第4、5節(jié)　核裂變和核聚變　核能的利用與環(huán)境保護(hù)

第4、5節(jié)核裂變和核聚變核能的利用與環(huán)境保護(hù)核心素養(yǎng)點(diǎn)擊物理觀念1.了解核裂變反應(yīng)及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件。2.了解核聚變反應(yīng)的條件。3.知道核電站的工作模式?？茖W(xué)思維通過熱核反應(yīng)的條件，認(rèn)識(shí)熱核反應(yīng)可能的控制方法?？茖W(xué)探究探究核電站的組成，知道其工作原理?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任1.了解兩類核能應(yīng)用的利弊，關(guān)注技術(shù)應(yīng)用對(duì)人類生活和社會(huì)發(fā)展的影響。2.感悟人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)是不斷深入的，形成相對(duì)完整、科學(xué)的物質(zhì)觀念。1．填一填(1)重核裂變②臨界體積：能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的

體積。2．判一判(1)鈾核裂變的產(chǎn)物是固定的，就是生成鋇和氪，同時(shí)放出3個(gè)中子。

(

)(2)裂變中放出的中子數(shù)目是固定的3個(gè)中子。

(

)(3)只有鈾塊的體積大于臨界體積時(shí)，才能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

(

)最小××√3．想一想(1)重核裂變是一種天然現(xiàn)象嗎？提示：重核裂變不是天然現(xiàn)象，是中子轟擊才能發(fā)生的核反應(yīng)。(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)？提示：有中子轟擊鈾塊，且鈾塊的體積大于臨界體積，這樣就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。2．判一判(1)太陽中發(fā)生的是可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)。

(

)(2)輕核發(fā)生聚變反應(yīng)不需要條件。

(

)(3)輕核發(fā)生聚變反應(yīng)核子必須達(dá)到核力發(fā)生作用的范圍。

(

)3．選一選××√1．填一填(1)核電站：將

釋放的核能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電廠。工作流程：將反應(yīng)堆釋放的核能轉(zhuǎn)化為蒸汽的內(nèi)能，再利用蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能。(2)核武器：

和

是眾所周知的兩種核武器。(3)核能的優(yōu)勢(shì)①核能發(fā)電比燃煤發(fā)電的成本

。②核能發(fā)電比燃煤發(fā)電對(duì)環(huán)境帶來的污染

。反應(yīng)堆原子彈氫彈低小(4)核能利用存在的危害①核廢料的高

。②放射性物質(zhì)泄漏，產(chǎn)生

。③核武器威力巨大，不僅能摧毀生命，而且會(huì)使生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞。2．判一判(1)核電站將核反應(yīng)堆釋放的核能轉(zhuǎn)化為電能。

(

)(2)目前，可控?zé)岷司圩円呀?jīng)被廣泛應(yīng)用于核電站發(fā)電。

(

)(3)核能是一種新能源，不會(huì)造成環(huán)境污染。

(

)輻射性核污染√××3．選一選現(xiàn)已建成的核電站發(fā)電的能量來自于

(

)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)放出的能量解析：現(xiàn)在核電站所用原料主要是鈾，利用鈾裂變放出的核能發(fā)電，故C項(xiàng)正確。答案：C

如圖為核裂變示意圖。(1)試寫出一種鈾核裂變的核反應(yīng)方程。(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)嗎？提示：不可以，有中子轟擊鈾塊，鈾塊的體積大于臨界體積，才產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

[重難釋解]1．鈾核的裂變和裂變方程(1)核子受激發(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(dòng)，使核變成不規(guī)則的形狀。(2)核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時(shí)放出2或3個(gè)中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會(huì)不斷地進(jìn)行下去，釋放出越來越多的核能。2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件(1)有慢中子轟擊。(2)鈾塊的體積大于臨界體積，或鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量。3．裂變反應(yīng)的能量鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量。一個(gè)鈾235核裂變時(shí)釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變時(shí)放出的能量相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能，裂變時(shí)能產(chǎn)生幾百萬攝氏度的高溫。4．鈾235比鈾238更易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在天然鈾中，主要有兩種同位素，99.3%的是鈾238，0.7%的是鈾235，中子能引起這兩種鈾核發(fā)生裂變，但它們和中子發(fā)生作用的情況不同。(1)鈾235：俘獲各種能量的中子都會(huì)發(fā)生裂變，且俘獲低能量的中子發(fā)生裂變的概率大。(2)鈾238：只有俘獲能量大于1MeV的中子才能發(fā)生裂變，且裂變的概率小。能量低于1MeV的中子只與鈾核發(fā)生彈性碰撞，不引起裂變。因此，為了使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好利用純鈾235。計(jì)算重核裂變釋放核能的兩個(gè)角度(1)根據(jù)ΔE＝Δmc2計(jì)算，其中質(zhì)量虧損(Δm)的單位用kg，核能(ΔE)的單位用J。(2)利用原子質(zhì)量單位計(jì)算，1u對(duì)應(yīng)著931.5MeV的能量，用質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5MeV，此時(shí)Δm的單位是u，ΔE的單位是MeV。2．關(guān)于鈾核的裂變，下列敘述正確的是

(

)A．核反應(yīng)堆中鈾核俘獲一個(gè)中子后分裂為兩個(gè)或幾個(gè)中等質(zhì)量的原子核，并吸收大量能量

B．核反應(yīng)堆中鈾核自發(fā)分裂為兩個(gè)或幾個(gè)中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)釋放大量的核能C．要使核反應(yīng)堆中鈾核發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，必須要有慢中子的轟擊D．要使核反應(yīng)堆中鈾核發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，必須要有快中子的轟擊解析：核反應(yīng)堆中鈾核俘獲一個(gè)中子后分裂為兩個(gè)或幾個(gè)中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)釋放大量的核能，故A、B錯(cuò)誤；要使核反應(yīng)堆中鈾核發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，必須要有慢中子的轟擊，快中子不易捕獲，故C正確，D錯(cuò)誤。答案：C

為什么實(shí)現(xiàn)核聚變要使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫？提示：參與反應(yīng)的原子核必須接近到核力的作用范圍內(nèi)，約為10－15m這種程度，因而必須使它們具有很大的動(dòng)能以克服原子核之間巨大的庫侖斥力做功，使原子核的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為原子核的電勢(shì)能，使核子之間的核力發(fā)生作用，輕核才能聚變成質(zhì)量較大的核。

[重難釋解]1．核聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變，必須使輕核間距達(dá)到核力發(fā)生作用的距離10－15m以內(nèi)，這要克服電荷間強(qiáng)大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動(dòng)能。要使原子核具有足夠大的動(dòng)能，就要給它們加熱，使物質(zhì)達(dá)到幾百萬開爾文的高溫。2．輕核聚變是放能反應(yīng)從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個(gè)放能反應(yīng)。3．核聚變的特點(diǎn)(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，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(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆。4．核聚變的作用(1)核武器——?dú)鋸棧阂环N不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置。它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。(2)可控?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探索階段。5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別

重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個(gè)核子放出的能量要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡(jiǎn)單得多

重核裂變輕核聚變?cè)系奶N(yùn)藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽?chǔ)量有限，尤其用于核裂變的鈾235在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲(chǔ)量非常豐富，1L海水中大約有0.03g氘，如果用來進(jìn)行熱核反應(yīng)，放出的能量約與燃燒300L汽油相當(dāng)可控性速度比較容易進(jìn)行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應(yīng)釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它(1)核聚變反應(yīng)和一般的核反應(yīng)一樣，也遵循電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，這是書寫核反應(yīng)方程式的重要依據(jù)。(2)核能的計(jì)算關(guān)鍵是要求出核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損，然后代入ΔE＝Δmc2進(jìn)行計(jì)算。解析：A項(xiàng)是氫元素的兩種同位素氘和氚聚變成氦元素的核反應(yīng)方程，B項(xiàng)是用α粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程，C項(xiàng)屬于原子核的人工轉(zhuǎn)變，D項(xiàng)屬于重核的裂變，因此只有A項(xiàng)正確。答案：A

解析：為求出系列反應(yīng)完成后釋放的能量，將題中所給的核反應(yīng)方程左右兩側(cè)分別相加，消去兩側(cè)相同的項(xiàng)，系列反應(yīng)最終等效為4p―→α＋2e＋＋2ν設(shè)反應(yīng)后釋放的能量為Q，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程和能量守恒定律得4mpc2＝mαc2＋2mec2＋Q代入數(shù)值解得Q＝3.95×10－12J。答案：3.95×10－12

J二、注重學(xué)以致用和思維建模1．(多選)我國(guó)核聚變反應(yīng)研究大科學(xué)裝置“人造太陽”2018年獲得重大突破，等離子體中心電子溫度首次達(dá)到1億度，為人類開發(fā)利用核聚變能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。下列關(guān)于聚變的說法正確的是

(

)A．核聚變比核裂變更為安全、清潔B．任何兩個(gè)原子核都可以發(fā)生聚變C．兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前增加D．兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的比結(jié)合能增加解析：與核裂變相比，輕核聚變沒有放射性污染，安全、清潔，A正確；只有原子序數(shù)小的輕核才能發(fā)生聚變，B錯(cuò)誤；輕核聚變成質(zhì)量較大的原子核，比結(jié)合能增加、總質(zhì)量減小，故C錯(cuò)誤，D正確。答案：AD

解析：質(zhì)量虧損Δ