第5章 4.核裂变与核聚变-【名师导航】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步讲义(人教版)

4．核裂变与核聚变

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。

　核裂变的发现

1．核裂变

重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的碎块，并放出核能的过程。

2．铀核裂变

用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是—→Kr＋。

3．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，且能不断继续下去，这种由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。

4．链式反应的条件

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。

如图所示为核裂变示意图。

【问题】

(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？

提示：(1)(2)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。

1．铀核的裂变和裂变方程

(1)核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。

(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2或3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能。

(3)常见的裂变方程：

①n。

②n。

2．链式反应的条件

(1)铀块的体积大于临界体积。

(2)铀块的质量大于临界质量。

以上两个条件满足一个即可。

(3)慢中子轰击。

【典例1】　(多选)(2022·河南洛阳高二期中)已知铀的某种裂变反应式为—→n，中子质量为1.008 7 u，氙(Xe)的质量为135.907 2 u，铀(U)235的质量为235.043 9 u，锶(Sr)90的质量为89.907 7 u(1 u的质量亏损相当于释放931.5 MeV的能量)，则(　　)

A．式中A的值为145

B．式中Z的值为38

C．该裂变反应中的质量亏损为0.150 7 kg

D．该裂变反应释放的总能量约为140.377 1 MeV

BD　[根据质量数守恒，可得A＝235＋1－(90＋10×1)＝136，A错误；根据电

荷数守恒，可得Z＝92—54＝38，B正确；反应中的质量亏损为Δm＝(235.043 9＋1.008 7－135.907 2－89.907 7－10×1.008 7)u＝0.150 7 u，C错误；该裂变反应释放的总能量为E＝0.150 7×931.5 MeV＝140.377 05 MeV≈140.377 1 MeV，D正确。]

[跟进训练]

1．核电站的核能来自的裂变，光速c＝3×108 m/s，以下说法错误的是(　　)

A．原子核中有92个质子、143个中子

B．的一种典型的裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程为n

C．是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为7亿年，升高温度时半衰期将缩短

D．若一个核裂变，反应中的质量亏损为0.357 8×10-27 kg，则释放的能量约为201 MeV，合3.22×10-11 J

C　原子核的质子数为92，中子数为235－92＝143，选项A正确；由电荷数守恒和质量数守恒可判断，选项B正确；半衰期是原子核固有的属性，与外部环境无关，选项C错误；由爱因斯坦质能方程E＝Δmc2可知，若反应中的质量亏损为0.357 8×10-27 kg，则释放的能量ΔE＝0.357 8×10-27×(3×108)2 J≈3.22×10-11 J≈201 MeV，选项D正确。]

　反应堆与核电站

1．核能释放的控制

通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆。

2．慢化剂

反应堆中，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、重水和普通水(也叫轻水)。

3．控制棒

为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。