第5章 素养拓展课(四) 核反应方程与核能（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

素养拓展课(四)　核反应方程与核能 学习目标 1.熟悉衰变、人工转变、裂变、聚变四种核反应类型及核反应方程的书写. 2.知道获得核能的途径，掌握核能的计算方法. [对应学生用书P90] 1.核反应的四种类型 类　型 可控性 核反应方程典例 衰变 α衰变 自发 U―→Th＋He β衰变 自发 Th―→Pa＋e 人工转变 人工控制 He＋N―→O＋H(卢瑟福发现质子) He＋Be―→C＋n(查德威克发现中子) He＋Al―→P＋n 约里奥·居里夫妇发现放射性同位素及正电子 P―→Si＋e 重核裂变 比较容易进行人工控制 U＋n―→Ba＋Kr＋3n U＋n―→Xe＋Sr＋10n 轻核聚变 目前无法控制 H＋H―→He＋n 2.核反应方程式的书写规范 (1)熟记常见基本粒子的符号，是正确书写核反应方程的基础.如质子(H)、中子(n)、α粒子(He)、β粒子(e)、正电子(e)、氘核(H)、氚核(H)等. (2)掌握核反应方程遵循的规律，是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据.由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“―→”表示反应方向. (3)核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒.注意：质量数守恒不是质量守恒，核反应过程中伴随着能量的释放，反应前后质量会变化，一般质量会亏损. 我国承诺在2030年前实现“碳达峰”.为了兑现负责任大国的承诺，我国将新建核电站.目前核电站获取核能的基本核反应方程可能是(　　) A.U＋n―→Sr＋Xe＋10n B.Na―→Mg＋e C.N＋He―→O＋H D.U―→Th＋He A　[目前核电站都是通过重核裂变来获取核能，重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变，B、C、D均不正确.] [训练1]　铀是一种常用的核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应：U＋n―→a＋b＋2n，则a＋b可能是(　　) A.Xe＋Kr　　　 B.Ba＋Kr C.Ba＋Sr D.Xe＋Sr D　[根据题中所给裂变反应方程，由质量数守恒、电荷数守恒可知，a＋b的质量数应为235＋1－2＝234，电荷数应为92，故D正确.] [训练2]　(多选)(2020·全国卷Ⅰ)下列核反应方程中，X1、X2、X3、X4代表α粒子的有(　　) A.H＋H―→n＋X1 B.H＋H―→n＋X2 C.U＋n―→Ba＋Kr＋3X3 D.n＋Li―→H＋X4 BD　[H＋H―→n＋He，A错误.H＋H―→n＋He，B正确.U＋n―→Ba＋Kr＋3n，C错误.n＋Li―→H＋He，D正确.] 1.获得核能的途径 (1)重核裂变：重核俘获一个中子后分裂成为两个中等质量的核的反应过程.重核裂变的同时放出几个中子，并释放出大量核能.为了使铀235裂变时发生链式反应，铀块的体积(质量)应大于它的临界体积(质量). (2)轻核聚变：某些轻核结合成质量较大的核的反应过程，同时释放出大量的核能.要想使氘核和氚核结合成氦核，必须达到几百万度以上的高温，因此聚变反应又叫热核反应. 2.核能的计算方法 (1)根据ΔE＝Δmc2计算核能，Δm的单位是kg，c的单位是m/s，ΔE的单位是J. (2)根据ΔE＝Δm×931.5 MeV计算核能，Δm的单位是u，u是原子质量单位，其中1 u相当于931.5 MeV的能量，ΔE的单位是MeV. (3)根据比结合能计算核能，原子核的结合能＝比结合能×核子数. (4)可以结合动量守恒和能量守恒定律来计算核能，此时应该注意动量与动能的关系式p2＝2mEk的应用. 利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站的发电原理.核电站消耗的“燃料”很少，但功率却很大. (1)核反应堆中的“燃料”是U，完成下面的核反应方程式， U＋n―→Xe＋Sr＋10n； (2)一座100万千瓦的核电站，假设其核反应堆中的核反应依照上述方程进行，则每年需要多少浓缩铀？已知铀核的质量为235.043 9 u，氙核质量为135.907 2 u，锶核的质量为89.907 7 u.1 u＝1.66×10－27 kg，中子的质量为 1.008 7 u，浓缩铀中铀235 的含量占2%.(计算结果保留两位有效数字，NA＝6.02×1023 mol－1) 解析　(1)U＋n―→Xe＋Sr＋10n. (2)核电站每年放出的热量 Q＝P·t＝1.0×109×3.6×103×24×365 J≈3.15×1016 J 一个U裂变放出的热量为 ΔE＝Δmc2＝(235.043 9－135.907 2－89.907 7－9×1.008 7)×1.66×10－27×(3×108)2 J≈2.25×10－11 J 需要浓缩铀的质量为 m＝mU ＝×0.235 kg ≈2.7×104 kg. 答案　(1)U＋n―→Xe＋Sr＋10n (2)2.7×104 kg [题后总结]　裂变问题的分析方法 (1)对于裂变问题，首先要明确是什么原子核发生了裂变，写出原子核的裂变方程，注意裂变方程的质量数和电荷数须守恒；而且原子核的裂变方程必须是能够实际发生的，不能随意编造，并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生. (2)根据质能方程ΔE＝Δmc2，由反应前后原子核的质量亏损，可以计算出一个原子核裂变时释放的能量. [训练3]　一个X核与一个氚核结合成一个氦核时放出一个粒子Y，由于质量亏损放出的能量为ΔE.该过程的核反应方程是X＋H―→He＋Y；Y可以通过释放一个电子而转化为质子.下列说法不正确的是(　　) A.Y是中子 B.U可以俘获Y发生裂变反应 C.X＋H―→He＋Y是原子核的人工转变方程 D.核反应X＋H―→He＋Y中亏损的质量为 C　[由题意，由于Y可以释放一个电子而转化为质子，即可判断出Y是一个中子，质量数是1，电荷数是0，故A正确；由于Y是核反应的过程中释放出的中子，所以U可以俘获Y发生裂变反应，故B正确；X的质量数：m＝4＋1－3＝2；电荷数：n＝2＋0－1＝1；所以X核是氘核；所以X＋H→He＋Y是轻核的聚变，故C错误；根据爱因斯坦质能方程可知，核反应X＋H→He＋Y中亏损的质量等于，故D正确.综上，仅C符合题意.] [训练4]　有一种聚变反应是四个氢核聚变成一个氦核，同时放出两个正电子. (1)每生成一个氦核，该聚变反应释放多少能量？ (2)若1 g氢完全聚变，则能释放多少能量？ (3)1 g氢完全聚变，释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能？(已知煤的燃烧值q＝3.36×107 J/kg，氢核质量为1.008 142 u，氦核质量为4.001 509 u，电子的质量为0.000 549 u，阿伏伽德罗常量为6.02×1023mol－1) 解析　(1)核反应方程为：4H―→He＋2e， 所以Δm＝4mH－mHe－2me＝4×1.008 142 u－4.001 509 u－2×0.000 549 u＝0.029 961 u. ΔE＝Δmc2＝0.029 961 u·c2＝0.029 961×931.5 MeV≈27.91 MeV≈4.47×10－12 J. (2)1 g氢完全聚变释放的能量为E＝×6.02×1023×4.47×10－12 J≈6.73×1011 J. (3)相当于完全燃烧煤的质量为m＝ kg≈2.00×104 kg. 答案　(1)4.47×10－12 J　(2)6.73×1011 J (3)2.00×104 kg [对应学生用书P92] 1.(核反应方程的书写)U吸收一个慢中子后分裂成Kr和Ba，还放出(　　) A.1个α粒子　　　　　　　 B.3个中子 C.10个中子 D.10个质子 B　[根据质量数守恒、电荷数守恒可得，还放出3个中子，B正确.] 2.(核反应类型的辨别)(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一.下列核反应方程与其反应类型对应的有(　　) A.H＋H―→He＋n是核聚变反应 B.H＋H―→He＋n是β衰变 C.U＋n―→Ba＋Kr＋3n是核裂变反应 D.U＋n―→Xe＋Sr＋2n是α衰变 AC　[H＋H―→He＋n是核聚变反应，而不是β衰变，A正确，B错误；C、D选项都是核裂变反应，C正确，D错误.] 3.(质量亏损和核能的关系)质子的质量为mp，中子的质量为mn，氦核的质量为mα，两个质子和两个中子聚变成一个氦核时，会释放出能量.下列关系式正确的是(　　) A.mα<2mp＋2mn B.mα＝2mp＋2mn C.mα>2mp＋2mn D.mα＝mp＋2Mn A　[核反应过程中，要释放能量，质量会发生亏损，分析可知A正确.] 4.(核能的计算)裂变反应是目前核能利用中常用的反应.以原子核U为燃料的反应堆中，当U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为： U　 ＋　 n ―→ Xe　＋　Sr　＋　3n 235.043 9　1.008 7　138.917 8　 93.915 4　 1.008 7 反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u为单位).已知1 u的质量对应的能量为931.5 MeV，则一个U发生上述裂变反应过程中： (1)亏损质量为原子质量单位的多少倍？ (2)释放出的能量是多少？ 解析　(1)U裂变成Xe和Sr，同时放出中子n，裂变前后质量变化Δm＝m前－m后＝(235.043 9＋1.008 7－138.917 8－93.915 4－3×1.008 7)u＝0.193 3 u，亏损质量为原子质量单位的0.193 3倍. (2)由质能方程得ΔE＝Δmc2＝0.193 3×931.5 MeV≈180.1 MeV. 答案　(1)0.193 3倍　(2)180.1 MeV 学科网（北京）股份有限公司 $$