5.5 裂变和聚变 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

第五章 原子与原子核 粤教版选择性必修三 第五节 裂变和聚变 1 知识回顾 比结合能 结合能 核子数 比结合能 = 2) 物理意义：反映一个原子核内核子相互结合的紧密程度. 1) 定义： 轻核和重核的比结合能都比中等大小的核的比结合能小 铁（Fe）原子的比结合能最大 核子结合成铁原子核或铁附近的原子核(中等大小的核)时，每个核子平均放出的能量大 如果使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核结合成中等大小的核，每个核子平均放出的能量比吸收的能量大，故反应会释放能量。 比结合能越大，原子核越稳定。 2 中等大小的核的比结合能较大 平均每个核子的质量亏损最大 质量亏损时，核子个数不亏损(即质量数守恒),可理解为组成原子核后，核内每个核子仿佛“瘦了”一些。 核子平均质量 比结合能 z 核子结合成铁原子核或铁附近的原子核(中等大小的核)时，每个核子平均放出的能量大 如果使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核结合成中等大小的核，核子将发生新的质量亏损，释放新的结合能，故反应会释放能量。 3 核子平均质量 比结合能 z 如果使较重的核分裂成中等大小的核， 或者把较小的核聚合成中等大小的核， 都会释放能量。 核裂变 核聚变 4 Part 01 核裂变 5 一、核裂变 1、核裂变的发现 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。 哈恩 迈特纳 弗里施 6 一、核裂变 2、铀核裂变的一种典型情形 3、核裂变的特点 裂变过程中能放出巨大的能量,一个核裂变时能释放200MeV的能量 裂变的同时能放出2~3个(或更多个)中子 产物不是唯一的 Xe和Sr 氙和锶 Ba和Kr 钡和氪 Sb和Nb 锑（tī）和铌（ní） 需依据实验事实！ 钡 氪 7 一、核裂变 4、链式反应 ①定义：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，且能不断继续下去，这样的核反应叫链式反应 ②必要条件：核裂变物质的体积大于或等于临界体积、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。 通常把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 8 关于铀核裂变的说明： ① 铀235俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大。 ② 铀238只有在俘获的中子的能量大于1MeV时才能发生核反应，且裂变的几率较小。 对于能量低于1MeV的中子基本只能与238铀核发生弹性碰撞，不能引起核反应。 为了使裂变的链式反应容易发生，最好是利用高浓度铀235 ! 讨论与交流 1kg铀235全部裂变时放出的能量相当于多少标准煤完全燃烧时释放的化学能？ 例题：2017年5月25日，“华龙一号”全球首堆示范工程—福清核电5号机组顺利完成穹顶吊装，工程正式由土建阶段进入安装阶段。在核电站中，核反应堆释放的核能转化为电能，核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核铀发生裂变反应，释放出大量核能。已知一个核裂变时能释放200 MeV的能量，燃烧1kg煤所放出的能量为2.94×107J.请从数量级上感受铀完全裂变释放的能量与燃烧煤释放的能量的差异。 分析：可以比较1kg完全裂变和1kg煤完全燃烧所释放的能量，计算1kg铀235完全裂变时所放出的能量相当于完全燃烧的煤的质量 解：1kg含有的原子数目 而200MeV相当于 ，则1kg铀完全裂变释放能量 所释放的能量相当于完全燃烧的煤的质量 教材P128 𝑚煤 一、核裂变 5、核能利用 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。 原子弹的结构有“内爆式”和“枪式”两种 12 一、核裂变 5、核能利用 原子弹爆炸时链式反应的速度是不加控制的，为了人工控制链式反应的速度，使核能平缓地释放出来，人们制成了核反应堆 “热中子（慢中子）”核反应堆示意图 核电站 13 核反应堆 ——通过可控制的链式反应来释放核能的装置。 “热中子（慢中子）”核反应堆示意图 燃料棒—铀棒 ⑴ 核燃料：铀棒 热中子反应堆的核燃料是铀棒，成分是天然铀或浓缩铀 (铀235的含量占2%〜4%) 实验证明，速度与热运动速度相当的中子最适于引发核裂变。这样的中子就是“热中子”，或称慢中子。 裂变产生的是速度很大的快中子 快中子很容易被铀238俘获而不发生裂变 与铀235“擦肩而过”,铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变 必须设法使中子在碰上铀238前降低速度 核反应堆 ——通过可控制的链式反应来释放核能的装置。 “热中子（慢中子）”核反应堆示意图 水泥防护层 控制棒——镉棒 燃料棒—铀棒 慢化剂—石墨 (1) 核燃料：铀棒 (2) 慢化剂：石墨、重水或普通水(轻水) (3) 控制棒：镉棒 (4) 水泥防护层 在铀棒周围放上原子量比较小又不吸收或很少吸收中子的物体，快中子跟这些物体的原子核碰撞后，能量减小 利用镉棒吸收中子的能力很强来控制反应速度; 镉棒插入的越深，吸收的中子就越多，链式反应的速度就越慢 (5) 冷却剂：水、液态钠等流体 核能转变为热能，输出的热能可用于发电 ① 消耗的核燃料少 ② 污染小 一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30吨左右，而同样功率的火电站每年要消耗煤250万吨。 核电站对环境的污染比火电站小。 大亚湾核电站 一、核裂变 原子弹 核电站发电 核动力潜艇、破冰船和航母 核电站优点： 5、核能利用 教材P130 T3 课堂练习 1. (多选)关于重核裂变的说法正确的是(　　 ) 重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的 两个中等质量核的中子数多 B. 只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应 C. 为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子 D. 裂变过程中释放能量，质量亏损 AD 2. (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 课堂练习 (1) 核燃料：铀棒 (2) 慢化剂：石墨、重水或普通水(轻水) (3) 控制棒：镉棒 (4) 水泥防护层 (5) 冷却剂：水、液态钠等流体 课堂练习 铀235容易吸收快中子后发生裂变反应 快中子跟减速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 当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些 要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入浅一些 3、 (多选)如图所示是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是(　　) BD Part 02 核聚变 20 二、核聚变 1、定义： 轻核结合成质量较大的原子核的反应叫聚变. 一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），约释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3-4倍 2、发生条件 ? 21 思考与讨论 要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15 m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。有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？ 当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变。因此，核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。 ⑵对物质加热到很高的温度108～109K ⑴用加速器加速原子核 二、核聚变 1、定义： 轻核结合成质量较大的原子核的反应叫聚变. 2、发生条件： 原子核间距离接近10-15m范围内,需要几百万摄氏度的高温，所以聚变又叫热核反应. 3、实例： 核聚变普遍存在于宇宙中,热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。 23 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107K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，减少的质量为是400万吨。 太阳聚变反应 (教材P115) 二、核聚变 1、定义： 轻核结合成质量较大的原子核的反应叫聚变. 2、发生条件： 原子核间距离接近10-15m范围内,需要几百万摄氏度的高温，所以聚变又叫热核反应. 3、实例： 核武器：氢弹 由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 核聚变普遍存在于宇宙中,热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。 4、核能利用： 25 4、核聚变核能利用：氢弹 由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 普通炸药 Ｕ235 氘、氚 爆炸 裂变 聚变 不可控！ 5、实现可控核聚变的两种方案： 磁约束和惯性约束 ⑴磁约束 带电粒子运动时在均匀磁场中受洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。 托卡马克装置 中国科学院的环流器装置 5、实现可控核聚变的两种方案： 磁约束和惯性约束 ⑵惯性约束 由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。 惯性约束示意图 （1）反应物质量相同的情况下聚变放出的能量比裂变多，产能效率高。相同的核燃料，反应中产生的能量比较多。 （2）地球上聚变燃料的储量丰富。每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6亿亿立方米的水，大约有40万亿吨氘。氚可以利用锂来制取，地球上锂储量有2000亿吨。 （3）轻核聚变更为安全、清洁。高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是没有放射性的。 （4）反应中放射物质的处理较容易，遗留物对环境污染小。氘和氚聚变反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。 可控核聚变（热核反应）的优越性： 课堂练习 1. 一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法中正确的是（ ） A.这个反应的核反应方程是 B.这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应 C.辐射出的γ光子的能量 E＝(m3＋m4－m1－m2)c2 解析： A 核反应方程满足质量数和电荷数守恒，故A正确；该反应为聚变反应，故B错误； 聚变反应中亏损的质量转化为能量，以光子的形式放出， 故光子能量为ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C错误； 课堂练习 2. 我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图)2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础.下列关于聚变的说法正确的是（ ） A.核聚变比核裂变更为安全、清洁 B.任何两个原子核都可以发生聚变 C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加 D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加 AD 3. 关于核聚变的说法正确的是(　　) A. 聚变是裂变的逆反应 B. 如果裂变释放能量，则聚变反应一定吸收能量 C. 聚变反应须将热核燃料加热到数百万度以上的温度，显然是吸热反应 D. 聚变和裂变都可以释放出巨大的能量 D 4. 关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是(　　) A. 一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多 B. 聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大 C. 聚变反应中粒子的比结合能变小 D. 聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加 B 课堂练习 课堂小结 33 核聚变 定义 发生条件 核聚变普遍存在于宇宙中 核能的利用 氢弹 实现可控核聚变的两种方案 磁约束 惯性约束 核裂变 发现、定义 铀核裂变 特点 链式反应 核能的利用 原子弹 核电站 核反应堆 (装置、原理) Lavf58.20.100 D.辐射出的γ光子的波长λ＝ 根据E＝得光子的波长为λ＝，故D错误。 H＋H→He＋n＋γ $$