高中物理选修3步步高同步讲义第五章 4　核裂变与核聚变

第五章HELIEBIANYVHEJVBIAN4核裂变与核聚变梳理教材夯实基础/探究重点提升素养/课时对点练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.学习目标内容索引梳理教材夯实基础Part1探究重点提升素养Part2课时对点练Part3梳理教材夯实基础Part

11.核裂变：铀核在被

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

＋

.一、核裂变的发现中子3.链式反应中子轰击重核发生裂变后，裂变产生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

反应.4.临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生

反应的

体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量.链式链式最小1.核电站：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：

、

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

的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入__一些，让它多吸收一些

，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作

.二、反应堆与核电站核反应堆铀棒石墨重水中子深中子控制棒2.工作原理核燃料发生

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反应堆内外

，把反应堆内的

传输出去，用于

，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

，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，

.核裂变循环流动热量发电水泥层放射性深埋地下三、核聚变1.定义：两个

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：3.条件：使轻核的距离达到

m以内.方法：加热到很高的

.4.宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核

成氦核释放的

能.5.人工热核反应：

弹.首先由化学炸药引爆

弹，再由

弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸.轻核10－15温度聚变核氢原子原子6.核聚变与核裂变的比较(1)优点：①轻核聚变产能

；②地球上核聚变燃料氘储量

，而氚可以利用锂来制取，足以满足核聚变的需求；③轻核聚变更为安全、清洁.(2)缺点：核聚变需要的温度太

，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度.解决方案：

约束和

约束.效率高丰富高磁惯性1.判断下列说法的正误.(1)铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能不停地进行下去.(

)(2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变.(

)(3)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些.(

)(4)核聚变主要用在核武器上，那就是原子弹.(

)×√×即学即用×2.下面是铀核裂变反应中的一个：

.已知铀235的质量为235.0439u，中子质量为1.0087u，氙136的质量为135.9072u，锶90的质量为89.9077u，则此核反应中释放的总能量是多少？(1u相当于931.5MeV的能量)答案140.4MeV释放的总能量为ΔE＝(235.0439＋1.0087－135.9072－89.9077－10×1.0087)×931.5MeV≈140.4MeV.返回探究重点提升素养Part

2一、核裂变及链式反应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.导学探究答案当中子进入铀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.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，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应.导学探究(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？导学探究答案不是，铀块体积还须大于或等于临界体积.1.典型的裂变方程知识深化2.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.知识深化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.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全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温.例1命题角度1对裂变的理解√根据核反应满足质量数守恒和电荷数守恒，可得x＝38；y＝94，即Sr的质子数为38，Sr的中子数为94－38＝56，故B正确，A错误；因为核裂变释放能量，出现质量亏损，所以核裂变后总质量减少，但核子数不变，故D错误.例2命题角度2裂变产生核能的计算答案200.6MeV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5.14×1026MeV相当于完全燃烧2797.3t煤1kg铀235原子核中含原子核的个数为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，二、核电站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.

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例3√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.三、核聚变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？导学探究答案轻核的聚变反应，是较轻的核子结合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，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，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度.1.聚变发生的条件：要使轻核发生聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离10－15m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.轻核聚变是放能反应：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放能反应.知识深化3.聚变方程知识深化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

(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

，下列说法正确的是例4命题角度1对聚变的理解A.反应产物X为B.核聚变后的产物X的比结合能小于

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√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

，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

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.

(2021·江苏苏州高二期中)两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014u，氦核质量为4.002u.(1)写出相应的核反应方程；例5命题角度2聚变产生核能的计算(2)求出1kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量.已知：阿伏加德罗常数NA为6.0×1023mol－1，氘核的摩尔质量为2g/mol,1u相当于931.5MeV的能量(结果保留两位有效数字).答案3.6×1027MeV两个氘核结合成一个氦核时释放的能量为ΔE＝(2×2.014u－4.002u)×931.5MeV≈24.22MeV1kg氘中含有的氘核数为1kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量为针对训练(2022·平顶山市第一中学开学考试)已知氘核的平均结合能为1.1MeV，氦核的平均结合能为7.1MeV，则两个氘核结合成一个氦核时A.释放出4.9MeV的能量B.吸收4.9MeV的能量C.吸收24.0MeV的能量D.释放出24.0MeV的能量√两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为：返回E1＝1.1×4MeV＝4.4MeV反应后生成的氦核的结合能为E2＝7.1×4MeV＝28.4MeV所以反应释放的核能ΔE＝E2－E1＝28.4MeV－4.4MeV＝24.0MeV故A、B、C错误，D正确.课时对点练Part

3考点一重核的裂变及链式反应1.(2021·江苏省光华高级中学测试)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.若铀235的体积小于它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生B.为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子C.镉棒也叫控制棒，用来调节中子数目以控制反应速度D.能否发生链式反应与铀块的体积无关基础对点练12345678910111213√12345678910111213要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于等于临界体积或铀块的质量大于等于临界质量；裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变；镉棒吸收中子的能力很强，在核反应中用来调节中子数目以控制反应速度，所以C正确，A、B、D错误.2.关于铀核的裂变，下列叙述正确的是A.核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核，

并吸收大量能量B.核反应堆中铀核自发分裂为两个或几个中等质量的原子核，同时释放

大量的核能C.要使核反应堆中铀核发生链式反应，必须要有慢中子的轰击D.要使核反应堆中铀核发生链式反应，必须要有快中子的轰击12345678910111213√12345678910111213核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核，并释放大量能量，A、B错误；链式反应的条件有三个，一是足够浓度的铀，二是铀的体积需要大于等于临界体积，三是需要慢中子轰击，C正确，D错误.3.2017年11月17日，“中国核潜艇之父”——黄旭华获评全国道德模范，颁奖典礼上，习总书记为他“让座”的场景感人肺腑，下列有关核反应的说法错误的是A.目前核潜艇是利用重核裂变释放的核能提供动力B.重核裂变反应前后一定有质量亏损C. 式中d＝2D.铀核裂变后生成的新核比铀核的比结合能小12345678910111213√12345678910111213目前核潜艇是利用重核裂变释放的核能提供动力，故A正确；根据质能方程可知，重核裂变反应前后一定有质量亏损，故B正确；铀核裂变后生成的新核稳定，可知铀核的比结合能比裂变后生成的新核的比结合能小，故D错误.12345678910111213√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，选项A错误；12345678910111213该反应质量亏损为Δm＝m1＋m2－m3－m4－3m2＝m1－m3－m4－2m2，根据ΔE＝Δmc2，可知释放的核能为ΔE＝(m1－2m2－m3－m4)c2，选项D正确.考点二核电站5.核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是A.燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统B.燃料、减速剂、发热系统和传热系统C.燃料、调速剂、碰撞系统和热系统D.燃料、中子源、原子能聚存和输送系统12345678910111213√12345678910111213核反应堆的主要部分包括①燃料，即浓缩铀235；②减速剂，采用石墨、重水或普通水；③控制调节系统，用控制棒控制链式反应的速度；④冷却系统，水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆的热量传输出去，用于发电，故A正确，B、C、D错误.6.(2021·山东临沂高二期中)核电站利用核能发电，它的核心设备是反应堆，下列说法正确的是A.反应堆是用人工方法控制链式反应速度并获得核能的装置B.目前核电站都是通过聚变反应来利用核能C.控制棒的作用是使中子减速，从而控制链式反应的速度D.通入反应堆中的水起冷却作用和吸收中子的作用12345678910111213√12345678910111213核电站的反应堆是利用可控的核裂变反应释放核能的设备，故A正确.核电站主要利用核裂变的可控链式反应来发电的，故B错误.控制棒的作用是控制中子数量，从而控制链式反应的速度，故C错误.冷却剂把反应堆核反应产生的热量传递出去，同时使反应堆冷却，没有起吸收中子的作用，故D错误.考点三核聚变7.(2021·江苏苏州高二期中)在太阳内部发生的典型核反应方程是＋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()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12345678910111213√12345678910111213核电站利用核裂变来获得核能，A错误；该核反应属于聚变反应，B正确；根据质量数和电荷数守恒，X为正电子，C错误；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.12345678910111213√12345678910111213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，则X为中子，选项A、B错误；因反应放出核能，则反应有质量亏损，即反应前后的质量应满足(m1＋m2)>(m3＋m4)，选项C错误；该反应的质量亏损为Δm＝m1＋m2－m3－m4，反应中释放的核能为E＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，选项D正确.9.(2021·湖北武汉高二期中)2021年1月21日，中广核集团在深圳召开2021年度媒体通报会，会议指出，2020年度中广核24台核电机组保持安全稳定运行，世界核运营者协会WANO指标中，72.6%的指标达到世界先进水平，平均能力因子连续三年保持92%以上，其中宁德核电2号机组全部WANO指标达到卓越值.以下关于核能的有关说法正确的是A.宁德核电2号机组的核能是利用轻核聚变B.原子核比结合能越大，原子核越稳定C.重核裂变是重核分裂成中等大小的核，核的比结合能减小D.重核裂变反应中亏损的质量变成了能量12345678910111213能力综合练√12345678910111213现在所有投入运营的核电站用的都是重核裂变，A错误；原子核比结合能越大，核子结合得越牢固，原子核越稳定，B正确；重核裂变的过程中释放能量，所以重核分裂成中等大小的核，核的比结合能增大，C错误；核裂变反应中释放核能有质量亏损，质量与能量之间存在一定的关系，但不是质量转变为能量，D错误.12345678910111213√1234567891011121312345678910111213越大释放17.612345678910111213E1＝(1.09×2＋2.78×3)MeV＝10.52MeVE2＝7.03×4MeV＝28.12MeV故E2＞E1，核反应向比结合能增