1．知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量。2．知道什么是链式反应。3．了解核聚变的特点及其条件。4．了解可控热核反应及其研究和发展。二、过程与方法1．通过对核子平均质量与原子序数关系的理解，培养逻辑推理能力及应用教学图像处理物理问题的能力。2．通过自己阅读课本，查阅资料，培养归纳与概括知识的能力和提出问题的能力。三、情感、态度与价值观1．激发热爱科学、探求真理的激情，树立实事求是的科学态度，培养基本的科学素养，通过核能的利用，思考科学与社会的关系。2．认识到和平利用核能及开发新能源的重要性。3．确立世界是物质的，物质是运动变化的，而变化过程必然遵循能量守恒的观点。【学习重点】1．重核裂变的核反应方程式的书写。2．核聚变的特点和条件。【学习难点】核聚变的特点和条件。【学习过程】一、核裂变的发现1．核裂变：重核分裂成质量______________的核，释放出核能的反应，称为裂变。2．铀核的裂变用________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___________________________________________。3．链式反应（1）由重核裂变产生的________使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。（2）链式反应的条件①铀块的体积________或等于临界体积或铀块的质量________或等于临界质量。②有足够数量的______中子。4．核袭击的防护（1）核爆炸瞬时效应防护①利用工事进行掩蔽。②在开阔地面上的人员，发现核爆闪光时，立即背向爆心卧倒，可减轻伤害。（2）放射性沾染防护①避开在沾染区或高照射量率的地区行动。②及时穿戴个人防护器材，防止人体受沾染。③人员通过沾染区时尽量乘坐车辆，在沾染区作业时要尽量缩短时间。④进入沾染区执行任务的人员，可服用抗辐射药，减少放射性物质在人体内的存留。二、反应堆与核电站（1）核电站是利用核能发电，它的核心设施是____________，它主要由以下几部分组成：①燃料：_______________；②慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用__________、重水或普通水作慢化剂；③控制棒：采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉____________的能力很强的特性，控制链式反应的速度。（2）工作原理核燃料______________释放能量，使反应区温度升高。（3）能量输出利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外__________，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。（4）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1．两个轻核结____________________________________，这样的反应叫做聚变。2．聚变方程：___________________________根据所给数据，计算上面核反应放出的能量：氘核的质量：mD=2.014102u氚核的质量：mT=3.016050u氦核的质量：mα=4.002603u中子的质量：mn=1.008665u归纳补充：（1）氢核聚变反应：__________________________（2）释放能量：ΔE＝Δmc2＝_________MeV，平均每个核子释放能量3MeV以上，约为裂变反应释放能量的3～4倍。3．聚变条件：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即_______m。4．实现的方法：（1）_______________________________________________。（2）________________________________________________。5．聚变反应的特点：聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以维持反应持续进行下去。核聚变又叫______________________。6．实例：（1）____________________。（2）____________________。7．聚变与裂变相比的优点（1）________________________________________________。（2）________________________________________________。（3）________________________________________________。8．实现核聚变的两种控制方案：（1）__________________。（2）__________________。【练习巩固】1．关于重核的裂变，以下说法中正确的是（）A．铀235被中子轰击后都会分裂成两块质量差不多的碎块，同时放出几个中子B．铀235被中子轰击后二者都会发生分裂C．要使铀块发生链式反应，其体积必须足够大D．铀235分裂成两个中等质量的核，比结合能减小，放出核能答案：C2．现已建成的核电站发电的能量来自于（）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答案：C3．关于核聚变，以下说法正确的是（）A．与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能来发电的核电站C．要使轻核发生聚变，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答案：A4．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是（）A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大C．聚变反应中粒子的比结合能变小D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量变大答案：B5．我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了“EAST”装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1000s，温度超过1亿摄氏度，这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平。合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方。核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富。已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，23He的质量为m3，质子的质量为A．两个氘核聚变成一个23B．两个氘核聚变成一个23C．两个氘核聚变成一个23He所释放的核能为（2m1－m3－m4）D．两个氘核聚变成一个23He所释放的核能为（2m1－m3－m2）答案：BD6．在某些恒星内，3个α粒子结合成一个C，C原子的质量是12.0000u，He原子的质量是4.0026u，已知1u＝1.66×10-27kg，1u相当于931.5MeV，则（）A．反应过程中的质量亏损是Δm＝0.0078uB．反应过程中的质量亏损是Δm＝1.2948×10-29kgC．反应过程中放出的能量约为7.266MeVD．反应过程中放出的能量约为1.16×10-19J答案：ABC第五章4A组·基础达标1．科学家发现在月球上含有丰富的eq\o\al(3,2)He(氦3)．它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(3,2)He→2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(4,2)He.关于eq\o\al(3,2)He聚变，下列表述正确的是()A．聚变反应不会释放能量B．聚变反应产生了新的原子核C．聚变反应没有质量亏损D．目前核电站都采用eq\o\al(3,2)He聚变反应发电【答案】B【解析】聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量．但目前核电站都采用铀核的裂变反应，可控的轻核聚变尚在实验阶段．2．目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是()A．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(136,54)Xe＋10eq\o\al(1,0)nB．eq\o\al(24,11)Na→eq\o\al(24,12)Mg＋eq\o\al(0,－1)eC．eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HD．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He【答案】A【解析】重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变．3．(多选)日本福岛第一核电站在地震后，数秒内就将控制棒插入核反应堆芯，终止了铀的裂变链式反应．但海啸摧毁了机组的冷却系统，因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量，核燃料棒温度不断上升，对周边环境产生了巨大的危害．则下列说法正确的是()A．控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制B．日本后来向反应堆灌注海水，可以降温，但大量被污染的海水外泄，对周边环境产生了巨大的危害C．核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大D．核泄漏中放射性物质对人类是有害的【答案】ABD【解析】控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制，A符合题意；日本后来向反应堆灌注海水，大量被污染的海水外泄，泄漏的放射性物质对周边环境产生了巨大的危害，B、D符合题意；因为核反应有能量释放，可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小，故C不符合题意．4．(多选)一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出光子，核反应方程是eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(2,1)H＋γ，以下说法中正确的是()A．反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和B．反应前后的质量数不变，因而质量不变C．γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度D．因存在质量亏损Δm，所以“物质不灭”的说法不正确【答案】AC【解析】核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，所以质量不守恒，但质量数不变，A正确，B错误；能量守恒，释放的能量会以γ光子的形式向外释放，根据爱因斯坦质能方程可知，γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度，C正确；尽管存在质量亏损Δm，但核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，所以“物质不灭”的说法仍是正确的，D错误．5．(多选)我国科技工作者分别在1964年、1967年成功引爆了我国第一颗原子弹和氢弹．下列核反应方程中可表示两弹的爆炸原理的是()A．eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HB．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(139,54)Xe＋7eq\o\al(1,0)nC．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeD．eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n【答案】BD【解析】原子弹是利用核裂变反应，而氢弹是利用核聚变反应，B项对应原子弹的爆炸原理，D对应氢弹的爆炸原理；A为人工核转变，C为核衰变反应，不符合要求，选B、D．6．(多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是()A．“人造太阳”的核反应方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB．“人造太阳”的核反应方程是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)nC．“人造太阳”释放的能量大小的计算式是ΔE＝Δmc2D．“人造太阳”核能大小的计算公式是E＝eq\f(1,2)mc2【答案】AC【解析】释放的能量大小用爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算，有的考生不能区分裂变和聚变，得出错误的答案B．7．(多选)核反应堆是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，X是某种粒子，a是X粒子的个数，用mU、mBa、mKr分别表示eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr核的质量，mX表示X粒子的质量，c为真空中的光速，以下说法正确的是()A．X为中子，a＝2B．X为中子，a＝3C．上述核反应中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2D．上述核反应中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－3mX)c2【答案】BC【解析】核反应中，质量数守恒，电荷数守恒，则eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX中X为eq\o\al(1,0)n，a＝3，则A错误，B正确．由ΔE＝Δmc2可得ΔE＝(mU＋mX－mBa－mKr－3mX)c2＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2，则C正确，D错误．8.eq\o\al(235,92)U核某种裂变方式的核反应方程为eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋xeq\o\al(1,0)n，已知eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(1,0)n、eq\o\al(144,56)Ba、eq\o\al(89,36)Kr的质量分别为m1、m2、m3、m4，真空中的光速为c.则()A．核反应方程式中x＝2B．eq\o\al(235,92)U中含有56个中子C．eq\o\al(144,56)Ba比eq\o\al(235,92)U的比结合能小D．该反应释放的核能为(m1－2m2－m3－m4)c2【答案】D【解析】根据核反应中质量数和电荷数守恒可知，核反应方程式中x＝3，A错误；eq\o\al(235,92)U中含有235－92＝143个中子，B错误；该反应放出核能，生成的eq\o\al(144,56)Ba比eq\o\al(235,92)U更稳定，则eq\o\al(144,56)Ba比eq\o\al(235,92)U的比结合能大，C错误；该反应质量亏损为Δm＝(m1＋m2－m3－m4－3m2)＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(m1－m3－m4－2m2))，根据ΔE＝Δmc2，可知释放的核能为ΔE＝(m1－2m2－m3－m4)c2，D正确．9．一个氘核和一个氚核经过核反应后生成氦核和中子，同时放出一个γ光子．已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c.下列说法正确的是()A．这个核反应是裂变反应B．这个反应的核反应方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(1,0)n＋γC．辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2D．辐射出的γ光子在真空中的波长λ＝eq\f(h,m1＋m2－m3－m4c)【答案】D【解析】该核反应方程为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋γ，该反应为聚变反应，A、B错误；根据爱因斯坦质能方程知，辐射的光子能量E＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，C错误；光子能量为E＝hν＝heq\f(c,λ)，则有λ＝eq\f(h,m1＋m2－m3－m4c)，D正确．故选D．10．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(12,6)C→eq\o\al(13,7)N＋Q1①，eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(15,7)N→eq\o\al(12,6)C＋X＋Q2②，方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量如表：原子核eq\o\al(1,1)Heq\o\al(3,1)Heq\o\al(4,2)Heeq\o\al(12,6)Ceq\o\al(13,7)Neq\o\al(15,7)N质量/u1.00783.01664.002612.000013.005715.0001则可以推断X是________，方程中Q1和Q2的大小关系是Q1________Q2.【答案】eq\o\al(4,2)He<【解析】由质量数守恒和电荷数守恒，可判断X为eq\o\al(4,2)He，①式质量亏损为Δm1＝1.0078u＋12.0000u－13.0057u＝0.0021u．②式的质量亏损为Δm2＝1.0078u＋15.0001u－12.0000u－4.0026u＝0.0053u，所以Δm2>Δm1根据质能方程ΔE＝Δmc2可求解Q2>Q1．B组·能力提升11．(1)核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，eq\o\al(235,92)U是核电站常用的核燃料.eq\o\al(235,92)U受一个中子轰击后裂变成eq\o\al(144,56)Ba和eq\o\al(89,36)Kr两部分，并产生______个中子．要使链式反应发生，裂变物质的体积要______(填“大于”或“