第5章 第4节 第5节 核能的利用与环境保护-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理选择性必修第三册同步导学案配套PPT课件（鲁科版）

第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 第5章　原子核与核能 1 [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.会书写核裂变和核聚变方程,会利用质量亏损计算核裂变和核聚变产生的核能(重难点)。3.了解核电站的工作原理,了解核能的优势与危害及如何防止核污染。 课时作业 巩固提升 要点1　核裂变及链式反应 要点2　核聚变的特点及应用 要点3　核能的利用与环境保护 内容索引 巩固演练 举一反三 要点1　核裂变及链式反应 一 4 梳理 必备知识 自主学习 1.重核裂变 (1)核裂变 重核被　　　　轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核,并放出 　　　　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Un→BaKr+n。 中子　 核能 2.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,这种反应叫核裂变的　　　　　　。  (2)链式反应的条件 ①铀块的体积　　　　或等于临界体积或铀块的质量　　　　或等于临界质量。  ②有足够数量的慢中子。 链式反应 大于　 大于 [思考与讨论] 如图为铀核裂变示意图。   (1)铀核裂变是如何发生的?试写出一种铀核裂变的核反应方程。 (2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗? 提示:(1)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。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,同时放出中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变反应一代接一代继续下去,形成链式反应。 UnBaKr+n (2)铀块体积大于或等于临界体积才能发生链式反应。 1.常见的裂变方程 (1UnXeSr+n (2UnBaKr+n 2.链式反应发生的条件 (1)铀块的体积大于或等于临界体积。 (2)有足够浓度的铀235。 (3)有足够数量的慢中子。 3.铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应。 归纳 关键能力 合作探究 [例1]　1938年德国化学家、物理学家哈恩等发现用中子轰击铀核的产物中含有中等质量的原子核钡和氪,这种现象称为核裂变,其反应方程为UnBaKr+3X。下列说法正确的是(　　) A.核反应方程中X为质子 B.核反应方程中X为电子 C.由核反应方程可得钡核的比结合能比铀核的比结合能大 D.此核反应能自动延续下去,故铀块的体积对于维持核反应是无关紧要的 C [解析]　根据核反应中质量数守恒和电荷数守恒,可得核反应方程中X为中子n,A、B错误;根据原子核的比结合能曲线可知,钡核的比结合能比铀核的比结合能大,C正确;如果铀块的体积小于临界体积,此核反应不能自动延续下去,所以铀块的体积对于维持核反应是很重要的,D错误。 [针对训练]　1.核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电U是核电站常用的核燃料U受一个中子轰击后裂变成Ba和Kr两部分,并产生　　　　个中子。要使链式反应发生,裂变物质的体积要 　　　　(选填“大于”或“小于”)它的临界体积。  3　 大于 解析:由质量数和电荷数守恒可知,裂变的核反应方程为UnBaKr+n,可见产生了3个中子;链式反应的一个条件是裂变物质的体积必须大于或等于它的临界体积。 2.铀核裂变的许多核反应中的其中一个是Un→BaKr+n。 (1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量U、Krn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); (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)5.14×1026 MeV　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=Δmc2=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≈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 要点2　核聚变的特点及应用 17 1.核聚变 两个轻核结合成质量较大的核,释放出核能的反应,称为核聚变,聚变反应又称为热核反应。 2.聚变方程 HHHen+17.51 MeV。 梳理 必备知识 自主学习 3.聚变发生的条件 要使轻核发生聚变,必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离10-15 m以内,这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用,要求使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能,有一种方法就是给它们　　　　,使物质达到几百万开尔文的高温。  4.目前,约束高温等离子体的方法有三种:一是　　　　　,二是　　　　,三是　　　　　　。  加热 引力约束　 磁约束 磁约束 [思考与讨论] (1)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? (2)目前人们实现的核聚变是什么?实现热核反应存在的困难是什么?可能实现对热核反应的控制的方法是什么? 提示:(1)轻核的聚变反应,是较轻的核子聚合成较重的核子,要使得核子的强相互作用发挥作用,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十分巨大,因而需要核子有很大的动能,表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。 (2)①目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸,是由普通炸药引爆原子弹,再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核反应。 ②实现热核反应存在的困难是:地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温。 ③可能实现对热核反应的控制方法 磁约束:利用磁场来约束参与反应的物质。环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。 惯性约束:利用强激光从各个方向照射参加反应的物质,使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应。 1.轻核的聚变是放能反应 从原子核的比结合能图线中看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应。 归纳 关键能力 合作探究 2.核聚变的特点 (1)在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。 (2)热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应继续下去。 (3)普遍性: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。 3.核聚变的应用 (1)核武器——氢弹:一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 (2)可控热核反应:目前处于探索阶段。 4.重核裂变与轻核聚变的区别 比较项目 重核裂变 轻核聚变 反应过程 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核,放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核,放出核能 放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3~4倍 核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多 比较项目 重核裂变 轻核聚变 原料的蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限,尤其用于核裂变的铀235在天然铀中只占0.7% 主要原料是氘,氘在地球上的储量非常丰富。1 L水中大约有0.03 g氘,如果用来进行热核反应,放出的能量约与燃烧300 L汽油释放的能量相当 可控性 反应速度比较容易进行人工控制,现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前人们还不能控制它 [例2]　氘核、氚核、中子、氦核的质量分别是m1、m2、m3、m4,氘核与氚核结合成一个氦核并释放一个中子HHHen。对于这个反应,以下说法正确的是(　　) A.氘核和氚核的比结合能比氦核大,所以该反应会释放核能 B.氘核和氚核的核子的平均质量比氦核大,所以该反应会吸收一定的能量 C.该反应是轻核的聚变,对应的质量亏损是Δm=m1+m2-(m3+m4) D.该反应是轻核的聚变,反应中释放的核能为(m3+m4-m1-m2)c2 C [解析]　氘核和氚核的比结合能小于氦核的比结合能,氘核和氚核的核子平均质量比氦核大,该反应会放出一定的能量,故A、B错误;该反应是轻核的聚变,对应的质量亏损是Δm=m1+m2-(m3+m4),释放的核能为ΔE=Δmc2=(m1+m2-m3-m4)c2,故C正确,D错误。 [针对训练]　3.大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是HHHen。已知H的质量为2.013 6 uHe的质量为3.015 0 un的质量为1.008 7 u,1 u=931 MeV/c2。 氘核聚变反应中释放的核能约为(　　) A.3.7 MeV　　　　　　 B.3.3 MeV C.2.7 MeV D.0.93 MeV B 解析:根据质能方程,氘核聚变释放的核能ΔE=Δmc2,质量亏损Δm=2mH-mHe-mn=0.003 5 u,则ΔE=0.003 5×931 MeV≈3.3 MeV,故B正确,A、C、D错误。 三 要点3　核能的利用与环境保护 32 1.核电站:核反应堆能实现核能的稳定输出,使其转化为其他形式的能量,从而使核能具有广泛用途。核电站就是将　　　 　释放的　　　转化为　　　　的发电厂。  2.原子弹是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性　　　　　　装置。氢弹是一种不需人工控制而实现　　　　的反应装置。  核反应堆　 核能 电能 链式反应　 核聚变 3.核能的优势与危害 (1)核能作为一种新能源,有很多优势,核能发电可缓解　　　　　,在安全运行的情况下,核能发电比燃煤发电对环境带来的污染　　。  (2)核能的利用也存在一些危害。核燃料使用后,会留存一些具有 　　 　　的核废料。  (3)为了防止放射性物质泄漏,核能利用装置都采用了严格的防护措施。一旦在运行中发生事故,产生核泄漏,就会造成严重后果。 能源危机　 小 高放射性 [例3]　如图是核电站发电和供电的流程图。关于流程图中各装置的能量转化,下列说法正确的是(　　) A.核反应堆将核能转化为电能 B.蒸汽轮机将机械能转化为内能 C.发电机将机械能转化为电能 D.各种用电器将其他形式的能 转化为电能 C [解析]　核反应堆是通过裂变反应来释放核能的,将核能转化为内能,故A错误;水受热以后温度上升会产生大量的水蒸气,水蒸气会推动蒸汽轮机转动,将内能转化为机械能,故B错误;蒸气轮机又带动发电机转动,最后发电机将机械能转化为电能,故C正确;用电器是将电能转化为其他形式的能,故D错误。 四 巩固演练 举一反三 37 1.(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源,其中的一种裂变反应为UnBaKr+n,下列说法正确的有(　　) A.上述裂变反应中伴随着中子放出 B.铀块体积对链式反应的发生无影响 C.铀核的链式反应可人工控制 D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响 AC 解析:从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出,A对;铀块体积对链式反应的发生有影响,B错;铀核的链式反应可人工控制,C对;铀核的半衰期不会受到环境温度的影响,D错。 2.铀是常用的一种核燃料,若它的原子核发生了如下的裂变反应Un →a+b+n,则a+b可能是(　　) AXeKr　　　　　　 BBaKr CBaSr DXeSr D 解析:根据核反应中的质量数和电荷数守恒可知,a和b的总质量数应为235+1-2=234,总质子数应为92,A项中质量数为140+93=233,B项中质量数是141+92=233,C项中质量数为141+93=234,质子数为56+38=94,D项中质量数为140+94=234,质子数为54+38=92。综上可知,答案为D。 3.科学家发现在月球上含有丰富的He(氦3),它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料,其参与的一种核聚变反应的方程式为He→HHe,关于He聚变下列表述正确的是(　　) A.聚变反应不会释放能量 B.聚变反应产生了新的原子核 C.聚变反应没有质量亏损 D.目前核电站都采用He聚变反应发电 B 解析:核聚变反应中产生新的原子核,同时由于发生了质量亏损,会有核能的释放,B正确,A、C错误;目前核电站大多采用重核裂变的方法来发电,D错误。 4.(多选)下列说法正确的是(　　) ANHCHe是α衰变方程 BHHHe+γ是核聚变反应方程 CUThHe是核裂变反应方程 DHeAlPn是原子核的人工转变方程 BD 解析:选项A、D为原子核的人工转变方程,选项B为轻核聚变反应方程,选项C为α衰变方程,故选项B、D正确。 五 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 [A组　基础巩固练] 1.用中子轰击铀核的产物中有原子核钡Ba)、氪Kr)、中子和一些γ射线。下列说法中正确的是(　　) A.核反应方程是UnBaKrn B.这是一个核裂变过程,反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和 C.这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算 D.产生的γ射线穿透能力极强 D 解析:根据质量数守恒、电荷数守恒,铀核裂变的核反应方程应为Un BaKr+n,选项A错误;铀核裂变过程中发生质量亏损,释放的能量可根据爱因斯坦的质能方程计算,选项B、C错误;核反应中产生的γ射线,穿透能力极强,是能量极高的光子,选项D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2.在核反应式UnSrXe+kX中(　　) A.X是中子,k=9　　　　 B.X是中子,k=10 C.X是质子,k=9 D.X是质子,k=10 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 B 解析:核反应方程应遵循电荷数守恒和质量数守恒,在题目所给核反应式中,设X的质子数为x,则核反应方程的左边总质子数为92+0=92,右边总质子数为38+54+x=92,解得x=0,故X的质子数为0,所以X为中子,左边总质量数为235+1=236,右边总质量数为90+136+k×1=236,解得k=10。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 3.(多选)用中子轰击U原子核产生裂变反应,其可能的裂变方程为UnBaKr+nUn、Kr的质量分别为m1、m2、m3、m4U原子核的半衰期为T,其比结合能小于Ba原子核的比结合能,光在真空中的传播速度为c,下列叙述正确的是(　　) ABa原子核比U原子核更稳定 BBa原子核中含有56个中子 C.裂变时释放的能量为(m1-2m2-m3-m4)c2 D.若提高U的温度U的半衰期将会小于T 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 AC 解析:比结合能的大小反映原子核的稳定程度U原子核的比结合能小于Ba原子核的比结合能,所以Ba原子核比U原子核更稳定,故A正确;由原子核的组成特点可知Ba原子核中含有56个质子,中子数为: 144-56=88,故B错误;由于核裂变的过程中释放能量,根据爱因斯坦质能方程得:ΔE=Δmc2=(m1-2m2-m3-m4)c2,故C正确;放射性元素的半衰期由原子核本身决定,与环境的温度、压强等无关,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 4.(多选)在某次核反应中,1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核,则下列说法中正确的是(　　) A.这是一个聚变反应 B.核反应方程式为HHHen C.目前核电站都采用上述核反应发电 D.该核反应没有质量亏损 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 AB 解析:1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核,反应方程为HHHen,这是聚变反应,故A、B正确;目前核电站采用核裂变发电,故C错误;该反应放出热量,所以一定有质量亏损,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 5.(多选)热核反应是一种理想能源的理由是(　　 ) A.就平均每一个核子来说,比重核裂变时释放的能量多 B.对环境的放射性污染较裂变轻,且较容易处理 C.热核反应的原料在地球上储量丰富 D.热核反应的速度容易控制 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 ABC 解析:实践表明,热核反应中平均每个核子比裂变反应中平均每个核子放出的能量要大3~4倍,且其原料为氢的同位素,在地球上的储量极为丰富,其放射性污染也较裂变轻,但是目前人们还不能控制热核反应,不能和平利用反应时释放的核能。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 [B组　综合强化练] 6.如图所示,托卡马克(tokamak)是研究受控核聚变的一种装置,这个词是toroidal(环形的),kamera(真空室),magnet(磁)的头两个字母以及kotushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词。根据以上信息,下列判断中错误的是(　　) A.这种装置的核反应原理是轻核的聚变,同时释放出大量的能量,和太阳发光的原理类似 B.线圈的作用是通电时产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不飞出 C.这种装置是科学家设想的其中一种方案 D.该装置是利用聚变物质的惯性进行约束 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 D 解析:聚变反应原料在装置中发生聚变,放出能量,故A对;线圈通电时产生磁场,带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用旋转而不飞出,故B对;该装置是科学家设想的其中一种方案:磁约束装置,另一种方案是利用聚变物质的惯性进行约束,故C对,D错。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 7.一个铀235吸收一个中子发生核反应时大约放出196 MeV的能量,则1 g纯U完全发生核反应时放出的能量为(NA为阿伏伽德罗常数)(　　) A.NA×196 MeV B.235NA×196 MeV C.235×196 MeV D.×196 MeV 解析:由于1 mol的铀核质量为235 g,1 g铀235的摩尔数为,因此1 g纯U完全发生核反应时释放的能量E=×196 MeV,故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 D 8.当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时,放出28.3 MeV的能量,当三个α粒子结合成一个碳(C)核时,放出7.26 MeV的能量,则当6个中子和6个质子结合成一个碳(C)核时,释放的能量约为(　　) A.21.04 MeV B.35.56 MeV C.77.64 MeV D.92.16 MeV 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 D 解析:6个中子和6个质子可结合成3个α粒子,放出能量3×28.3 MeV=84.9 MeV,3个α粒子再结合成一个碳核,放出7.26 MeV能量,故6个中子和6个质子结合成一个碳核时,释放的能量为84.9 MeV+7.26 MeV=92.16 MeV。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 [C组　培优选做练] 9.核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。受控核聚变的科学可行性已得到验证,目前正在突破关键技术,最终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦,并释放一个中子。若已知氘原子的质量为2.014 1 u,氚原子的质量为3.016 2 u,氦原子的质量为4.002 6 u,中子的质量为1.008 7 u,1 u=1.66×10-27 kg。(结果均保留两位有效数字,一年按3.2×107 s计算,光速c=3×108 m/s) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 (1)写出氘和氚聚变的反应方程; (2)试计算这个核反应释放出来的能量; (3)若建一座功率为3×105 kW的核聚变电站,假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能,求每年要消耗的氘的质量。 答案:(1HHHen　(2)2.8×10-12 J (3)23 kg 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 解析:(1)聚变方程为HHHen。 (2)ΔE=Δmc2=(2.014 1+3.016 2-4.002 6-1.008 7)×1.66×10-27×9×1016 J≈ 2.8×10-12 J (3)m=mD= kg ≈23 kg。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 10.在所有能源中,核能具有能量大、地区适应性强的优势。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发生裂变反应,释放出大量核能。 核反应方程式Un →BaKr+n是反应堆中发生的许多核反应中的一种,有一座发电能力为P=1.00×106 kW的核电站,核能转化为电能的效率η=40%。假定反应堆中发生的裂变反应是上述核反应,已知每次核反应过程放出的核能ΔE=2.78×10-11 J,U核的质量MU =390× 10-27 kg。求每年(1年=3.15×107 s)消耗的U的质量。 答案:1.10×103 kg 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 解析:设一年消耗的U的质量为x, 则消耗的核能为E核=·ΔE, 一年中产生的电能为E电, 则E电=Pt(t为一年时间) 由题意知E电=E核·η,则E核=, 故·ΔE=, 所以x==1.10×103 kg。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 $$