第五章 第五节 裂变和聚变-【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（粤教版）

第五节　裂变和聚变 第五章　原子与原子核 [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。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。3.了解核反应堆的工作原理,知道如何控制核反应的速度。 课时作业 巩固提升 要点1　核裂变与链式反应 要点2　核聚变及受控热核反应 要点3　核能利用 内容索引 要点1　核裂变与链式反应 一 4 梳理 必备知识 自主学习 1.核裂变:重核分裂成两个　　　　的核并放出　　　　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+　　　　。  3.链式反应:为了使裂变产生的能量可以被利用,必须让一个原子核的裂变引发其他原子核发生　　　　,让核裂变过程自己持续下去,源源不断地将　　　　释放出来。这样的核反应叫作链式反应。  4.链式反应的条件:发生裂变物质的体积大于　　 　　或裂变物质的质量大于临界质量。  较轻　 能量 n 裂变 核能 临界体积 [思考与讨论] 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? 提示:(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。 1.典型的裂变方程 Un→KrBa+n 2.核能的释放 由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量,因此,铀核裂变为中等质量的原子核时,会发生质量亏损,释放核能。 归纳 关键能力 合作探究 3.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(热中子)。 4.裂变反应的能量大小 铀核裂变为中等质量的原子核,发生质量亏损,所以放出能量。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算,1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量,裂变时能产生几百万度的高温。 [例1]　“华龙一号”福清核电站5号机组已并网成功,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Un→XSr+n,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 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。 名师点评 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。 [例2]　铀核裂变的许多核反应中的一个是Un→BaKr+n。 (1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量U、BaKrn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×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。 [针对训练]　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 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,如果体积小,中子从铀块中穿过,碰不到原子核,则链式反应不会发生;在裂变反应中核子数是不会减少的。故D正确。 2.(2024·广东湛江高二期末)某核电站获得核能的核反应方程为Un →BaKr+n,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 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。 二 要点2　核聚变及受控热核反应 20 1.热核反应:物质达到几百万摄氏度以上的高温时,小部分原子核就具有足够的动能,能够克服相互间的　　 　　,在互相碰撞中接近到可以发生　　　　的程度。因此,核聚变又叫作热核反应。  2.人工的热核反应可以通过　　　　爆炸时产生的高温来达到,氢弹就是这样制成的。  梳理 必备知识 自主学习 库仑斥力　 聚变 原子弹 [思考与讨论] (1)核聚变反应过程放出能量还是吸收能量? (2)为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能? 提示:(1)放出能量。 (2)因为很轻的原子核比较重的原子核的核子平均质量更大,聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损,所以平均每个核子释放的能量就更多。 1.轻核聚变是放能反应:从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应。 2.典型的聚变方程 HH→Hen+17.6 MeV 归纳 关键能力 合作探究 3.重核裂变与轻核聚变的区别   重核裂变 轻核聚变 放能原理 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 [例3]　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 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。 [例4]　(2024·肇庆高二期末)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3He)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 uH的原子质量为2.014 0 uHe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]　(1HeH→HeH　(2)18.25 MeV [解析]　(1)依题意,该核反应方程为 HeH→ HeH。 (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。 [针对训练]　3.(多选)下列关于聚变的说法中,正确的是(　 　) A.要使聚变发生,必须克服库仑斥力做功 B.轻核聚变需要几百万开尔文的高温,因此轻核聚变又叫作热核反应 C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温,所以氢弹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 ABC 解析:轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15 m,所以必须克服库仑斥力做功,故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开尔文的高温下才有这样的能量,这样高的温度能够通过原子弹爆炸获得,故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,故D错误。 4.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H→ He+e+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 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。 三 要点3　核能利用 33 1.核反应堆: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　　　　 ,它主要由以下几部分组成:  (1)燃料:　　　　　　 　　。  (2)慢化剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用　　、重水作慢化剂。  (3)控制棒:为了控制能量释放的速度,就要想办法调节中子的数目,采用在反应堆中插入镉棒的方法,利用镉　　　　的特性,就可以容易地控制链式反应的速度。  2.工作原理:核燃料　　　　释放能量,使反应堆温度升高。  梳理 必备知识 自主学习 核反应堆 天然铀或浓缩铀 石墨 吸收中子 裂变 3.能量输出:利用水或液态钠等流体在反应堆内外　　　　,用于发电。  4.核污染的处理:在反应堆的外面需要修建很厚的　　　　　 　,用来屏蔽裂变反应放出的各种射线,核废料具有很强的　　　　,需要装入特制的容器,深埋地下。  循环流动 水泥防护层 放射性 [思考与讨论] 如图所示为核电站工作流程示意图。   (1)核电站的核心设施是什么? (2)核电站发电有什么优点? 提示:(1)核反应堆是核电站的核心设施,原子核的链式反应在此进行。 (2)消耗原料少;作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大;对环境的污染要比火力发电小。 1.核电站的主要组成:核电站的核心设施是核反应堆,反应堆用的核燃料是铀235,它的主要部件列表如下: 归纳 关键能力 合作探究   慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层 采用的 材料 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 镉 水或液态钠 很厚的水泥外壳 作用 降低中子速度,便于铀235吸收 吸收中子,控制反应速度 把反应堆内的热量传输出去 屏蔽射线,防止放射性污染 2.反应堆工作原理 (1)热源:在核电站中,核反应堆是热源,如图为简化的核反应堆示意图。铀棒是燃料,由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%~4%)制成,石墨(重水)为慢化剂,使反应生成的快中子变为慢中子,便于铀235吸收,发生裂变,慢化剂附在铀棒周围。 (2)控制棒:镉棒的作用是吸收中子,控制反应速度,所以也叫控制棒。控制棒插入深一些,吸收中子多,反应速度变慢,插入浅一些,吸收中子少,反应速度加快,采用电子仪器自动调节控制棒插入深度,就能控制核反应的剧烈程度。 (3)冷却剂:核反应释放的能量大部分转化为内能,这时通过水、液态钠等作冷却剂,在反应堆内外循环流动,把内能传输出去,用于推动蒸汽机,使发电机发电。 发生裂变反应时,会产生一些有危险的放射性物质,很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。 3.核电站发电的优点 (1)消耗的核燃料少。 (2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大,所能提供的能量大。 (3)对环境的污染要比火力发电小。 [例5]　(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 ABD [解析]　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。 名师点评 现阶段核电站的反应堆中的核反应为裂变,目前聚变反应仍不可控,只能破坏性的使用,例如制造氢弹。 [针对训练]　5.(多选)秦山核电站第三期工程的两个6×105 kW发电机组已实现并网发电。发电站的核能来源于U的裂变。下列说法正确的是(　　) A.反应堆中核反应速度通常是采用调节U的体积来控制的 BU的一种可能的裂变是Un→Xe+Sr+n CU是天然放射性元素,升高温度后它的半衰期会缩短 D.一个U裂变能放出200 MeV的能量,合3.2×10-11 J BD 解析:反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制,A错误U裂变有多种可能性,这是其中常见的一种,B正确;放射性元素的半衰期由原子核本身决定,与温度、压强等外界条件无关,C错误;200 MeV=200×106×1.6×10-19 J=3.2×10-11 J,D正确。 6.如图是慢中子反应堆的示意图。关于该反应堆,下列说法正确的是 (　　) 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 解析:快中子容易与铀235擦肩而过,快中子跟减速剂(慢化剂)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,选项B正确,A错误;控制棒由镉做成,镉吸收中子的能力很强,当反应过于激烈时,使控制棒插入深一些,让它多吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些,选项C、D错误。 四 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.关于我国已建成的秦山和大亚湾核电站,下列说法正确的是(　　) A.它们都是利用核裂变释放核能的 B.它们都是利用核聚变释放核能的 C.一座是利用核裂变释放核能的,一座是利用核聚变释放核能的 D.以上说法都不对 解析:我国已建成的秦山和大亚湾核电站都是利用核裂变释放核能的,故A正确。 A 11 12 13 2.核反应堆是人工控制链式反应速度并获得核能的装置。它由以下几个主要部件构成:(1)铀棒;(2)控制棒;(3)减速剂;(4)冷却剂。关于控制棒的主要作用,下列说法正确的是(　　) A.使快中子减速,维持链式反应的进行 B.吸收中子,控制链式反应的速度 C.冷却降温,控制核反应堆的温度不要持续升高 D.控制铀的体积不要超过临界体积 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 B 11 12 13 解析:控制棒是用含有金属铪、铟、银、镉等材料做成的,可以有效吸收反应堆中的中子,中子越多,核反应越剧烈,故可通过调整控制棒在核反应堆里的深度来控制核反应的速度,故选B。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 12 13 3.核反应方程:Un→SrXe+1n;HH→Hen。关于这两个方程,下列说法正确的是(　　) A.方程①属于α衰变 B.方程②属于轻核聚变 C.方程①的核反应是太阳能的源泉 D.方程②中的H与He互为同位素 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 B 11 12 13 解析:方程①是质量数较大的核裂变为质量中等的核,属于重核裂变,故A错误;方程②是质量较小的核转化为质量较大的核,属于轻核聚变,故B正确;太阳能的产生是由于太阳内部高温高压条件下的热核聚变反应形成的,故C错误;同位素的质子数相同,所以方程②中的H与He互为同位素是不正确的,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 12 13 4.关于铀核的裂变,下列叙述正确的是(　　) A.核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核,并吸收大量能量 B.核反应堆中铀核自发分裂为两个或几个中等质量的原子核,同时释放大量的核能 C.要使核反应堆中铀核发生链式反应,必须要有慢中子的轰击 D.要使核反应堆中铀核发生链式反应,必须要有快中子的轰击 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 C 11 12 13 解析:核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核,同时释放大量的核能,故A、B错误;要使核反应堆中铀核发生链式反应,必须要有慢中子的轰击,快中子不易捕获,故C正确,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 12 13 5.月球土壤里大量存在着一种叫作氦3He)的化学元素,将可作为地球发电燃料,即利用氘和氦3发生核聚变反应产生一个质子和一个新核,释放能量进行发电。关于氦3与氘核的聚变反应,下列说法正确的是(　　) A.释放能量,出现质量亏损,所以生成物的总质量数减少 B.目前核电站普遍利用的就是这种核聚变反应 C.生成的新核是He D.核聚变反应需要的条件是氦3的体积足够大 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 C 11 12 13 解析:轻核聚变过程中,释放能量,出现质量亏损,但是质量数仍然守恒,故A错误;核电站普遍利用重核裂变,不是轻核聚变,故B错误;核反应过程中,质量数守恒、电荷数守恒HHe→ HHe,故生成的新核是He,故C正确;轻核聚变在高温、高压下才可以发生,与体积无关,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 12 13 6.下列核反应方程中,属于研究“两弹一星”中“两弹”的基本核反应方程的是(　　) NHe→OH Un→SrXe+1n U→ThHe HH→ Hen A.①②　　　　　　　 B.②③ C.②④ D.③④ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 C 11 12 13 解析:“两弹”是指原子弹和氢弹,原子弹利用的是铀核裂变,核反应方程为Un→SrXe+1n,氢弹利用的是轻核聚变,核反应方程为HH→Hen,故C正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 12 13 7.(多选He和 H核聚变反应不产生温室气体,不产生放射性物质,是一种十分清洁、环保的能源,对今后人类社会的可持续发展具有深远意义,该核反应可表示为HeH→Li+X(X表示某种粒子),则下列说法正确的是(　　) A.该核反应很容易发生,是目前利用核能的主要方式 BLi原子核比He原子核稳定 C.X为中子,是原子核的组成部分,最早由查德威克通过实验发现 D.X具有较强的电离能力 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 BC 11 12 13 解析:该核反应是聚变反应,需要在超高温和超高压的环境下进行,不容易发生,也不是目前利用核能的主要方式,目前利用核能发电的主要方式是重核裂变,故A错误;反应过程放出能量,说明Li的比结合能大于He的比结合能Li原子核更稳定,故B正确;根据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,所以X为中子,是原子核的组成部分,最早由查德威克通过实验发现,故C正确;因为X为中子,本身不带电,几乎没有电离本领,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 12 13 8.太阳就是一个巨大的热核反应堆,氢核聚变成氦核的反应不停地进行着,不断地放出能量。太阳的总输出功率约为3.8×1026 W,太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。已知光速为3×108 m/s,估算太阳每秒失去质量的数量级为(　　) A.106 kg B.109 kg C.1012 kg D.1015 kg 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 B 11 12 13 解析:根据核反应过程中,释放的核能与质量亏损的关系得ΔE=Δmc2,太阳每秒释放的能量为ΔE=PΔt,则太阳每秒失去质量为Δm== kg ≈4.2×109 kg,所以太阳每秒失去质量的数量级为109 kg,故B正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 12 13 [B组　综合强化练] 9.核聚变和核裂变是重要的核反应。关于核聚变和核裂变,下列说法正确的是(　　) A.原子核核子间的距离接近10-10 m时就会发生聚变反应 B.目前地球上核电站的主要原料为H和H C.核反应堆中,通过控制镉棒释放中子的多少来控制核反应速度 D.核裂变和核聚变发生后,产生的新核的比结合能比反应前原子核的比结合能大 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 D 11 12 13 解析:根据核聚变的条件可知,要使原子核发生聚变反应,必须使核子接近10-15 m,故A错误;目前地球上核电站的主要原料为U,故B错误;镉棒可以吸收中子,在核反应堆中,通过改变镉棒插入的深度,可以控制核反应的速度,故C错误;核裂变和核聚变发生的过程中释放大量的能量,可知产生的新核的比结合能比反应前原子核的比结合能大,故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 12 13 10.托卡马克(Tokamak)是一种复杂的环形装置,结 构如图所示。环心处有一欧姆线圈,四周是一个环 形真空室,真空室外部排列着环向场线圈和极向场 线圈。当欧姆线圈中通以变化的电流时,在托卡马 克的内部会产生巨大的涡旋电场,将真空室中的等 离子体加速,从而达到较高的温度。再通过其他方式进一步加热,就可以达到核聚变的临界温度。同时,环形真空室中的高温等离子体形成等离子电流,与极向场线圈、环向场线圈共同产生磁场,在真空室区域形成闭合磁笼,将高温等离子体约束在真空室中,有利于核聚变的进行。已知真空室内等离子体中带电粒子的平均动能与等离子体的温度T成正比,下列说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 12 13 A.托卡马克装置中核聚变的原理和目前核电站中 核反应的原理是相同的 B.极向场线圈和环向场线圈的主要作用是加热等 离子体 C.欧姆线圈中通以恒定电流时,托卡马克装置中的等离子体将不能发生核聚变 D.为了约束温度为T的等离子体,所需要的磁感应强度B必须正比于温度T 答案:C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 12 13 解析:目前核电站中核反应的原理是核裂变,与托卡 马克装置中核聚变的原理不同,故A错误;欧姆线圈 中变化的电流会在托卡马克内部产生涡旋电场,使 等离子体加速,平均动能增大,温度升高,而极向场线 圈产生的极向磁场控制等离子体截面形状和位置平 衡,环向场线圈产生的环向磁场保证等离子体的宏观整体稳定性,极向磁场和环向磁场共同约束等离子体,故B错误;当欧姆线圈中通以恒定电流时,周围产生的磁场是恒定的,不能产生涡旋电场,不能对等离子体加速,不能达到较高温度使核聚变发生,故C正确;带电粒子的平均动能与等离子体的温度T成正比,则T∝mv2,由洛伦兹力提供向心力,则qvB=m,则有B∝,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 12 13 11.在可控核反应堆中需要给快中子减速,轻水、重水和石墨等常用作减速剂。中子在重水中可与静止的H核碰撞减速,在石墨中与静止的C核碰撞减速。若上述碰撞可简化为对心弹性正碰模型,则用重水和石墨作减速剂,减速效果更好的是(　　) A.重水 B.石墨 C.效果一样 D.无法判断 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 A 解析:设中子质量为Mn,靶核质量为M 由动量守恒定律得Mnv0=Mnv1+Mv2 由能量守恒定律得Mn=Mn+M 解得v1= v0 在重水中靶核质量MH=2Mn,则v1H=v0=-v0 在石墨中靶核质量MC=12Mn,则 v1C=v0=-v0与重水靶核碰后中子速度较小,故重水减速效果更好,故A正确,B、C、D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 [C组　培优选做练] 12.如图所示是铀核裂变的示意图。中子以速度v轰击静止的铀235产生激发态的铀236,再裂变成两个中等质量的核KrBa,图示的核反应释放的核能为E。已知普朗克常量为h,光速为c。   2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (1)求激发态铀236的速度。 (2)写出核反应方程,并计算反应中的质量亏损。 (3)求核反应中产生频率为ν的光子能量和动量为p的中子的德布罗意波长。 答案:(1)　(2nU→KrBa+n　　(3)hν　 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:(1)对于入射中子和铀核,根据动量守恒定律得mv=236mv' 故可得激发态铀236的速度为v'=。 (2)核反应方程为nU→KrBa+n 反应中的质量亏损为 Δm=。 (3)核反应中产生的频率为ν的光子能量为ε=hν 动量为p的中子的德布罗意波长为λ=。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 13.两个轻核结合成质量较大的核,这样的核反应叫作核聚变。核聚变反应会释放出核能。例如,一个氘核与一个氚核结合成一个氦核的同时放出一个中子,且要向外释放出能量,其核反应方程式为HH→ Hen。已知氘核的质量为2.014 1 u,氚核的质量为3.016 1 u,中子的质量为1.008 7 u,氦核的质量为4.002 6 u。根据爱因斯坦的质能方程E=mc2可以证明1 u相当于931.5 MeV。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (1)试根据上述条件计算出该反应能释放出多少兆电子伏的核能。(结果保留三位有效数字) (2)燃烧值是指完全燃烧1 kg的某种燃料所能释放出的能量,单位是J/kg。若已知某种型号的汽油的燃烧值为4.4×107 J/kg,试计算按着上述核反应每结合成1 kg氦核释放的核能大约相当于燃烧多少汽油释放出的化学能。(结果保留三位有效数字,取阿伏伽德罗常数NA=6.02×1023 mol-1) 答案:(1)17.6 MeV　(2)9.63×106 kg 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:(1)在核反应过程中,反应前后原子核的质量亏损为Δm=(m1+m2-m3-m4)=0.018 9 u,由爱因斯坦质能方程得ΔE=Δm·c2=0.018 9×931.5 MeV≈17.6 MeV。 (2)1 kg氦核中含有的氦核个数为 n=·NA=×6.02×1023=1.505×1026(个) 结合成1 kg氦核时可以释放出的能量E=nΔE=1.505×1026×17.6 MeV=2.648 8×1027 MeV= 2.648 8×1027×106×1.6×10-19 J≈4.238×1014 J 汽油产生同样的热量时所需要的质量为M= kg≈9.63×106 kg。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 $$