5.5裂变与聚变 课件-2023-2024学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第三册

5.5 裂变和聚变 第五章 原子与原子核 1.如图所示是描述原子核的核子平均质量与原子序数Z的关系曲线，由图可知下列说法正确的是（ ） A.将原子核A分解为原子核B、C可能吸收能量 B.将原子核D、E结合成原子核F可能吸收能量 C.将原子核A分解为原子核B、F一定释放能量 D.将原子核F、C结合成原子核B一定释放能量 C 例题1.如图所示是原子核的核子平均结合能与质量数A的关系图象，下列说法正确的是（ ） A.如D和E结合成F，结合过程一定会吸收核能 B.如D和E结合成F，结合过程一定会释放核能 C.如A分裂成B和C，分裂过程一定会吸收核能 D.如A分裂成B和C，分裂过程一定会释放核能 BD 核子平均质量 比结合能 核子的平均结合能随质量数的变化 z 核子结合成铁原子核或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大 使较重的核分裂成中等大小的核，比结合能会增加，发生质量亏损，释放结合能。 较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢？ 1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的过程中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。 奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释，铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变。 弗里施 哈恩 迈特纳 弗里施 核裂变：少数重核受粒子打击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应。 1、核裂变 ⑴铀核裂变的一种典型情形 中子轰击铀235 中间产物铀236 氪89 钡144 3个中子 1、核裂变 （最典型的一种核反应方程式） 二分裂 1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇在巴黎首先观察到中子轰击铀核的三分裂和四分裂现象。 三分裂 四分裂 概率很低 天然铀｛99.3％ 238U ， 0.7％ 235U｝ 铀的两种天然同位素： 铀238和铀235 235U俘获各种能量的中子都会发生裂变 238U只有俘获能量大于1MeV的中子才可能发生裂变，并且几率很小 为了使裂变的链式反应容易发生，最好是选用纯235U 【例题1】(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是(　　) A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定分裂为质量差不多的两部分 B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量 C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分 D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应 BD 2、链式反应 当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，这种反应叫核裂变的链式反应。 ⑴定义： （2）临界体积和临界质量：使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。 原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，就有可能不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。只有当铀核足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，使链式反应进行下去。 ①保证铀的纯度——提纯 2、链式反应 条件：每次裂变产生的中子，至少平均有一个能引发新的裂变 ②铀块的大小 临界体积：裂变物质能够发生链式反应的最小体积相应的质量 临界质量 原子弹是利用重核的裂变反应制成的,高纯度的铀或钚超过临界体积时发生链式反应,在极短时间内能够释放大量核能，发生猛裂爆炸。 原子弹 拓展学习 例2 (2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于完全燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107 J/kg) 核裂变释放大量的能量！！！ 核燃料：铀棒 【讨论与交流】核反应堆各组成部分在核反应中起什么作用？ 三、核能利用 控制棒：镉棒 慢化剂：石墨、重水，使快中子变成慢中子 水泥防护层：屏蔽裂变产物放出的各种射线 利用镉棒吸收中子的能力很强来控制反应速度 【思考问题】（1）在核电站工作过程中，能量是如何转化的？ （2）核能发电有哪些优点和缺点？ 核能 热能 机械能 电能 优点：①污染小；②可采储量大；③比较经济。 缺点：①产生核辐射； ②核废料处理困难。 【例题】(多选)关于核反应堆,下列说法正确的是(　　 ) A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能 B.镉棒的作用是控制反应堆的功率 C.石墨的作用是吸收中子 D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能 ABD 　如图是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是 A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应 B.快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少， 　变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引 　起裂变反应 C.控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控 　制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些 D.要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰 　撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些 例5 √ 二、核聚变与受控热核反应 情境：一个氘核与一个氚核结合生成一个氦核，同时放出一个中子。 【思考问题】（1）请写出该反应的核反应方程。 （2）已知氘核的质量：mD=2.014102u，氚核的质量：mT=3.016050u，氦核的质量：mα=4.002603u，中子的质量：mn=1.008665u，请求出该反应所释放的核能。(1u=931.5MeV) 【思考问题】要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15m 以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？ （1）把原子核加热到很高的温度，使原子核具有很大的动能。 二、核聚变与受控热核反应 （2）利用加速器对原子进行加速。 核聚变又叫作热核反应 二、核聚变与受控热核反应 受控热核反应：热核反应所释放的巨大能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工控制下逐渐地释放出来并加以利用。 与核裂变相比，核聚变有很多优点。 第一，轻核聚变产能效率高，也就是说，相同质量的核燃料，反应中产生的能量比较多。 第二，地球上核聚变燃料氘和氚储量丰富。 第三，轻核聚变更为安全、清洁。 2、核聚变普遍存在于宇宙中 恒星 科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！ 热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达1000万以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。 太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。 太阳聚变反应 3、核聚变的利用——氢弹 普通炸药 Ｕ235 氘、氚 爆炸 裂变 聚变 不可控！ 例4 A.8 MeV B.16 MeV C.26 MeV D.52 MeV √ 命题角度2　聚变产生核能的计算 Lavf58.20.100 铀核裂变的许多核反应中的其中一个是U＋n→Ba＋Kr＋3n. (1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量(U、Ba、Kr、n的质量分别为235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u,1 u相当于931.5 MeV能量)； (2019·全国卷Ⅱ)太阳内部核反应的主要模式之一是质子－质子循环，循环的结果可表示为4H→He＋2e＋2ν，已知H和He的质量分别为mp＝1.007 8 u和mα＝4.002 6 u,1 u＝931 MeV/c2，c为光速.在4个H转变成1个He的过程中，释放的能量约为 $$