物理選修3-5全套講義第四章核能4-34

第3節(jié)核聚變第4節(jié)核能的利用與環(huán)境保護(hù)[目標(biāo)定位]1.了解聚變反應(yīng)的特點(diǎn)及其條件.2.了解可控?zé)岷朔磻?yīng)及其研究和發(fā)展.3.了解核電站的構(gòu)造和基本原理，了解核武器的種類.4.了解核能利用的優(yōu)勢、危害及其防護(hù)措施．一、輕核聚變1．定義采用輕核聚合成較重核引起結(jié)合能變化的方式獲得核能的核反應(yīng)，稱為輕核聚變．2．核反應(yīng)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.3．能量變化輕核聚變后，平均結(jié)合能增加，反應(yīng)中會(huì)釋放能量．二、可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)1．熱核聚變反應(yīng)的條件必須使原子核的距離達(dá)到10－15m以下，使核具有足夠的動(dòng)能，輕核才能夠發(fā)生聚變．2．約束聚變材料的方法引力約束、磁約束、慣性約束．三、核能的利用與環(huán)境保護(hù)1．核電站是將反應(yīng)堆釋放的核能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電廠，它的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆．2．核武器原子彈和氫彈是眾所周知的兩種核武器．(1)原子彈：是一種沒有減速劑、不加控制的爆炸性鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裝置．(2)氫彈：是一種靠慣性約束、不需人工控制而實(shí)現(xiàn)聚變的反應(yīng)裝置．3．核能的優(yōu)勢與危害(1)優(yōu)勢：核能發(fā)電比燃煤發(fā)電的成本低；核電站對環(huán)境污染比燃煤發(fā)電小得多．(2)危害：核廢料具有高放射性．一、核聚變及核能的計(jì)算1．聚變發(fā)生的條件：要使輕核聚變，必須使輕核接近到核力發(fā)生作用的距離10－15m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)：從平均結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后平均結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是放能反應(yīng)．3．聚變方程：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.4．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別反應(yīng)方式比較項(xiàng)目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)核子放出的能量大約要大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)容易得多【例1】以下說法正確的是()A．聚變是裂變的逆反應(yīng)B．如果裂變釋放能量，則聚變反應(yīng)必定吸收能量C．聚變須將反應(yīng)物加熱至數(shù)百萬開爾文以上的高溫，顯然是吸收能量D．裂變與聚變均可釋放巨大的能量答案D解析從形式上看，裂變與聚變似乎是互為逆反應(yīng)，但其實(shí)不然，因?yàn)槎叩姆磻?yīng)物和生成物完全不同．裂變是重核分裂成中等質(zhì)量核，而聚變則是輕核聚合成為較重核，無直接關(guān)聯(lián)，并非互為逆反應(yīng)，A項(xiàng)錯(cuò)；既然裂變與聚變不是互為逆反應(yīng)，則在能量流向上也不必相反，B項(xiàng)錯(cuò)；要實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，必須使參加反應(yīng)的輕核充分接近，需要數(shù)百萬開爾文的高溫提供能量，但聚變反應(yīng)一旦實(shí)現(xiàn)，所釋放的能量遠(yuǎn)大于所吸收的能量，因此，總的來說，聚變反應(yīng)還是釋放能量，故C項(xiàng)錯(cuò)，D項(xiàng)對．【例2】一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子聚變?yōu)橐粋€(gè)氚核，已知質(zhì)子質(zhì)量mH＝1.0073u，中子質(zhì)量mn＝1.0087u，氚核質(zhì)量mT＝3.0180u．求：(1)寫出聚變方程．(2)釋放出的核能是多大？(3)平均每個(gè)核子釋放的能量是多大？答案見解析解析(1)聚變方程eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H.(2)質(zhì)量虧損Δm＝mH＋2mn－mT＝(1.0073＋2×1.0087－3.0180)u＝0.0067u，釋放的核能ΔE＝0.0067×931.5MeV≈6.24MeV.(3)平均每個(gè)核子放出的能量為eq\f(6.24,3)MeV＝2.08MeV.借題發(fā)揮輕核聚變釋放核能的計(jì)算方法(1)根據(jù)質(zhì)量虧損計(jì)算根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損(Δm)的千克數(shù)乘以真空中的光速(c＝3×108m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2.①(2)根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5MeV能量，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm的數(shù)值×931.5MeV②注意：式①中Δm的單位為kg，ΔE的單位是J；式②中Δm的單位是u，ΔE的單位是MeV.針對訓(xùn)練1氘核(eq\o\al(2,1)H)和氚核(eq\o\al(3,1)H)結(jié)合成氦核(eq\o\al(4,2)He)的核反應(yīng)方程：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(1)這個(gè)核反應(yīng)稱為________．(2)要發(fā)生這樣的核反應(yīng)，需要將反應(yīng)物質(zhì)的溫度加熱到幾百萬開爾文．式中17.6MeV是核反應(yīng)中________(選填“放出”或“吸收”)的能量，核反應(yīng)后生成物的總質(zhì)量比核反應(yīng)前物質(zhì)的總質(zhì)量________(選填“增加”或“減少”)了________kg(保留一位有效數(shù)字)．答案(1)聚變(2)放出減少3×10－29解析在輕核聚變反應(yīng)中，由于質(zhì)量虧損，放出核能，由ΔE＝Δmc2，可以求得Δm＝eq\f(ΔE,c2)≈3×10－29kg.二、核反應(yīng)類型的判斷【例3】下列說法不正確的是()A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是聚變B.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n是裂變C.eq\o\al(226,88)Ra→eq\o\al(222,86)Rn＋eq\o\al(4,2)He是α衰變D.eq\o\al(24,11)Na→eq\o\al(24,12)Mg＋eq\o\al(0,－1)e是裂變答案D解析A選項(xiàng)中是兩個(gè)質(zhì)量較輕的核結(jié)合成了一個(gè)質(zhì)量較重的核，是聚變反應(yīng)，故A選項(xiàng)正確；B選項(xiàng)的核反應(yīng)是鈾核捕獲中子裂變?yōu)閮蓚€(gè)(或更多)中等質(zhì)量的核，并放出幾個(gè)中子，是裂變反應(yīng)，故B選項(xiàng)正確；在C選項(xiàng)的核反應(yīng)中沒有中子的轟擊自發(fā)地放出了α粒子，是α衰變，C選項(xiàng)是正確的；而D選項(xiàng)應(yīng)是β衰變，不正確．故答案為D.借題發(fā)揮主要核反應(yīng)類型有：(1)衰變：衰變是原子核自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核并輻射出α或β粒子．(2)人工轉(zhuǎn)變：人工轉(zhuǎn)變常用α粒子(也可用質(zhì)子、中子等)轟擊原子核，該核捕獲α粒子后產(chǎn)生新原子核，并放出一個(gè)或幾個(gè)粒子．(3)核裂變：核裂變時(shí)鈾核捕獲中子裂變?yōu)閮蓚€(gè)(或多個(gè))中等質(zhì)量的核，并放出幾個(gè)中子．(4)核聚變：輕核聚合成中等質(zhì)量的核反應(yīng)．針對訓(xùn)練2(多選)下列說法正確的是()A.eq\o\al(15,7)N＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(4,2)He是α衰變方程B.eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋γ是核聚變反應(yīng)方程C.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He是核裂變反應(yīng)方程D.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n是原子核的人工轉(zhuǎn)變方程答案BD解析選項(xiàng)A、D為原子核的人工轉(zhuǎn)變，選項(xiàng)B為輕核聚變，選項(xiàng)C為原子核的α衰變，故選項(xiàng)B、D正確.對核聚變的理解及其核反應(yīng)方程1．科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在月球上含有豐富的eq\o\al(3,2)He(氦3)，它是一種高效、清潔、安全的核聚變?nèi)剂希鋮⑴c的一種核聚變反應(yīng)的方程式為eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(3,2)He→2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(4,2)He，關(guān)于eq\o\al(3,2)He聚變下列表述正確的是()A．聚變反應(yīng)不會(huì)釋放能量B．聚變反應(yīng)產(chǎn)生了新的原子核C．聚變反應(yīng)沒有質(zhì)量虧損D．目前核電站都采用eq\o\al(3,2)He聚變反應(yīng)發(fā)電答案B解析核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生新的原子核，同時(shí)由于發(fā)生了質(zhì)量虧損，會(huì)有核能的釋放，這是人類利用核能的途徑之一．目前核電站大多采用重核裂變的方法來釋放與利用核能發(fā)電．2．某科學(xué)家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論，其中的兩個(gè)核反應(yīng)方程為eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(12,6)C→eq\o\al(13,7)N＋Q1，eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(15,7)N→eq\o\al(12,6)C＋X＋Q2方程中Q1、Q2表示釋放的能量，相關(guān)的原子核質(zhì)量見下表：原子核eq\o\al(1,1)Heq\o\al(3,2)Heeq\o\al(4,2)Heeq\o\al(12,6)Ceq\o\al(13,7)Neq\o\al(15,7)N質(zhì)量/u1.00783.01604.002612.000013.005715.0001以下推斷正確的是()A．X是eq\o\al(3,2)He，Q2>Q1 B．X是eq\o\al(4,2)He，Q2>Q1C．X是eq\o\al(3,2)He，Q2<Q1 D．X是eq\o\al(4,2)He，Q2<Q1答案B解析根據(jù)核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒容易求得新核X的質(zhì)量數(shù)為4、電荷數(shù)為2，即X是eq\o\al(4,2)He；根據(jù)表中提供的數(shù)據(jù)，可以求得第2個(gè)核反應(yīng)的質(zhì)量虧損大，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程必然有Q1<Q2.核反應(yīng)類型的判斷3．現(xiàn)有三個(gè)核反應(yīng)：①eq\o\al(24,11)Na→eq\o\al(24,12)Mg＋eq\o\al(0,－1)e②eq\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)n③eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n.下列說法正確的是()A．①是裂變，②是β衰變，③是聚變B．①是聚變，②是裂變，③是β衰變C．①是β衰變，②是裂變，③是聚變D．①是β衰變，②是聚變，③是裂變答案C解析原子核自發(fā)地放出某種粒子成為新的原子核，叫做衰變，①為β衰變．原子序數(shù)較大的重核分解成原子序數(shù)較小的原子核，叫做重核裂變，②為裂變．原子序數(shù)較小的原子核聚合成原子序數(shù)較大的原子核，叫做輕核聚變，③為聚變．故正確答案為C.計(jì)算核聚變釋放的能量4．一個(gè)氘核(eq\o\al(2,1)H)和一個(gè)氚核(eq\o\al(3,1)H)結(jié)合成一個(gè)氦核(eq\o\al(4,2)He)，同時(shí)放出一個(gè)中子，已知氘核質(zhì)量為m1＝2.0141u，氚核質(zhì)量為m2＝3.0160u，氦核質(zhì)量為m3＝4.0026u，中子質(zhì)量為m4＝1.0087u，求：(1)寫出聚變的核反應(yīng)方程；(2)此反應(yīng)過程中釋放的能量為多少？平均每個(gè)核子釋放出多少核能？答案(1)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n(2)17.5MeV3.5MeV解析(1)核反應(yīng)方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n.(2)此反應(yīng)過程的質(zhì)量虧損為Δm＝2.0141u＋3.0160u－4.0026u－1.0087u＝0.0188u，ΔE＝0.0188×931.5MeV≈17.5MeV.平均每個(gè)核子釋放的核能為eq\f(17.5,5)MeV＝3.5MeV.(時(shí)間：60分鐘)題組一對核聚變的理解1．(多選)下列說法中正確的是()A．聚變反應(yīng)中有質(zhì)量虧損，所以必向外界放出能量B．發(fā)生核聚變反應(yīng)必須使核之間的距離接近到10－15m，也就是接近到核力能夠發(fā)生作用的范圍內(nèi)C．要使核發(fā)生聚變反應(yīng)，必須克服核力做功D．熱核反應(yīng)只有在人工控制下才能發(fā)生答案AB解析由質(zhì)能方程可知A正確；輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，必須使輕核間的距離達(dá)到能發(fā)生核力的范圍，才能使它們緊密地結(jié)合起來，B正確、C錯(cuò)誤；熱核反應(yīng)必須在很高的溫度下才能發(fā)生，不一定要人工控制，D錯(cuò)．2．關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是()A．一次聚變反應(yīng)一定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多B．聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)每個(gè)核子釋放的平均能量一定大C．聚變反應(yīng)中粒子的平均結(jié)合能變小D．聚變反應(yīng)中由于形成質(zhì)量較大的核，故反應(yīng)后質(zhì)量增加答案B解析在一次聚變反應(yīng)中釋放的能量不一定比裂變反應(yīng)多，但平均每個(gè)核子釋放的能量一定大，故A錯(cuò)誤，B正確；由于聚變反應(yīng)中釋放出巨大能量，則平均結(jié)合能一定增加，質(zhì)量發(fā)生虧損，故C、D錯(cuò)誤．3．太陽不斷地向外輻射能量，仍保持1千萬度以上的高溫，其主要原因是太陽內(nèi)部進(jìn)行著劇烈地()A．衰變反應(yīng) B．人工核反應(yīng)C．裂變反應(yīng) D．熱核反應(yīng)答案D解析太陽的內(nèi)部時(shí)刻都在進(jìn)行著輕核的聚變，即熱核反應(yīng)．4．重核裂變和輕核聚變是人們獲得核能的兩個(gè)途徑，下列說法中正確的是()A．裂變過程質(zhì)量增加，聚變過程質(zhì)量虧損B．裂變過程質(zhì)量虧損，聚變過程質(zhì)量增加C．裂變過程和聚變過程都有質(zhì)量增加D．裂變過程和聚變過程都有質(zhì)量虧損答案D解析重核裂變和輕核聚變都能釋放巨大的能量，由愛因斯坦質(zhì)能方程知兩過程均會(huì)有質(zhì)量虧損．5．太陽能的產(chǎn)生是由于太陽內(nèi)部高溫高壓條件下的熱核聚變反應(yīng)形成的，其核反應(yīng)方程是()A．4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e B.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HC.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n D.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He答案A解析熱核聚變反應(yīng)是指輕核結(jié)合為質(zhì)量較重的核的反應(yīng)，故A正確；B項(xiàng)中為實(shí)現(xiàn)原子核人工轉(zhuǎn)變的反應(yīng)．C項(xiàng)中為裂變，D項(xiàng)中為衰變，均不屬聚變反應(yīng)，故B、C、D不正確．題組二聚變釋放核能的計(jì)算6．(多選)據(jù)新華社報(bào)道，由我國自行設(shè)計(jì)、研制的世界第一套全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(又稱“人造太陽”)已完成了首次工程調(diào)試．下列關(guān)于“人造太陽”的說法正確的是()A．“人造太陽”的核反應(yīng)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．“人造太陽”的核反應(yīng)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．根據(jù)公式E＝mc2可知，核燃料的質(zhì)量相同時(shí)，聚變反應(yīng)釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多D．根據(jù)公式E＝mc2可知，核燃料的質(zhì)量相同時(shí)，聚變反應(yīng)釋放的能量與裂變反應(yīng)相同答案AC解析eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是輕核聚變方程，故A項(xiàng)正確；根據(jù)輕核聚變特點(diǎn)，相同質(zhì)量的核燃料，輕核聚變釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多，故C項(xiàng)正確．7．當(dāng)兩個(gè)中子和兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)α粒子時(shí)，放出28.30MeV的能量，當(dāng)三個(gè)α粒子結(jié)合成一個(gè)碳(C)核時(shí)，放出7.26MeV的能量，則當(dāng)6個(gè)中子和6個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)碳核時(shí)，釋放的能量約為()A．21.04MeV B．35.56MeVC．77.64MeV D．92.16MeV答案D解析6個(gè)中子和6個(gè)質(zhì)子可結(jié)合成3個(gè)α粒子，放出能量3×28.30MeV＝84.9MeV,3個(gè)α粒子再結(jié)合成一個(gè)碳核，放出7.26MeV能量，故6個(gè)中子和6個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)碳核時(shí)，釋放能量為84.9MeV＋7.26MeV＝92.16MeV，故D對．8．氘和氚發(fā)生聚變反應(yīng)的方程式是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，若有2g氘和3g氚全部發(fā)生聚變，NA為阿伏加德羅常數(shù)，則釋放的能量是()A．NA×17.6MeV B．5NA×17.6MeVC．2NA×17.6MeV D．3NA×17.6MeV答案A解析由核反應(yīng)方程可知1個(gè)氘核和1個(gè)氚核聚變成氦核時(shí)放出17.6MeV能量和1個(gè)中子，則1mol的氘和1mol氚全部聚變成1mol氦核時(shí)釋放的能量為ΔE＝NA×17.6MeV，故A對．9．(多選)核聚變的主要原料是氘，在海水中含量極其豐富．已知氘核的質(zhì)量為m1，中子的質(zhì)量為m2，eq\o\al(3,2)He的質(zhì)量為m3，質(zhì)子的質(zhì)量為m4，則下列說法中正確的是()A．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)eq\o\al(3,2)He所產(chǎn)生的另一個(gè)粒子是質(zhì)子B．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)eq\o\al(3,2)He所產(chǎn)生的另一個(gè)粒子是中子C．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)eq\o\al(3,2)He所釋放的核能為(2m1－m3－m4)c2D．與受控核聚變比較，現(xiàn)行的核反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢料具有放射性答案BD解析由核反應(yīng)方程知2eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)X，X應(yīng)為中子，釋放的核能應(yīng)為ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚變反應(yīng)的污染非常?。F(xiàn)實(shí)運(yùn)行的裂變反應(yīng)的廢料具有很強(qiáng)的放射性．故A、C錯(cuò)誤，B、D正確．10．4個(gè)氫核聚變成一個(gè)氦核，同時(shí)放出兩個(gè)正電子，釋放出2.8×106eV的能量，寫出核反應(yīng)方程，并計(jì)算1g氫核完成這個(gè)反應(yīng)后釋放出多少焦耳的能量？答案見解析解析該反應(yīng)的核反應(yīng)方程為：4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,＋1)e.由此可知，平均每個(gè)氫核反應(yīng)釋放出的能量為E0＝eq\f(2.8×106,4)eV＝7×105eV1g氫核(即1mol)所包含的氫核的個(gè)數(shù)為6.0×1023(個(gè))應(yīng)釋放出的總能量E為：E＝7×105×6.0×1023eV＝4.2×1029eV＝6.72×1010J.11．為了驗(yàn)證愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2，設(shè)計(jì)了下面的實(shí)驗(yàn)：用動(dòng)能E1＝0.9MeV的質(zhì)子去轟擊靜止的鋰核eq\o\al(7,3)Li，生成兩個(gè)α粒子，測得這兩個(gè)α粒子的動(dòng)能之和E＝19.9MeV.(質(zhì)子、鋰7核、α粒子的質(zhì)量分別是1.0073u、7.016u、4.0015u)(1)寫出該核反應(yīng)方程式；(2)計(jì)算核反應(yīng)過程中釋放的能量ΔE；(3)通過計(jì)算說明ΔE＝Δmc2的正確性．答案(1)eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(7,3)Li→2eq\o\a