5.4 核裂变与核聚变-【物理优课PPT】高中物理选择性必修第三册同步PPT课件（人教版2019）

授课老师：物理优课PPT 人教版（2019）高中物理选择性必修 第三册 第五章 ：原子核 Nuclear fission and fusion 1 教学目标 教学目标 (1) 了解核裂变反应及链式反应的条件。 (2) 知道反应堆的工作原理及其类型，知道核电站的工作流程。 (3) 了解核聚变反应及条件，关注受控核聚变反应研究的进展。 (4) 了解两类核能应用的利弊，关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。 新课导入 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？ 温故知新 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。 20世纪30年代，物理学家的一个重大发现改变了人类历史。原子核在“分裂或聚合”时，会释放出惊人的能量。 4 核裂变的发现 01 反应堆与核电站 02 核聚变 03 典例分析 04 目 录 温故知新 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 6 1、核裂变 核裂变：重核受粒子打击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应。 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 （最典型的一种核反应方程式） 7 1、核裂变 ⑵ 铀核的三分裂、四分裂 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。 铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有: 二分裂 三分裂 四分裂 概率： 8 1、核裂变 【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 解析： 用中子轰击 等少数重核元素才能发生裂变反应,铀核裂变时可能分裂为两部分、三部分或四部分,但产生两部分的概率最大,A、D错误,C正确;铀核裂变为中等质量的原子核时一定释放能量,B正确。 9 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： 10 2、链式反应 （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。 铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。 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。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 。 11 2、链式反应 （3）链式反应的条件: ①有足够浓度的铀235 ②有足够数量的慢中子 ③发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量。 发生链式反应 爆炸 足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量(critical mass)。 铀-235 的临界质量约为 1 kg，质量超过1 kg 则发生爆炸。 发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。 12 2、链式反应 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235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的中子只与铀核发生弹性碰撞，不能引起核反应。 13 2、链式反应 『想一想』 如图为核裂变示意图。 (1)重核裂变是一种天然现象吗？ (2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？ 答案：(1)不是　(2)不能 解析：重核的裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，只有达到链式反应的条件时，才会发生重核的裂变。 14 2、链式反应 已知×10-27 kg， ×10-27 kg， ×10-27 kg， ×10-27 kg。求： 1Kg铀完全裂变释放的能量。 【例题】铀核裂变时的核反应方程为： 1kg铀中含有的铀核数为： 1Kg铀完全裂变释放的能量为： 1个U235发生裂变亏损质量： 1个U235发生裂变释放的能量： ΔE=200.55MeV Δm = (mu+ mn) - (mBa+mKr+3mn)= 0.3578×10－27kg ΔE24200.55MeV=8.2×1013J 相当于标准煤的质量为： 【例题】已知1kg标准煤完全燃烧释放的热量是2.94×107J，则1Kg铀完全裂变释放的能量相当于多少标准煤完全燃烧释放的热量？ 15 3、核裂变释放大量的能量 一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能! 16 拓展学习 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。 17 拓展学习 18 拓展学习 为了打破核垄所，最终消灭核武器，1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功。同时，我国政府郑重承诺：中国在任何时候、任何情况下，都不首先使用核武器，不对无核国家或地区使用或威胁使用核武器。我国研制成功原子弹，极大地增强了我国的国防力量。 19 拓展学习 20 核裂变的发现 01 反应堆与核电站 02 核聚变 03 典例分析 04 目 录 1、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 减速剂 ⑴燃料：铀棒 ⑵慢化剂：为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水或普通水。 ⑶控制棒：在铀棒之间插入一些镉棒，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，这样的镉棒叫控制棒。 ⑷水泥防护层：屏蔽射线防止放射性污染。 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%）。 中子的速度不能太快，否则会与铀235“擦肩而过”，铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变。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。 22 2、核电站 核电站工作流程 第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核心反应放出的热使水的内能增加，水温升高。第一回路的水进入交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆。 在热交换器内，第二回路中的水被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。 ⑴ 核电站工作流程 23 2、核电站 ⑵ 核反应堆的防护措施： 由1m多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都装在安全壳中。 第一道屏障——耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块 可以把98%以上的裂变产物滞留在芯块内。 第二道屏障——燃料元件包壳 由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。 第三道屏障——压力壳 将燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包壳少量射线泄漏。 第四道屏障——安全壳 24 2、核电站 在反应堆外面修建很厚的水泥层，用来屏障裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性。需要装入特制的容器深埋地下。 利用水或者液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。 （1）优点：①污染小；②可采储量大；③比较经济。 （2）缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染； ②核废料处理困难。 能量输出 优缺点 核污染的处理 25 2、核电站 原子核的链式反应可以在人工控制下进行，使核能较平缓地释放出来，这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务。 核电站 26 2、核电站 27 2、核电站 【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 解析： ABD 铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,故A正确;镉棒吸收中子的能力很强,作用是调节中子数目以控制反应速度,即控制反应堆功率,故B正确;慢中子最容易引发核裂变,所以在快中子碰到铀棒前要进行减速,石墨的作用是使中子减速,故C错误;水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却,控制温度,故D正确。 28 核裂变的发现 01 反应堆与核电站 02 核聚变 03 典例分析 04 目 录 1、核聚变 两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。 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），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，核反应方程： 其他聚变反应方程: 30 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。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 31 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 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，转化为能量的物质是 400万 吨。 太阳聚变反应 32 2、核聚变普遍存在于宇宙中 33 3、核聚变的利用——氢弹 普通炸药 Ｕ235 氘、氚 爆炸 裂变 聚变 1967年6月17日，我国首枚氢弹爆炸成功 不可控！ 34 2、核聚变普遍存在于宇宙中 35 2、核聚变普遍存在于宇宙中 看看这10个不同当量的氢弹爆炸 36 2、核聚变普遍存在于宇宙中 37 3、可控核聚变的方案 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 38 3、可控核聚变的方案 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 39 3、可控核聚变的方案 （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 40 核裂变的发现 01 反应堆与核电站 02 核聚变 03 典例分析 04 目 录 思考辨析 『判一判』 (1)只要铀块的体积大于临界体积，就可以发生链式反应。 (　　) (2)中子从铀块中通过时，一定发生链式反应。 (　　) (3)重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小。 (　　) (4)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。 (　　) (5)核反应堆用过的核废料无毒无害。 (　　) ×　 ×　 ×　 √　 ×　 42 思考辨析 【例题】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 解析： 与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易发现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误； 两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，核子的比结合能增加，D正确。 43 思考辨析 【例题】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)c 2 A 解析： 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E＝(m1＋m2－m3－m4)c 2，故C错误； 44 小练习 1、 (多选)关于重核裂变的说法正确的是(　 　) A.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、铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是(　 　) A.铀块的质量是重要因素，与体积无关 B.为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子 C.若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生 D.裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关 C 45 小练习 3、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(　　) A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应 B．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 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 B 4、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 46 小练习 5、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 6、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 47 授课老师：物理优课PPT 人教版（2019）高中物理选择性必修 第三册 第五章 ：原子核 Nuclear fission and fusion 48 U和Pu Lavf58.20.100 Lavf58.29.100 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 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 $$