人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：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(cè)PAGEPAGE1第4節(jié)核裂變與核聚變〖學(xué)習(xí)目標(biāo)要求〗1.知道什么是核裂變。2.知道鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件，并能計(jì)算裂變釋放的核能。3.了解裂變反應(yīng)堆的工作原理，知道如何控制核反應(yīng)的速度以及核電站的工作模式。4.知道什么是聚變反應(yīng)，會(huì)計(jì)算核聚變中釋放的核能。5.了解可控?zé)岷朔磻?yīng)及其研究和發(fā)展。一、核裂變的發(fā)現(xiàn)1.核裂變：鈾核被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊的核反應(yīng)。2.鈾核裂變：用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多樣的，其中一種典型的鈾核裂變是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。3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程叫核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。4.臨界體積和臨界質(zhì)量：把核裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫作它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量。5.核裂變的能量：1kg鈾235全部發(fā)生核裂變放出的能量相當(dāng)于2__800__t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能?！寂幸慌小?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)。(√)二、反應(yīng)堆與核電站1.核反應(yīng)堆：控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆，它主要由以下幾部分組成：(1)核燃料：鈾棒。(2)慢化劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng)，采用石墨、重水或普通水做慢化劑。(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。鎘吸收中子的能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度會(huì)慢一些，這種鎘棒叫作控制棒。2.核電站——利用核能發(fā)電的裝置(1)工作原理：核燃料裂變釋放的能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高。(2)能量輸出：利用水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電。同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻。(3)核污染的處理：為避免射線對(duì)人體的傷害和放射性物質(zhì)對(duì)水源、空氣和工作場所造成的放射性污染，在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，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)的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。三、核聚變1.核聚變(1)定義：兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，并釋放出能量的反應(yīng)。(2)舉例：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV。(3)條件：要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離達(dá)到10－15m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，必須克服巨大的庫侖斥力，這就要求原子核具有足夠的動(dòng)能，有一種方法就是把它們加熱到很高的溫度，溫度高達(dá)幾百萬開爾文，因此核聚變又叫熱核反應(yīng)。(4)應(yīng)用：目前，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)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸。(5)太陽能：太陽的主要成分是氫，太陽中心溫度可達(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，太陽能就來自于太陽內(nèi)部核聚變釋放的核能。2.受控?zé)岷朔磻?yīng)(1)核聚變的優(yōu)點(diǎn)：第一：輕核聚變產(chǎn)能效率高。第二：地球上核聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富。第三：輕核聚變更為安全、清潔，控制溫度，可控制反應(yīng)，而且生成的廢物數(shù)量少、易處理。(2)核聚變的難點(diǎn)：地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受熱核反應(yīng)的高溫。(3)控制方法①磁約束：利用磁場約束參加反應(yīng)的物質(zhì)，目前最好的一種磁約束裝置是環(huán)流器。②慣性約束：聚變物質(zhì)因自身的慣性，在極短時(shí)間內(nèi)來不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)，在慣性約束下，用高能量密度的激光或X射線從各個(gè)方向照射反應(yīng)物，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)?！寂幸慌小?1)核聚變時(shí)吸收能量。(×)(2)核聚變平均每個(gè)核子放出的能量，比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量大。(√)(3)熱核反應(yīng)主要用在核武器上，那就是原子彈。(×)(4)輕核聚變比裂變更安全、清潔。(√)(5)實(shí)現(xiàn)核聚變的難點(diǎn)是地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。(√)(6)現(xiàn)在聚變只要達(dá)到臨界質(zhì)量就可以發(fā)生。(×)探究1重核裂變及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)1.鈾核的裂變(1)鈾核受激發(fā)：當(dāng)中子進(jìn)入鈾235后，使核處于激發(fā)狀態(tài)，由于核子的激烈運(yùn)動(dòng)，使核變成不規(guī)則的形狀。(2)鈾核分裂：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2～3個(gè)中子。(3)核能的釋放：裂變中比結(jié)合能變大，因而釋放核能。(4)常見的裂變方程①eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n②eq\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)n2.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.鈾核裂變釋放核能的計(jì)算(1)首先算出裂變反應(yīng)中發(fā)生的質(zhì)量虧損Δm。(2)根據(jù)ΔE＝Δmc2計(jì)算釋放的核能。計(jì)算時(shí)注意Δm與ΔE單位的對(duì)應(yīng)關(guān)系，若Δm用kg做單位，ΔE用J做單位；Δm用u做單位，ΔE用MeV做單位，1u相當(dāng)于931.5MeV的能量。(3)若計(jì)算一定質(zhì)量的鈾塊完全裂變時(shí)放出的核能，應(yīng)先算出鈾塊中有多少個(gè)鈾核(設(shè)為n)，則鈾塊裂變釋放的核能E＝nΔE?！祭?〗(多選)關(guān)于重核裂變的說法正確的是()A.重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)中等質(zhì)量的核時(shí)，重核的中子數(shù)要比裂變后的兩個(gè)中等質(zhì)量核的中子數(shù)多B.只要用中子轟擊鈾塊，就一定能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C.為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，不能利用裂變時(shí)產(chǎn)生的中子D.裂變過程中釋放能量，質(zhì)量虧損〖答案〗AD〖解析〗重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)中等質(zhì)量的核時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩到三個(gè)中子，因此分裂后的中等質(zhì)量核的中子數(shù)減小，故A正確；鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生是有條件的，鈾塊的體積必須大于其發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的臨界體積，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)一旦發(fā)生，中子轟擊鈾核裂變產(chǎn)生的中子再次引起其他鈾核的裂變，且能不斷繼續(xù)下去，故B、C錯(cuò)誤；重核裂變時(shí)質(zhì)量發(fā)生虧損，總能量減小，減小的能量對(duì)外釋放，選項(xiàng)D正確。〖例2〗現(xiàn)有的核電站比較廣泛采用的核反應(yīng)之一是：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(143,60)Nd＋Zr＋3eq\o\al(1,0)n＋8eq\o\al(0,－1)e＋ν(1)核反應(yīng)方程中的ν是中微子，它不帶電，質(zhì)量數(shù)為零，試確定生成物鋯(Zr)的電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù)；(2)已知鈾(U)核的質(zhì)量為235.0439u，中子質(zhì)量為1.0087u，釹(Nd)核質(zhì)量為142.9098u，鋯核質(zhì)量為89.9047u；又知1u相當(dāng)于931.5MeV的能量，試計(jì)算1kg鈾235大約能產(chǎn)生的能量是多少？〖答案〗(1)4090(2)5.06×1026MeV〖解析〗(1)由電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)守恒可得鋯的電荷數(shù)Z＝92－60＋8＝40，質(zhì)量數(shù)A＝236－146＝90；核反應(yīng)方程中應(yīng)用符號(hào)eq\o\al(90,40)Zr表示。(2)1kg鈾235的鈾核數(shù)為n＝eq\f(1000,235)×6.02×1023＝2.56×1024(個(gè))不考慮核反應(yīng)中生成的電子質(zhì)量，一個(gè)鈾核反應(yīng)發(fā)生的質(zhì)量虧損為Δm＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn＝0.212u因此1kg鈾235完全裂變產(chǎn)生的能量約為E＝n·Δm×931.5MeV＝2.56×1024×0.212×931.5MeV＝5.06×1026MeV。探究2核電站1.核電站的主要部件及作用如下表部件名稱項(xiàng)目慢化劑控制棒熱循環(huán)介質(zhì)保護(hù)層采用的材料石墨、重水或普通水(也叫輕水)鎘水或液態(tài)的金屬鈉很厚的水泥外殼作用降低中子速度，便于鈾235吸收吸收中子，控制反應(yīng)速度把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去屏蔽射線，防止放射性污染2.核電站發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)(1)消耗的核燃料少。(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲(chǔ)量大，所能提供的能量大。(3)對(duì)環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小。〖例3〗如圖是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對(duì)該反應(yīng)堆的下列說法正確的是()A.鈾235容易吸收快中子后發(fā)生裂變反應(yīng)B.快中子跟慢化劑的原子核碰撞后的能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)C.控制棒由鎘做成，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些D.要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)快一些〖答案〗B〖解析〗快中子容易與鈾235擦肩而過，快中子跟慢化劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)，故選項(xiàng)B正確，A錯(cuò)誤；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些，故選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤?！坚槍?duì)訓(xùn)練1〗(多選)關(guān)于核反應(yīng)堆，下列說法正確的是()A.鈾棒是核燃料，裂變時(shí)釋放核能B.鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率C.石墨的作用是吸收中子D.冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱能〖答案〗ABD〖解析〗鈾棒是核燃料，裂變時(shí)可放出能量，故選項(xiàng)A正確；鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)，作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，即控制反應(yīng)堆功率，故選項(xiàng)B正確；慢中子最容易引發(fā)核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進(jìn)行減速，石墨的作用是使中子減速，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻，控制溫度，故選項(xiàng)D正確。探究3核聚變反應(yīng)及核能的計(jì)算1.聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變，必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15m，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.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。3.核聚變的應(yīng)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?！祭?〗太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核同時(shí)放出兩個(gè)正電子的熱核反應(yīng)，這個(gè)核反應(yīng)釋放出的大量能量就是太陽的能源。已知質(zhì)子質(zhì)量為mH＝1.0073u，氦核質(zhì)量為mHe＝4.0015u，電子質(zhì)量為me＝0.00055u，1u相當(dāng)于931.5MeV的能量，真空中的光速c＝3×108m/s。(1)寫出這個(gè)核反應(yīng)方程；(2)這一核反應(yīng)能釋放多少能量？(3)已知太陽每秒釋放的能量為3.8×1026J，則太陽每秒減少的質(zhì)量為多少千克？〖答案〗(1)4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,＋1)e(2)24.78MeV(3)4.22×109kg〖解析〗(1)由題意可得核反應(yīng)方程應(yīng)為4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,＋1)e。(2)反應(yīng)前的質(zhì)量m1＝4mH＝4×1.0073u＝4.0292u，反應(yīng)后的質(zhì)量m2＝mHe＋2me＝4.0015u＋2×0.00055u＝4.0026u，Δm＝m1－m2＝0.0266u，由質(zhì)能方程得，釋放能量ΔE＝0.0266×931.5MeV＝24.78MeV。(3)由質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2得太陽每秒減少的質(zhì)量Δm′＝eq\f(ΔE′,c2)＝eq\f(3.8×1026,（3×108）2)kg＝4.22×109kg。〖針對(duì)訓(xùn)練2〗(2021·山西晉中市高二月考)中國科學(xué)院成都研究所的“人工太陽”這一科技成果令世界刮目相看。人工太陽是利用氘核核聚變實(shí)現(xiàn)的，反應(yīng)方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n，下列說法正確的是()A.該反應(yīng)過程中不滿足電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒B.重核裂變比輕核聚變更為安全、清潔C.聚變反應(yīng)相比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子釋放的能量多D.目前核反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量主要來自輕核聚變〖答案〗C〖解析〗核反應(yīng)過程中滿足電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，故A錯(cuò)誤；輕核聚變相比重核裂變更為安全、清潔，故B錯(cuò)誤；聚變反應(yīng)相比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子釋放的能量多，C正確；目前核反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量主要來自重核裂變，D錯(cuò)誤。1.(重核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng))關(guān)于重核裂變，下列說法正確的是()A.重核裂變成中等核要吸收能量B.中子進(jìn)入鈾塊中時(shí)，一定能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C.重核裂變過程中質(zhì)量數(shù)減少D.較重的核分裂成中等大小的核，核子的平均結(jié)合能增加，可以釋放出核能〖答案〗D〖解析〗中等大小的原子核的平均結(jié)合能最大，這些核最穩(wěn)定，如果使較重的核分裂成中等大小的核，核子的平均結(jié)合能增加，可以釋放出能量，故A錯(cuò)誤，D正確；當(dāng)一個(gè)中子引起一個(gè)鈾核的裂變后，放出中子，放出的中子如果能引起其他鈾核裂變，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)才能進(jìn)行，B錯(cuò)誤；核反應(yīng)滿足電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，C錯(cuò)誤。2.(重核的裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng))鈾核裂變時(shí)，對(duì)于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的重要因素，下列說法正確的是()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，最好直接利用裂變時(shí)產(chǎn)生的快中子C.若鈾235的體積超過它的臨界體積，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)〖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)大于臨界體積或臨界質(zhì)量，故選項(xiàng)A、D錯(cuò)誤，C正確；鈾235俘獲慢中子發(fā)生裂變的幾率大，快中子使鈾235發(fā)生裂變的幾率小，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤。3.(輕核的聚變和核能計(jì)算)某同學(xué)