第二十二章第2节核能新课讲义 - 2024-2025学年人教版物理九年级上册

第二十二章 能源与可持续发展 22.2 核能 ★学习目标 1.了解原子、原子核结构； 2.知道获取核能的两个途径──重核裂变、轻核聚变； 3.了解核裂变和核聚变的特点； 4.了解人类利用核能的现状。 一、核能 1．原子核的结构 我们已经知道，分子是由原子构成，原子的中心 是原子核，原子核周围有一定数目的电子在核外 运动。 进一步研究表明：原子核由质子和中子组成。 质子的质量大约是电子的 1836 倍，中子和质子的质量几乎相同。质子和中子构成非常小的原子核，就像几颗豆粒挤在原子这个大广场的中央，只占有非常小的空间，但它们结合得非常紧密。 2．核能 质子、中子依靠强大的核力紧密地结合在一起，因此原子核十分牢固，要使它们分裂或结合是极其困难的。但是，一旦质量较大的原子核发生分裂或者质量较小的原子核相互聚合，就有可能释放出惊人的能量，这就是核能。 原子核占据的位置虽小，但质量大，蕴含着巨大的能量。 二战期间，美国于1945年8月6日和8月9日将外号为“小男孩”和“胖子”的两颗原子弹分别投到日本的广岛和长崎。原子弹爆炸时释放出的巨大能量将两座城市在瞬间化为废墟。 当原子核发生聚变或者是裂变时会出现质量减少，根据爱因斯坦的质能方程E=mc²，减少的质量会转化为能量，因此发生聚变和裂变时释放出巨大的能量。（E代表能量，M代表质量，C代表光速） 二、裂变 1．链式反应 用中子轰击铀( yóu)核，铀核才能发生裂变，释放出能量。这就好比用火柴点燃木材，木材才能燃烧。假如外界的中子停止轰击，裂变也就停止了。那么，怎样才能使裂变继续下去呢？ 用中子轰击“铀235”的原子核， 铀核分裂的同时会释放出核能，同时还会产生几个新的中子，这些中子又会继续轰击其他铀核……于是导致一系列铀核持续裂变，并释放出大量核能，这就是重核裂变中的链式反应。 2．可控裂变 核反应堆是原子核发生链式反应的场所。是核电站的核心设备。 核电站利用反应堆产生的内能，通过蒸汽轮机做功，带动发电机发电。 1942年，人类利用核反应堆第一次实现了可控制的铀核裂变。 核电站发电就是通过核裂变的方式 链式反应如果不加控制大量原子核就会在极短时间里发生裂变，释放出极大的能量，进而产生毁灭性的破坏力。 三、聚变 1．什么是聚变 如果将某些质量很小的原子核，例如氘( dāo)核（由一个质子和一个中子构成）与氚( chuān)核（由一个质子和两个中子构成），在超高温下结合成新的原子核——氦( hài)核，也会释放出巨大的核能，这就是核聚变，有时我们也把（核）聚变也称为热核反应。 氘核和氚核都属于氢核的一种。大量氘核和氚核的聚变，可以在瞬间释放惊人的能量。氢弹利用的就是聚变瞬间释放的能量。 轻核聚变 氢弹原理： 用一层能产生聚变反应的物质（如“氘”），把一个原子弹包裹起来，就成为了能产生核聚变的“氢弹”。 2．可控聚变的美好前景 虽然核聚变可以产生比裂变要多得多的能量。但核聚变需要几百万度以上的超高温度，如何实现可控聚变，如何利用可控聚变释放的核能，科学家正在积极地探索着。但遗憾的是，人类至今还未能实现通过可控聚变来利用核能。 海水中蕴藏着丰富的、可以实现核聚变的氘核。科学家预言，人类终有一天能够实现可控核聚变并利用核聚变的能量，到那时，有望彻底解决人类能源问题。 在太阳内部，氢核在极高温度下聚变成氦核，在这过程中释放出28MeV的能量。不过这种聚变过程，不是一次反应就能完成的，要经过几次反应才能把四个氢核聚合成一个氦核。太阳正是靠这种反应以惊人的巨大功率，向宇宙空间辐射能量的。 拓展：MeV是“兆电子伏特”（Mega-electronvolt）的缩写，它是能量的单位，常用于粒子物理学和高能物理领域。1 MeV等于1百万（10^6）电子伏特（eV）。电子伏特是一种相对较小的能量单位，定义为单个电子在电位差为1伏特时获得的能量。在核物理和粒子物理学中，MeV是用来描述原子核反应、粒子加速器中的粒子能量等的高能过程。 四、拓展 核能发电的利弊 1. 由于核电不会排放CO₂，因此不会造成空气污染； 2. 核电消耗较少的核能就能产生巨大的电能，发电成本低； 3. 核电站建厂投入成本巨大； 4. 核能电厂使用的核燃料及废料有放射性，必须慎重处理； 5. 一旦发生核泄漏，污染和危害特别大。 【基础知识•过关检测】 1.“华龙一号”是由中国两大核电企业研发的先进百万千瓦级压水堆核电技术，使核能的利用更安全、更经济。下列说法正确的是（　　) A.核能发电是利用原子核聚变释放的核能 B.核电站的能量转化为核能→内能→机械能→电能 C.核能是清洁能源，所以核废料可以随意埋放 D.核能发电释放核能的过程与原子弹爆炸释放核能的过程完全相同 2.（多选）下列有关核能及核电站的说法正确的是（　　) A.消耗很少的核燃料可获得的巨大的能量 B.核电站是利用核裂变释放的核能来发电的 C.核能发电的能量转化为核能→内能→机械能→电能 D.核能是原子核动能和势能的总和 3.如图所示，中国“人造太阳”——大型核试验装置“东方超环”（EAST）实现1.2亿摄氏度101秒等离子体运行，创造了世界新纪录。“东方超环”的反应原理与太阳类似，即通过_______（选填“裂变”或“聚变”）释放巨大的核能，原子核能又转化为_______能，从而获得上亿摄氏度的高温。  4.小雨看完电影《流浪地球》后，复习了有关核能知识：太阳内部发生的是核________（选填“裂变”或“聚变”），太阳能是__________（选填“一次”或“二次”）能源。太阳距离地球约1.5亿千米，光速为30万千米每秒，太阳光传到地球需要时间约_________s。 5.我国新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”的成功运行，标志着中国离“人造太阳”的梦想又近了一步。下列关于“人造太阳”对核能的利用，说法正确的是 (　　) A.核能属于可再生能源 B.核能属于一次能源 C.“人造太阳”利用了铀核分裂释放的能量 D.“人造太阳”是利用氢核的链式反应来工作的 6.下列有关核能的说法不正确的是(　　) A.核能是一种不可再生能源 B.核电站内的核反应堆是通过可控核裂变反应释放核能的设备 C.核电站中的汽轮机属于发电机 D.核裂变和核聚变都能释放核能 7.我国现有两艘常规动力航母，国产核动力航母也指日可待。关于核动力航母，下列说法正确的是（　　) A.核动力航母核反应堆发生聚变反应，是可控的 B.核动力航母使用的核能是一次能源 C.核动力航母与北斗卫星之间导航信息是用光导纤维传输的 D.核动力航母产生的核废料对环境无污染 8.进行核裂变的条件是（ 　　) A．温度必须很高 B．必须用中子轰击 C．必须用质子轰击 D．自发进行 9.下列说法不正确的是（ ） A.原子核在分裂或者聚合时释放的能量叫做核能； B.用中子轰击比较质量大的原子核可使其发生裂变获取核能； C.核电站里的链式反应是可以控制的； D.原子弹发生爆炸时发生的链式反应是可以控制的 10.下列关于核能的说法正确的是（ ） A.物质是由原子组成的，原子中都有原子核，所以利用任何物质都能得到核能； B.到目前为止，人类获得核能有两种途径，即原子核的裂变和聚变； C.原子弹和氢弹都是利用原子核裂变的原理制成的； D.自然界的原子核只有在人为的条件下才会发生聚变 11. 2011年3月11日，日本发生了里氏 9.0级大地震，地震使福岛第一核电站发生核泄漏，引起人们的恐慌。这是因为核材料中有一些放射性物质，这些物质产生的放射线大量作用于人畜时会造成很大的伤害。原子核物理的知识可能应用到下面几项工作中，下列不是放射性应用现象的是（ ） A．检查金属板内部的砂眼 B．处理种子，使农作物增产 C．核能发电 D．检查和治疗恶性肿瘤 学科网（北京）股份有限公司 $$