人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案2：5 4核裂變與核聚變

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE35.4核裂變與核聚變〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1.知道什么是裂變、聚變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，知道鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和聚變的條件.2.會書寫裂變和聚變方程，會利用質(zhì)量虧損計算裂變和聚變產(chǎn)生的核能.3.了解核反應(yīng)堆的工作原理，知道如何控制核反應(yīng)的速度．〖自主學(xué)習(xí)〗一、核裂變的發(fā)現(xiàn)1.核裂變的發(fā)現(xiàn)1938年年底,德國物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊

的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),生成物中有原子序數(shù)為56的元素

。重核被

轟擊后分裂成兩個質(zhì)量差不多的新原子核,這類核反應(yīng)定名為核裂變。2.鈾核裂變用中子轟擊鈾核時,鈾核發(fā)生裂變,其產(chǎn)物是多樣的,其中一種典型的反應(yīng)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。鈾核裂變?yōu)?/p>

的原子核,發(fā)生質(zhì)量虧損,所以

能量。3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)由重核裂變產(chǎn)生的

使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程。4.發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件發(fā)生核裂變物質(zhì)的體積大于

或物質(zhì)的質(zhì)量大于

。二、反應(yīng)堆與核電站1.核能釋放的控制通過可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核能釋放的裝置稱為

。2.慢化劑反應(yīng)堆中,為了使核裂變產(chǎn)生的快中子減速,在鈾棒周圍要放“慢化劑”。常用的慢化劑有

、

和普通水。3.控制棒為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度,還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒,它

的能力很強(qiáng),當(dāng)反應(yīng)過于激烈時,可將其插入

一些,多吸收一些中子,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會

一些,這種鎘棒叫作控制棒。4.能量輸出核燃料發(fā)生

釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高,水或液態(tài)的金屬鈉等流體在

內(nèi)外循環(huán)流動,把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去,用于

,同時也使反應(yīng)堆

。5.核污染的處理在反應(yīng)堆外面需要修建很厚的

,用來屏蔽核裂變產(chǎn)物放出的各種射線。核廢料具有很強(qiáng)的

,需要裝入特制的容器,?

。三、核聚變1.定義兩個輕核結(jié)合成

的核,這樣的核反應(yīng)叫作核聚變。2.經(jīng)典反應(yīng)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.發(fā)生核聚變的條件要使輕核發(fā)生核聚變,必須使它們的距離達(dá)到

m以內(nèi),核力才能起作用。由于原子核都帶正電,要使它們接近到這種程度,必須克服巨大的

,這就要求原子核具有足夠的動能。有一種方法就是把它們加熱到

溫度,當(dāng)物質(zhì)的溫度高達(dá)幾百萬開爾文時,一部分原子核發(fā)生核聚變,因此核聚變又叫

。4.實(shí)例(1)太陽能:太陽的主要成分是

。太陽的中心溫度達(dá)1.6×107K,在此高溫下,氫核聚變成氦核的反應(yīng)不停地進(jìn)行著,太陽能就來自太陽內(nèi)部

釋放的核能。(2)氫彈:目前,人工產(chǎn)生的熱核反應(yīng)主要用在核武器上,那就是氫彈,需要用原子彈

爆炸產(chǎn)生的

引發(fā)熱核爆炸。5.核聚變的優(yōu)點(diǎn)(1)輕核聚變產(chǎn)能

。(2)地球上核聚變?nèi)剂系膬α?/p>

。(3)輕核聚變更為安全、清潔。6.實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷朔磻?yīng)的方案(1)磁約束:利用磁場約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。目前性能最好的一種磁約束裝置是

。(2)慣性約束:核聚變物質(zhì)因自身的慣性,在極短時間內(nèi)來不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)。在慣性約束下,用高能量密度的

或X射線從各個方向照射反應(yīng)物,使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)?！贾仉y點(diǎn)突破〗一、核裂變鈾核的裂變和裂變方程(1)原子核受激發(fā):當(dāng)中子進(jìn)入鈾235后,便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核,復(fù)核中由于核子的激烈運(yùn)動,使核變成不規(guī)則的形狀。(2)原子核分裂:核子間的距離增大,核力迅速減弱,使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊,同時放出2或3個中子。這些中子又引起其他鈾核裂變,這樣,裂變就會不斷地進(jìn)行下去,釋放出越來越多的核能。(3)常見的裂變方程: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。發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件(1)鈾塊的體積大于臨界體積。(2)鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量。以上兩個條件滿足一個,則另一個條件自動滿足。導(dǎo)師『點(diǎn)石成金』(1)鈾核的裂變只能發(fā)生在人為的核反應(yīng)中,自然界中不會自發(fā)地產(chǎn)生裂變,而是會發(fā)生衰變。(2)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度很快,如不加以控制,能量在瞬間急劇釋放會引起劇烈爆炸(如原子彈)。如果運(yùn)用一定辦法加以控制就可以和平利用這種巨大的能量(如核電站、核潛艇等)。二、核聚變核聚變是放能反應(yīng)從比結(jié)合能的圖線看,輕核聚變后比結(jié)合能增大,因此核聚變反應(yīng)是一個放能反應(yīng)。核聚變的特點(diǎn)(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時,輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。(2)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生,就不再需要外界給它能量,靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去。(3)普遍性:熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進(jìn)行著,太陽就是一個巨大的熱核反應(yīng)堆?！嫉淅觥嚼?．下列核反應(yīng)中，表示核裂變的是()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．在核反應(yīng)中，控制鈾235核裂變反應(yīng)速度的方法是()A．使用濃縮鈾B．改變鈾塊的臨界體積C．通過自動控制裝置，改變鎘棒插入的深度，以控制反應(yīng)速度D．利用石墨與中子的碰撞來改變中子的速度例3．太陽內(nèi)部核反應(yīng)的主要模式之一是質(zhì)子－質(zhì)子循環(huán)，循環(huán)的結(jié)果可表示為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的質(zhì)量分別為mp＝1.0078u和mα＝4.0026u，1u＝931MeV/c2，c為光速。在4個eq\o\al(1,1)H轉(zhuǎn)變?yōu)?個eq\o\al(4,2)He的過程中，釋放的能量約為()A．8MeV B．16MeVC．26MeV D．52MeV〖隨堂演練〗1．(多選)關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是()A．核裂變釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時得到的能量B．鈾核裂變在自然界中會自發(fā)地產(chǎn)生C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少D．由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能2．關(guān)于核聚變，以下說法正確的是()A．與重核裂變相比輕核聚變輻射極少，更為安全、清潔B．世界上已經(jīng)有利用核聚變來發(fā)電的核電站C．要使輕核發(fā)生核聚變，必須使它們的距離達(dá)到10－10m以內(nèi)，核力才能起作用D．核聚變比核裂變更易控制3．鈾核裂變時，對于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的重要因素，下列說法中正確的是()A．鈾塊的質(zhì)量是重要因素，與體積無關(guān)B．為了使鈾235裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好直接利用核裂變時產(chǎn)生的快中子C．若鈾235的體積超過它的臨界體積，核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就能夠發(fā)生D．裂變能否發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與鈾塊的質(zhì)量無關(guān)4．現(xiàn)已建成的核電站發(fā)電的能量主要來自于()A．天然放射性元素衰變放出的能量B．人工放射性同位素放出的能量C．重核裂變放出的能量D．化學(xué)反應(yīng)放出的能量5．如圖是核反應(yīng)堆的示意圖，對于核反應(yīng)堆的認(rèn)識，下列說法正確的是()A．鈾棒是核燃料，核心物質(zhì)是鈾238B．石墨起到吸收中子的作用C．鎘棒起到使中子減速的作用D．水泥防護(hù)層的作用是為了阻隔γ射線，避免放射性危害

▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁〖自主學(xué)習(xí)〗一、鈾核鋇中子中等質(zhì)量放出中子臨界體積臨界質(zhì)量二、核反應(yīng)堆石墨重水吸收中子深慢核裂變反應(yīng)堆發(fā)電冷卻水泥層放射性深埋地下三、質(zhì)量較大10-15庫侖斥力很高的熱核反應(yīng)氫核聚變高溫高壓效率高豐富環(huán)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衰變，eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)e是β衰變，eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n是人工轉(zhuǎn)變，只有選項C是重核裂變，C正確。例2．〖答案〗C〖解析〗利用控制系統(tǒng)吸收慢中子，控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，C選項正確。例3．〖答案〗C〖解析〗核反應(yīng)質(zhì)量虧損Δm＝4×1.0078u－4.0026u＝0.0286u，釋放的能量ΔE＝0.0286×931MeV≈26.6MeV，選項C正確?！茧S堂演練〗1.〖答案〗AD2.〖答案〗A3.〖答案〗C〖解析〗要發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)必須使鈾塊體積(或質(zhì)量)大于等于臨界體積(或臨界質(zhì)量)，A、D錯誤，C正確；鈾235俘獲慢中子發(fā)生核裂變的概率大，快中子使鈾235發(fā)生核裂變的幾率小，B錯誤。4.〖答案〗C〖解析〗核電站發(fā)電的能量主要來自于重核裂變放出的能量，C正確。5.〖答案〗D〖解析〗核反應(yīng)堆采用的核燃料為鈾棒，核心物質(zhì)是鈾235，A錯誤；石墨的作用是使快中子減速，B錯誤；鎘棒的作用是吸收中子，C錯誤；水泥防護(hù)層的作用是為了阻隔γ射線，避免放射性危害，D正確。5.4核裂變與核聚變〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1.知道什么是裂變、聚變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，知道鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和聚變的條件.2.會書寫裂變和聚變方程，會利用質(zhì)量虧損計算裂變和聚變產(chǎn)生的核能.3.了解核反應(yīng)堆的工作原理，知道如何控制核反應(yīng)的速度．〖自主學(xué)習(xí)〗一、核裂變的發(fā)現(xiàn)1.核裂變的發(fā)現(xiàn)1938年年底,德國物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊

的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),生成物中有原子序數(shù)為56的元素

。重核被

轟擊后分裂成兩個質(zhì)量差不多的新原子核,這類核反應(yīng)定名為核裂變。2.鈾核裂變用中子轟擊鈾核時,鈾核發(fā)生裂變,其產(chǎn)物是多樣的,其中一種典型的反應(yīng)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。鈾核裂變?yōu)?/p>

的原子核,發(fā)生質(zhì)量虧損,所以

能量。3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)由重核裂變產(chǎn)生的

使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程。4.發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件發(fā)生核裂變物質(zhì)的體積大于

或物質(zhì)的質(zhì)量大于

。二、反應(yīng)堆與核電站1.核能釋放的控制通過可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核能釋放的裝置稱為

。2.慢化劑反應(yīng)堆中,為了使核裂變產(chǎn)生的快中子減速,在鈾棒周圍要放“慢化劑”。常用的慢化劑有

、

和普通水。3.控制棒為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度,還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒,它

的能力很強(qiáng),當(dāng)反應(yīng)過于激烈時,可將其插入

一些,多吸收一些中子,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會

一些,這種鎘棒叫作控制棒。4.能量輸出核燃料發(fā)生

釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高,水或液態(tài)的金屬鈉等流體在

內(nèi)外循環(huán)流動,把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去,用于

,同時也使反應(yīng)堆

。5.核污染的處理在反應(yīng)堆外面需要修建很厚的

,用來屏蔽核裂變產(chǎn)物放出的各種射線。核廢料具有很強(qiáng)的

,需要裝入特制的容器,?

。三、核聚變1.定義兩個輕核結(jié)合成

的核,這樣的核反應(yīng)叫作核聚變。2.經(jīng)典反應(yīng)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.發(fā)生核聚變的條件要使輕核發(fā)生核聚變,必須使它們的距離達(dá)到

m以內(nèi),核力才能起作用。由于原子核都帶正電,要使它們接近到這種程度,必須克服巨大的

,這就要求原子核具有足夠的動能。有一種方法就是把它們加熱到

溫度,當(dāng)物質(zhì)的溫度高達(dá)幾百萬開爾文時,一部分原子核發(fā)生核聚變,因此核聚變又叫

。4.實(shí)例(1)太陽能:太陽的主要成分是

。太陽的中心溫度達(dá)1.6×107K,在此高溫下,氫核聚變成氦核的反應(yīng)不停地進(jìn)行著,太陽能就來自太陽內(nèi)部

釋放的核能。(2)氫彈:目前,人工產(chǎn)生的熱核反應(yīng)主要用在核武器上,那就是氫彈,需要用原子彈

爆炸產(chǎn)生的

引發(fā)熱核爆炸。5.核聚變的優(yōu)點(diǎn)(1)輕核聚變產(chǎn)能

。(2)地球上核聚變?nèi)剂系膬α?/p>

。(3)輕核聚變更為安全、清潔。6.實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷朔磻?yīng)的方案(1)磁約束:利用磁場約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。目前性能最好的一種磁約束裝置是

。(2)慣性約束:核聚變物質(zhì)因自身的慣性,在極短時間內(nèi)來不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)。在慣性約束下,用高能量密度的

或X射線從各個方向照射反應(yīng)物,使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)?！贾仉y點(diǎn)突破〗一、核裂變鈾核的裂變和裂變方程(1)原子核受激發(fā):當(dāng)中子進(jìn)入鈾235后,便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核,復(fù)核中由于核子的激烈運(yùn)動,使核變成不規(guī)則的形狀。(2)原子核分裂:核子間的距離增大,核力迅速減弱,使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊,同時放出2或3個中子。這些中子又引起其他鈾核裂變,這樣,裂變就會不斷地進(jìn)行下去,釋放出越來越多的核能。(3)常見的裂變方程: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。發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件(1)鈾塊的體積大于臨界體積。(2)鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量。以上兩個條件滿足一個,則另一個條件自動滿足。導(dǎo)師『點(diǎn)石成金』(1)鈾核的裂變只能發(fā)生在人為的核反應(yīng)中,自然界中不會自發(fā)地產(chǎn)生裂變,而是會發(fā)生衰變。(2)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度很快,如不加以控制,能量在瞬間急劇釋放會引起劇烈爆炸(如原子彈)。如果運(yùn)用一定辦法加以控制就可以和平利用這種巨大的能量(如核電站、核潛艇等)。二、核聚變核聚變是放能反應(yīng)從比結(jié)合能的圖線看,輕核聚變后比結(jié)合能增大,因此核聚變反應(yīng)是一個放能反應(yīng)。核聚變的特點(diǎn)(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時,輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。(2)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生,就不再需要外界給它能量,靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去。(3)普遍性:熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進(jìn)行著,太陽就是一個巨大的熱核反應(yīng)堆?！嫉淅觥嚼?．下列核反應(yīng)中，表示核裂變的是()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．在核反應(yīng)中，控制鈾235核裂變反應(yīng)速度的方法是()A．使用濃縮鈾B．改變鈾塊的臨界體積C．通過自動控制裝置，改變鎘棒插入的深度，以控制反應(yīng)速度D．利用石墨與中子的碰撞來改變中子的速度例3．太陽內(nèi)部核反應(yīng)的主要模式之一是質(zhì)子－質(zhì)子循環(huán)，循環(huán)的結(jié)果可表示為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的質(zhì)量分別為mp＝1.0078u和mα＝4.0026u，1u＝931MeV/c2，c為光速。在4個eq\o\al(1,1)H轉(zhuǎn)變?yōu)?個eq\o\al(4,2)He的過程中，釋放的能量約為()A．8MeV B．16MeVC．26MeV D．52MeV〖隨堂演練〗1．(多選)關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是()A．核裂變釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時得到的能量B．鈾核裂變在自然界中會自發(fā)地產(chǎn)生C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少D．由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能2．關(guān)于核聚變，以下說法正確的是()A．與重核裂變相比輕核聚變輻射極少，更為安全、清潔B．世界上已經(jīng)有利用核聚變來發(fā)電的核電站C．要使輕核發(fā)生核聚變，必須使它們的距離達(dá)到10－10m以內(nèi)，核力才能起作用D．核聚變比核裂變更易控制3．鈾核裂變時，對于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的重要因素，下列說法中正確的是()A．鈾塊的質(zhì)量是重要因素，與體積無關(guān)B．為了使鈾235裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好直接利用核裂變時產(chǎn)生的快中子C．若鈾235的體積超過它的臨界體積，核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就能夠發(fā)生D．裂變能否發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與鈾塊的質(zhì)量無關(guān)4．現(xiàn)已建成的核電站發(fā)電的能量主要來自于()A．天然放射性元素衰變放出的能量B．人工放射性同位素放出的能量C．重核裂變放出的能量D．化學(xué)反應(yīng)放出的能量5．如圖是核反應(yīng)堆的示意圖，對于核反應(yīng)堆的認(rèn)識，下列說法正確的是()A．鈾棒是核燃料，核心物質(zhì)