5.5 裂变和聚变-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第五节　裂变和聚变 [学习目标]　1.知道什么是核裂变、核聚变和链式反应，知道链式反应和核聚变的条件(重点)。2.会书写裂变和聚变方程，会利用质量亏损计算裂变和聚变产生的核能(重难点)。3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度。 一、核裂变与链式反应 1．核裂变：一个重核分裂成两个较轻的核时，会释放出能量，这种核反应叫作核裂变。 2．链式反应：一个原子核的裂变引发其他原子核发生裂变，让核裂变过程自己持续下去，源源不断地将核能释放出来，这样的核反应叫作链式反应。 3．铀核裂变典型反应：U＋n→Kr＋Ba＋3n。 4．临界体积：能够发生链式反应的铀块最小体积叫作它的临界体积。 1．如图所示为核裂变示意图。 (1)重核裂变是一种天然现象吗？ (2)铀核裂变的产物(核反应方程)是唯一的吗？ (3)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？ 答案　(1)重核裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，所以重核裂变不是一种天然现象。 (2)不是唯一的。铀核裂变的产物(核反应方程)是多种多样的。 (3)不是。有中子轰击铀块且铀块的体积大于等于临界体积，才会发生链式反应。 2．总结链式反应的条件。 答案　(1)铀块的体积大于等于临界体积。 (2)有慢中子轰击。 (3)有足够浓度的铀235。 考向一　对核裂变的理解 例1　(2022·厦门市大同中学高二期中)2020年11月27日0时41分，“华龙一号”福清核电站5号机组首次并网成功，标志着我国正式进入核电技术先进国家行列。“华龙一号”利用的是铀核裂变释放的核能，其裂变方程为U＋n→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是(　　) A．裂变后粒子的总核子数减少 B．X原子核中含有85个中子 C．裂变反应前后质量没有变化 D．裂变后新核的平均结合能比铀核的小 答案　B 解析　核反应过程中，质量数守恒，所以裂变后粒子的总核子数不变，A错误；设X原子核中有x个质子，质量数为y，则92＝x＋38，235＋1＝y＋95＋1×2，解得x＝54，y＝139，所以X原子核中含有中子数为y－x＝85，B正确；裂变释放核能，所以有质量亏损，C错误；裂变释放核能是因为新核的平均结合能比铀核的大，新核较稳定，D错误。 1．重核裂变是中子轰击质量较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。 2．重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后有质量亏损，根本原因是重核的平均结合能比中等质量的核的平均结合能小。所以在重核裂变为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。 考向二　核裂变产生核能的计算 例2　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)； (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) 答案　(1)200.6 MeV　(2)5.14×1026MeV　相当于完全燃烧2 797.3 t煤 解析　(1)裂变反应的质量亏损为 Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7) u＝0.215 3 u 一个铀235原子核裂变后释放的能量为 ΔE＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV。 (2)1 kg铀235原子核中含原子核的个数为 N＝×6.02×1023个≈2.56×1024个， 1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量 ΔEN＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV 设完全燃烧的煤的质量为m，有ΔEN＝qm， 所以m＝＝ kg≈2 797.3 t。 二、核聚变及受控热核反应 1．核聚变：两个轻核聚合成一个较重的核时，也会释放能量，这种核反应叫作核聚变。 2．核反应方程：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。 3．条件：使原子核的距离接近到10－15 m。 方法：加热到很高的温度，因此核聚变又叫作热核反应。 4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能。 5．人工热核反应的应用——氢弹 原理：首先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。 为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？ 答案　轻核的聚变反应，是两个轻核结合成质量较大的核，要使得核力发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15 m以内；同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大，因而需要核子有很大的动能才能克服，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。 考向一　对核聚变的理解 例3　(2022·莆田市高二期末)2021年5月28日，在中科院合肥物质科学研究院，有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，向核聚变能源应用迈出重要一步。下列关于聚变的说法正确的是(　　) A．任何两个原子核都可以发生聚变 B．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小 C．两个轻核结合成质量较大的核，核子的平均结合能减小 D．核裂变比核聚变更为安全、清洁 答案　B 解析　只有两个质量较小的原子核才可以聚变成一个中等质量的原子核，并不是任何两个原子核都可以发生聚变，A错误；核聚变反应会放出大量的能量，根据质能方程可知反应会发生质量亏损，两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小，平均结合能增大，B正确，C错误；核聚变的最终产物是氦，无污染，而核裂变产生的固体核废料具有放射性，因此核聚变更加清洁和安全，D错误。 考向二　核聚变产生核能的计算 例4　(2022·肇庆市高二期末)嫦娥五号在经过二十多天的任务后，成功带着月球土壤样本罐返回地球，科研人员将月球样本进行检验称重后，总共获得月球土壤样本1 731克。氦3(He)是月球岩石样本中发现的新物质，该物质可以与氘(H)发生核聚变反应，并放出质子H。已知He的原子质量为3.016 0 u，H的原子质量为2.0140 u，He的原子质量为4.002 6 u，质子的原子质量为1.007 8 u,1 u相当于931 MeV的能量。 (1)请写出此核反应方程； (2)求该核反应中释放的核能(保留两位小数)。 答案　(1)He＋H→He＋H　(2)18.25 MeV 解析　(1)依题意，该核反应方程为 He＋H→He＋H (2)核反应的质量亏损 Δm＝3.016 0 u＋2.014 0 u－4.002 6 u－1.007 8 u＝0.019 6 u 释放出的核能 ΔE＝0.019 6×931 MeV≈18.25 MeV。 三、核能利用 1．目前，人类主要是开发利用核裂变，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。 2．核反应堆的组成 (1)燃料：铀棒(天然铀或浓缩铀)。 (2)慢化剂：石墨、重水，使裂变产生的快中子减速。 (3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度。 3．工作原理 核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高，水、液态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。 4．核污染的处理 在核反应堆的外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器中，埋入深地层来处理。 5．核电站发电的优点 (1)消耗的核燃料少。 (2)作为核燃料的铀、钍等地球上可采储量大，所能提供的能量大。 (3)对环境的污染比火力发电小。 例5　(2022·山东菏泽市高二期末)如图为普通核反应堆的结构示意图，通过铀235链式反应实现核能的可控释放。下列关于核反应堆工作中的说法正确的是(　　) A．正常运行的反应堆，水泥防护层外能检测到大量α粒子 B．中子速度越快越容易发生链式反应 C．通过改变镉棒的插入深度来控制反应速度 D．铀核裂变时释放能量的多少与生成物种类无关 答案　C 解析　正常运行的核反应堆主要的辐射有γ辐射和中子辐射，所以水泥防护层外不可能检测到大量α粒子，故A错误；中子速度越快越不容易使链式反应发生，故B错误；利用镉棒对中子吸收能力强的特点，通过改变镉棒的插入深度，从而改变中子的数量来控制反应速度，故C正确；核裂变释放的能量与反应前后质量亏损有关，铀核裂变时会因产物种类不同导致质量亏损不同，释放能量不同，故D错误。 课时对点练 考点一　核裂变与裂式反应 1．关于重核的裂变，以下说法正确的是(　　) A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应 C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少 D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能 答案　D 解析　根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量，链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于或等于其临界体积，在裂变反应中核子数是不会减少的，故选D。 2．(2022·潮州市高二期末)2021年1月30日，“华龙一号”全球首堆——福清核电5号机组投入商业运行，这标志着我国在三代核电技术领域跻身世界前列。目前核能发电都是利用核裂变反应，下列表示重核裂变的是(　　) A.U＋n→Ba＋Kr＋3n B.Th→Pa＋e C.He＋Be→n＋C D.H＋H→He＋n 答案　A 3．(2022·上海市奉贤高二期中)核工厂将核原料(六氟化钠)提炼成核反应材料(二氟化铀)时出现操作失误，工作人员在一个加工炉中投入16 kg的核原料，大大超过了规定标准，从而造成了核泄漏，这个标准是(　　) A．临界体积 B．临界压强 C．临界温度 D．由一定的温度、体积和压强共同确定 答案　A 解析　临界体积是核反应技术中的重要参数。如果核原料(六氟化钠)投入太多，提炼成核反应材料(二氟化铀)，就会超过临界体积，则可产生持续的铀核反应，从而造成了核泄漏，A正确；当铀块达不到其临界体积时，一般情况下，即便压强和温度达到一定值时，也不会产生核反应，不会产生核泄漏，B、C、D错误。 4．(2022·陕西宝鸡市高二期末)某核电站获得核能的核反应方程为U＋n―→Ba＋Kr＋xn，已知铀核的质量为m1，钡核的质量为m2，氪核的质量为m3，中子的质量为m4，真空中光速为c，下列说法中正确的是(　　) A．该核电站通过核聚变获得核能 B．铀核的质子数为143 C．在上述核反应中x＝2 D．一个铀核发生上述核反应，释放的能量为(m1－m2－m3－2m4)c2 答案　D 解析　该核电站通过核裂变获得核能，A错误；铀核的质子数为92，B错误；根据核反应过程满足质量数守恒可得235＋1＝144＋89＋x，解得x＝3，C错误；一个铀核发生上述核反应，释放的能量为ΔE＝Δmc2＝(m1－m2－m3－2m4)c2，D正确。 考点二　核聚变 5．(多选)下列关于核聚变的说法，正确的是(　　) A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功 B．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反应 C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应 D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行 答案　ABC 解析　轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m以内，必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度的高温下才有这样的能量，这样高的温度可以通过原子弹爆炸获得，B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行热核反应，D错误。 6．(多选)(2022·汕头市月考)月球储藏大量可控核聚变理想燃料氦3(He)，2020年12月1日，我国嫦娥五号探测器成功着陆月面后开始“挖土”并成功带回地面供科学研究。核聚变反应方程为H＋H→He＋X或H＋He→He＋Y。下列说法正确的是(　　) A．X是中子 B．Y是正电子 C．核聚变过程发生质量亏损，释放核能 D.He比He的原子核更稳定 答案　AC 解析　根据核反应的质量数守恒和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为0，则X为中子；Y的质量数为1，电荷数为1，则Y为质子，A正确，B错误；核聚变过程发生质量亏损，释放核能，C正确；因反应放出核能，则He比He的原子核更稳定，D错误。 7．(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(　　) A．8 MeV B．16 MeV C．26 MeV D．52 MeV 答案　C 解析　核反应质量亏损Δm＝4×1.007 8 u－4.002 6 u＝0.028 6 u，释放的能量ΔE＝0.028 6×931 MeV≈26.6 MeV，选项C正确。 考点三　核能的利用 8．2020年11月27日，“华龙一号”发电机组首次并网成功，其内核是如图所示的核反应堆，关于核反应下列说法正确的是(　　) A．图示装置的核反应类型是核聚变 B．要使核反应速度减慢，可以将铀棒插入得更深 C．裂变反应的燃料是铀，反应过程质量不守恒 D．石墨起到降低反应温度的作用 答案　C 解析　图示装置的核反应类型是核裂变，A错误；将铀棒插入得更深，中子接触的铀原子更多，反应加剧，B错误；裂变反应的燃料是铀，反应过程质量亏损，不守恒，C正确；石墨的主要作用是将快中子变为慢中子，D错误。 9．(2022·上海师大附中期中)核反应堆不锈钢外壳内除核燃料棒和控制棒以外还通入水，这些水除了起冷却作用外还起了(　　) A．使中子减速的作用 B．使中子加速的作用 C．吸收放射性物质的作用 D．吸收反应发出的射线的作用 答案　A 10．(多选)(2022·辽宁鞍山市高二期中)太阳的能量来源是轻核的聚变，太阳中存在的主要元素是氢，核聚变反应可以看作是4个氢核(H)结合成1个氦核同时放出2个正电子。下表中列出了部分粒子的质量(取1 u＝×10－26 kg，c＝3.0×108 m/s)，以下说法正确的是(　　) 粒子名称 质子(p) α粒子 正电子(e) 质量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55 A.核反应方程为4H―→He＋2e B．4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为0.026 6 kg C．4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为4.43×10－29 kg D．聚变反应过程中释放的能量约为4.0×10－12 J 答案　ACD 解析　由核反应的质量数守恒及电荷数守恒得4H―→He＋2e，故A正确；核反应中的质量亏损为Δm＝4mp－mα－2me＝(4×1.007 3－4.001 5－2×0.000 55) u＝0.026 6 u≈4.43×10－29 kg，故C正确，B错误；由质能方程得ΔE＝Δmc2＝4.43×10－29×(3.0×108)2 J≈4.0×10－12 J，故D正确。 11．(2022·辽宁大连市高二期中)传染病的传播过程十分复杂，但是可以构建最简单的传播模型来描述，这个最简模型可称为链式模型，类似于核裂变链式反应模型，铀核裂变的核反应方程为U＋n―→Ba＋Kr＋Rn，裂变后产生的中子能继续发生反应的次数称为链式反应的“传染系数”，下列说法正确的是(　　) A．从铀核裂变的核反应方程看，“传染系数”为2 B．核反应堆中通过镉棒吸收中子降低“传染系数” C．链式反应的临界值对应的实际“传染系数”为3 D．核反应堆中的实际“传染系数”与铀浓度无关 答案　B 解析　核反应遵循电荷数守恒及质量数守恒，可得R＝3，即从铀核裂变的核反应方程看“传染系数”为3，选项A错误；核反应堆中通过镉棒吸收中子，减少轰击铀核的中子数，最终起到降低实际“传染系数”的作用，选项B正确；在链式反应中，当实际“传染系数”R≥1时，反应才能持续发展下去，当实际“传染系数”R<1时，反应将趋于停滞，即R＝1是链式反应持续下去的临界值，选项C错误；核反应堆中可以通过铀棒来控制核反应的速率，实际上就是通过调整铀浓度来控制实际“传染系数”，选项D错误。 12．(2022·河北唐山市高二月考)U受中子轰击时会发生裂变，产生Ba和Kr，同时放出200兆电子伏特的能量。现要建设日发电能力为10万千瓦的核电站，用铀235作为燃料。假设核裂变释放的能量的50%转化为电能。 (1)写出核反应方程； (2)求一天需要纯铀235的质量。(阿伏伽德罗常数NA＝6.02×1023 mol－1) 答案　(1)U＋n→Ba＋Kr＋3n　(2)0.21 kg 解析　(1)核反应方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n (2)每一天的发电量为E＝Pt＝10×104×103×24×3 600 J＝8.64×1012 J 消耗的铀235核的个数为 N＝＝个＝5.4×1023个 一天需要的纯铀235的质量为 m＝M＝×235×10－3 kg≈0.21 kg。 学科网（北京）股份有限公司 $$