第5章 第5节 裂变和聚变-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案课件PPT（粤教版2019）

第五章　原子与原子核 第五节　裂变和聚变 1．知道什么是核裂变、核聚变，知道链式反应及链式反应的条件，会利用质量亏损计算核裂变产生的核能.2.了解核聚变的特点和条件，了解核聚变的优点，会判断和书写核聚变反应方程，能计算核聚变释放的能量.3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度，了解如何防止核污染． 2 目录 1 2 3 课前自主学习 课后课时作业 课堂探究评价 课前自主学习 一　核裂变与链式反应 1．原子序数：原子核中的________又称为原子序数． 2．核裂变：重核分裂成________的核时，会释放出能量，我们把这种核反应叫作核裂变． 3．核聚变：轻核聚合成________的核时，也会释放出能量，我们把这种核反应叫作核聚变． 4．链式反应：______原子核的裂变引发______原子核发生裂变，让核裂变过程自己______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． 5．临界体积：核裂变物质能够发生____反应的____体积叫作它的临界体积． 质子数 较轻 较重 一个 其他 持续 链式 最小 课前自主学习 5 二　核聚变及受控热核反应 1．核聚变的条件：使原子核接近到________ m. 2．核聚变的方法：把原子核加热到_____________． 3．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． 4．热核反应现象及应用 (1)现象：太阳和许多恒星内部的热核反应辐射巨大的能量． (2)应用：氢弹、受控热核反应． 10－15 很高的温度 库仑斥力 聚变 课前自主学习 6 三　核能利用 1．目前，人类主要是开发利用__________．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__________． 2．核反应堆的组成 (1)燃料：_______． (2)慢化剂：用来使中子________的物体叫作慢化剂．如石墨、重水． (3)控制棒：镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会______；当反应过于缓慢，达不到所需功率时，将镉棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应速度就会_____．这种镉棒被称为控制棒． 核裂变 核反应堆 铀棒 减速 慢一些 增大 课前自主学习 7 3．核反应堆的能量转化与转移 核燃料裂变释放出的核能转变为_______能，水、液态钠等流体在反应堆内外循环流动，不断地带走_______能，输出的_______能可用于发电． 4．核电站核辐射的屏蔽 (1)在核反应堆的外面修建很厚的______________． (2)将放射性的废料装入____________中，埋入_________． 热 热 热 水泥防护层 特制的容器 深地层 课前自主学习 8 1．判一判 (1)只要铀块体积大于临界体积就可以发生链式反应．(　　) (2)核电站应用的是重核裂变获得能量．(　　) (3)在利用重核裂变制成的原子弹中，也需要用镉制成的控制棒．(　　) (4)发生核聚变的条件是核子间距离达到10－15 m内．(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)×　(4)√ 课前自主学习 9 2．想一想 (1)铀核裂变是天然放射现象吗？ (2)中子的速度越快越容易发生铀核裂变吗？ 提示：不是．天然放射现象是指元素自发地放出射线的现象，而裂变是重核在其他粒子轰击下发生的核反应． 提示：不是．中子速度不能太快，否则就会与铀核“擦肩而过”，铀核不能俘获中子，也就不能发生裂变了． 课前自主学习 10 (3)核反应堆中控制棒如何起到控制核反应速度的作用？ 提示：控制棒一般由镉制成，镉吸收中子能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，从而达到减慢核反应速度的目的．相反，如果核反应速度过慢，将镉棒抽出一些． 课前自主学习 11 课堂探究评价 课堂任务 　　核裂变与链式反应 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 课堂探究评价 13 活动1：根据图甲分析，除衰变外，还有哪些核反应会释放能量？ 提示：比铁原子核重的重核分裂成较轻的核，比铁原子核轻的轻核聚合成较重的核． 课堂探究评价 14 活动2：重核分裂成较轻的核，叫核裂变．如图乙所示，1938年，德国物理学家哈恩用中子轰击铀核，产生了钡和氪，与前面学过的α衰变、一般原子核的人工转变相比，该核反应生成的核的质量有什么特点？ 提示：该核反应生成的核的质量较大，远大于α粒子、质子等的质量，且与α衰变、一般的原子核人工转变不同，生成的质量较大的核不止一个，有两个． 课堂探究评价 15 活动3：如图乙所示的核裂变除了产生两个新核，还产生了什么？ 活动4：如图乙所示的核裂变，除了产生两个 新核，放出的这些粒子会再次轰击其他铀核发生裂 变，接下来会发生什么现象？ 提示：还产生了3个中子． 提示：新产生的中子会再轰击其他铀核发生裂变，进而产生更多的中子，使核裂变反应一代接一代继续下去． 课堂探究评价 16 活动5：活动4的现象称为核裂变的链式反应，如图丙所示．实际上原子核的体积非常小，原子内部空隙很大．如果铀块不够大，会发生什么？ 提示：中子在铀块中通过时，可能还没碰到铀核就跑到铀块外面去，链式反应不能继续． 课堂探究评价 17 课堂探究评价 18 3．链式反应的条件 (1)若中子速度很快，则中子从铀块中通过时，可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了，所以为了使裂变的链式反应容易发生，最好是利用慢中子轰击．(慢中子在铀块中也做热运动，常温下与铀块达到热平衡的慢中子又称为热中子，其平均动能为0.025 eV，它不会被铀238吸收) (2)使用高浓度的铀235. (3)铀块的体积大于临界体积． 课堂探究评价 19 例1　(多选)关于铀核裂变，下列说法正确的是(　　) A．铀核裂变的产物是多种多样的 B．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子 C．为了使铀核裂变的链式反应容易进行，最好提纯铀235 D．调节铀块的体积可以控制链式反应的速度 课堂探究评价 20 (1)链式反应的条件是什么？ (2)链式反应的速度由什么控制？ 提示：核裂变物质的体积大于或等于临界体积． 提示：可吸收中子的镉棒． 规范解答　铀核受到中子的轰击，会引起核裂变，并放出几个中子，核裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，A、B正确；较纯铀235受中子的轰击时，核裂变的概率大，C正确；要引起链式反应，必须使铀块体积达到或超过临界体积，要调节链式反应的速度，可通过调节插入反应堆中镉棒的长度，D错误． 课堂探究评价 21 解决核裂变问题应注意的几点 (1)重核发生链式反应的条件：①要俘获慢中子；②铀块的体积要大于或等于临界体积；③使用高浓度铀235. (2)重核裂变释放核能的原因是：重核的比结合能小于中等原子核的比结合能． (3)核裂变遵循质量数守恒、电荷数守恒的规律． 课堂探究评价 答案　(1)40　90　(2)8.32×1013 J 课堂探究评价 23 课堂探究评价 24 课堂任务 　　核聚变 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 课堂探究评价 25 活动1：轻核聚合成较重的核，也会释放核能，叫作核聚变．两个轻核要发生聚变，必须使它们的距离达到核力的作用范围，即10－15 m以内，参考图分析：两个轻核聚变的困难是什么？ 提示：原子半径是原子核半径的十万倍，所以两个原子核通常情况下离得很远．而原子核带正电，要使它们靠近，就要克服巨大的库仑斥力． 课堂探究评价 26 活动2：要使原子核互相靠近，需要使它们具有很大的动能“撞”在一起．根据热力学知识，温度高时原子核的平均动能大．有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？ 提示：有一种办法，就是把它们加热到很高的温度，剧烈的热运动使得小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．核聚变反应一旦发生，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． 课堂探究评价 27 1．从比结合能随质量数变化的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此核聚变反应是一个放能反应． 2．核聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核达到核力发生作用的距离10－15 m以内，这要克服电荷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，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温． 课堂探究评价 28 3．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． 4．核聚变的实例及应用 (1)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．太阳的主要成分是氢．太阳的中心温度达1.6×107 K．在这样的高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，不断地放出能量．现在地球上消耗的能量，追根溯源，绝大部分还是来自太阳，即太阳内部聚变时释放的核能． 课堂探究评价 29 (2)目前，人工产生的热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹．氢弹原理是：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． 5．受控核聚变 (1)核聚变与核裂变相比有很多优点． ①轻核聚变产能效率高，核聚变反应比核裂变反应平均每个核子放出的能量大3～4倍． ②地球上核聚变燃料的储量丰富． ③轻核聚变更为安全、清洁． 课堂探究评价 30 (2)实现受控核聚变的难点是，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度．为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束． ①磁约束：带电粒子运动时，在匀强磁场中会由于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． ②惯性约束：在惯性约束下，可以用高能量密度的激光或X射线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．由于核聚变反应的时间非常短，核聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应． 课堂探究评价 31 课堂探究评价 32 (1)核聚变遵循什么规律？ (2)核聚变过程中核的比结合能如何变化？ 提示：质量数守恒，电荷数守恒． 提示：核聚变过程中放出核能，比结合能增大． 课堂探究评价 33 课堂探究评价 1．核衰变、核裂变、核聚变的特点比较 (1)核衰变是元素自发进行的，因而方程式左侧只有一种元素． (2)核裂变是质量较大原子核被中子轰击后分裂为质量中等原子核的过程，属于核反应． (3)核聚变是质量较轻原子核结合成质量较大原子核的过程，属于核反应． 课堂探究评价 2．核衰变及三种核反应的方程的快速区分 (1)核衰变：核衰变方程左边只有一个原子核，右边有两个粒子且其中一个为α粒子或β粒子． (2)原子核的人工转变：核反应方程左边有一个原子核以及α粒子、中子、质子、氘核等粒子中的一个，右边有一个新核，还可能放出其他粒子． (3)重核裂变：左边为重核与中子，右边为两个(或多个)中等质量的核和若干个中子． (4)轻核聚变：左边一般为两个轻核(理论上也可能为两个以上轻核)，右边为质量较大的核，可能还有质子、中子等粒子，例如氘核和氚核结合成氦核的反应． 课堂探究评价 解析　选项A、D为原子核的人工转变方程，选项B为轻核聚变方程，选项C为原子核的α衰变方程，故B、D正确． 课堂探究评价 37 解析　因电子的质量远小于质子的质量，计算中可忽略不计．质量亏损Δm＝4mp－mα，由质能方程得ΔE＝Δmc2＝(4×1.0078－4.0026)×931 MeV≈26.6 MeV，C正确． 课堂探究评价 38 课堂任务 　　核能的利用 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 课堂探究评价 39 活动1：链式反应可以持续释放核能，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，如图所示．铀235裂变产生的中子速度很大，很容易被铀238俘获而不发生裂变，热中子反应堆是怎么解决该问题的？ 提示：必须使中子在碰上铀238前降低速度，为此在铀棒的周围放上原子量比较小又不吸收或很少吸收中子的物体，如石墨、重水，快中子跟这些物体的原子核碰撞后，能量减小，变成慢中子，慢中子碰到铀238时会弹射回来，却容易被铀235俘获而引起裂变． 课堂探究评价 40 活动2：核反应堆如何控制链式反应速度？ 提示：在铀棒之间插进一些镉棒，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子；当反应过于缓慢，达不到所需功率时，将镉棒插入浅一些，让它少吸收一些中子． 课堂探究评价 41 1．核反应堆的结构 (1)铀棒：由天然铀或浓缩铀(其中铀235的含量约为3%) 制成，它是核反应堆的燃料． (2)石墨(或重水)：石墨(或重水)作为慢化剂，附着在铀 棒周围，使反应生成的快中子变为慢中子，便于被铀235“捉” 住，发生核裂变． (3)镉棒：主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫作控制棒． (4)水泥防护层：屏蔽射线，防止放射性污染． 课堂探究评价 42 2．核电站的结构 第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核反应放出的热使水的内能增加，水温升高，进入热交换器后，把热量传给第二回路的水，然后 又被泵压回反应堆里．在热交换器内，第二回路中的水被加热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转． 课堂探究评价 43 3．核电站发电的优点 (1)消耗的核燃料少：一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30吨左右，而同样功率的火电站每年要消耗煤250万吨． (2)污染小：核电站对环境的污染比火电站小． 课堂探究评价 44 例3　如图是核反应堆的示意图，对于核反应堆的认识，下列说法正确的是(　　) A．铀棒是核燃料，核心物质是铀238 B．石墨起到吸收中子的作用 C．镉棒起到使中子减速的作用 D．水泥防护层的作用是为了阻隔γ射线，避免放射性危害 课堂探究评价 45 (1)什么样的原子核适合作为中子慢化剂？ (2)哪种物质吸收中子的能力很强？ 提示：原子量比较小又不吸收或很少吸收中子的原子核． 提示：镉． 规范解答　核反应堆采用的核燃料为铀棒，核心物质是铀235，A错误；石墨的作用是使快中子减速，B错误；镉棒的作用是吸收中子，C错误；水泥防护层的作用是为了阻隔γ射线，避免放射性危害，D正确． 课堂探究评价 46 [变式训练3]　核反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置，它主要由四部分组成，分别是(　　) A．核燃料、慢化剂、碰撞系统、传热系统 B．核燃料、慢化剂、发热系统、传热系统 C．核燃料、慢化剂、冷却系统、控制调节系统 D．核燃料、中子源、原子能储存系统、输送系统 课堂探究评价 47 解析　核反应堆里用的核燃料是浓缩铀(其中铀235的含量约为3%)制成的铀棒；铀235易俘获慢中子，不易俘获快中子，必须使用慢化剂(如石墨、重水、普通水)，让快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子；控制调节系统是用于调节中子的数目以控制反应速度，它是由镉做成的放置在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组成；冷却系统靠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，同时使反应堆冷却，保证安全．所以C正确，A、B、D错误． 课堂探究评价 48 课后课时作业 1．(核裂变)(多选)当一个重核裂变时，若产生两个中等质量的核，则这两个核(　　) A．含有的质子数总和比裂变前重核的质子数少 B．含有的中子数总和比裂变前重核的中子数少 C．核裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量 D．可能是多种形式的两个核的组合 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 解析　在核裂变反应中吸收一个中子而释放出几个中子，故两个新核的质子数总和与裂变前重核的质子数相等，中子数比裂变前重核的中子数少，A错误，B正确；反应前后质量发生了亏损而释放出能量，这个能量大于俘获中子时得到的能量，在核裂变反应中，产物并不是唯一的，故C错误，D正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 2．(核裂变)1999年9月，日本发生严重的核泄漏，这是工厂将核原料(六氟化钠)提炼成核反应材料(二氟化铀)时操作失误造成的，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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 解析　原子核非常小，原子的内部空隙较大，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时，可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了，链式反应不能继续，当铀块足够大时，就会产生链式反应，能够产生链式反应的铀块的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫临界质量．临界体积是链式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)时，就会远超过临界体积，产生持续时间较长的链式反应，从而造成核泄漏，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，也不会产生链式反应，不会产生核泄漏，B、C、D错误． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 3．(热核反应)(多选)热核反应是一种理想能源的原因是(　　) A．平均每个核子比重核裂变时释放的能量多 B．对环境的污染较核裂变轻，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 解析　与核裂变相比，核聚变有很多优点．第一，轻核聚变产能效率高，也就是说，相同质量的核燃料，反应中产生的能量比较多．第二，地球上核聚变燃料氘和氚储量丰富．第三，轻核聚变更为安全、清洁．故A、B、C正确．热核反应的速度不易控制，D错误． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 4．(核电站的特点)(多选)核电站与火电站相比较，其优势有(　　) A．核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量 B．就可采储量来说，地球上核燃料所能提供的能量远多于煤炭 C．核电站造成的污染远小于相等发电能力的火电站 D．核电站比火电站更容易建造 解析　相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多，地球上可开采铀矿石所能提供的能量远多于煤炭，与火电站相比，只要措施得当，核电站造成的污染远小于相等发电能力的火电站，核能属于清洁能源，A、B、C正确；核电站的建造难度较大，D错误． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 答案　2.45×106 kg 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 解析　核反应遵循电荷数守恒及质量数守恒，因此 可计算得R＝3，即从铀核裂变的核反应方程看，“传染 系数”为3，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，起到降低“传染系数”的作用，B正确； 在链式反应中，当实际“传染系数”≥1时，反应才能持续 发展下去，当实际“传染系数”<1时，反应将趋于停滞，即 链式反应的临界值对应的实际“传染系数”为1，C错误；核反应堆中当铀浓度增加时，“捕获”中子的铀核增多，即实际“传染系数”与铀浓度有关，D错误． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R 1．常见的核裂变方程 (1)eq \o\al(235, 92)U＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(136, 54)Xe＋eq \o\al(90,38)Sr＋10eq \o\al(1,0)n. (2)eq \o\al(235, 92)U＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(144, 56)Ba＋eq \o\al(89,36)Kr＋3eq \o\al(1,0)n. 2．中子对铀235和铀238作用的区别 天然铀中，主要有两种同位素，铀238占99.3%，铀235占0.7%. (1)铀235俘获各种能量的中子都会发生裂变，而且俘获能量低的中子发生裂变的概率较大(这是因为中子速率越小，与铀235核碰撞的概率越大)． (2)铀238只有俘获能量大于1 MeV的中子才可能发生裂变，并且概率极小；铀238俘获能量小于1 MeV的中子时不发生裂变，而变成铀239；能量低于1 eV的中子与铀238基本上只发生弹性碰撞，不引起核反应． [变式训练1]　现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：eq \o\al(235, 92)U＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(143, 60)Nd＋eq \o\al(A,Z)Zr＋3eq \o\al(1,0)n＋8eq \o\al(　0,－1)e＋ν. (1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零．试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数； (2)已知铀(eq \o\al(235, 92)U)核的质量为235.0493 u，中子质量为1.0087 u，钕(eq \o\al(143, 60)Nd)核质量为142.9098 u，锆核质量为89.9047 u．又知1 u＝1.6605×10－27 kg，阿伏伽德罗常数NA＝6.02×1023 mol－1，试计算，1 kg铀235大约能产生的能量是多少？ 解析　(1)根据电荷数和质量数守恒，可得Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40 质量数A＝235＋1－143－3×1＝90. (2)该核反应过程中质量亏损为Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.2174 u＝0.2174×1.6605×10－27 kg≈3.61×10－28 kg 由爱因斯坦质能方程得一个铀核裂变释放的能量为 ΔE＝Δmc2＝3.61×10－28×(3×108)2 J≈3.25×10－11 J 1 kg铀核含有的原子核数为n＝eq \f(1000,235)×6.02×1023个≈2.56×1024个 故1 kg铀235大约能产生的能量为E总＝nΔE＝2.56×1024×3.25×10－11 J＝8.32×1013 J. 例2　中国环流器二号M装置的内部结构如图所示，这种“人造太阳”进行的热核反应方程式为eq \o\al(2,1)H＋eq \o\al(3,1)H→X＋eq \o\al(1,0)n，已知eq \o\al(2,1)H、eq \o\al(3,1)H、eq \o\al(1,0)n的质量分别为m1、m2、m3，反应中释放的核能为ΔE，光速为c，下列说法正确的是(　　) A．要使这种热核反应发生，必须克服eq \o\al(2,1)H、eq \o\al(3,1)H之间巨大的核力 B．反应的产物X有污染 C．两个轻核结合成质量较大的核，比结合能较核聚变前增大，反应后的产物结构更稳定 D．X核的质量为m1＋m2－m3＋eq \f(ΔE,c2) 规范解答　核聚变是指轻核结合成质量更大的原子核，要发生核聚变反应，题中核反应方程的左侧两个轻核要足够近，但并不是克服核力做功，而是需要克服两原子核间巨大的库仑斥力做功，A错误；根据核反应过程质量数守恒和电荷数守恒，可知反应的产物X为氦核eq \o\al(4,2)He，比较稳定，无污染，B错误；两个轻核结合成质量较大的核，比结合能较核聚变前增大，反应后的产物结构更稳定，C正确；根据爱因斯坦质能方程可得ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－mX－m3)c2，解得X核的质量为mX＝m1＋m2－m3－eq \f(ΔE,c2)，D错误． [变式训练2－1]　(多选)下列说法正确的是(　　) A．eq \o\al(15, 7)N＋eq \o\al(1,1)H→eq \o\al(12, 6)C＋eq \o\al(4,2)He是α衰变方程 B．eq \o\al(1,1)H＋eq \o\al(2,1)H→eq \o\al(3,2)He＋γ是核聚变反应方程 C．eq \o\al(238, 92)U→eq \o\al(234, 90)Th＋eq \o\al(4,2)He是核裂变反应方程 D．eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(27,13)Al→eq \o\al(30,15)P＋eq \o\al(1,0)n是原子核的人工转变方程 [变式训练2－2]　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 4eq \o\al(1,1)H→eq \o\al(4,2)He＋2eq \o\al(0,1)e＋2ν 已知eq \o\al(1,1)H和eq \o\al(4,2)He的质量分别为mp＝1.0078 u和mα＝4.0026 u，1 u＝931 MeV/c2，c为光速．在4个eq \o\al(1,1)H转变成1个eq \o\al(4,2)He的过程中，释放的能量约为(　　) A．8 MeV B．16 MeV C．26 MeV D．52 MeV 5．(受控热核反应)我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”．设可控热核实验反应前氘核(eq \o\al(2,1)H)的质量为m1，氚核(eq \o\al(3,1)H)的质量为m2，反应后氦核(eq \o\al(4,2)He)的质量为m3，中子(eq \o\al(1,0)n)的质量为m4.光速为c.下列说法中不正确的是(　　) A．这种装置中发生的核反应方程式是 eq \o\al(2,1)H＋eq \o\al(3,1)H→eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(1,0)n B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4 C．核反应放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2 D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理不相同 解析　核反应方程为eq \o\al(2,1)H＋eq \o\al(3,1)H→eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(1,0)n，A正确．在这个过程中有质量亏损，核反应放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2，所以B错误，C正确．可控热核反应实验装置的原理是轻核聚变，而大亚湾核电站的核装置原理是重核裂变，所以D正确．本题选说法不正确的，故选B. 6．(核反应堆)(多选)2021年12月15日秦山核电站迎来了安全发电30周年，核电站累计发电约6.9×1011 kW·h，相当于减排二氧化碳六亿多吨．为了提高能源利用率，核电站还将利用冷却水给周围居民供热．下列说法正确的是(　　) 　A．秦山核电站利用的是核聚变释放的能量 B．秦山核电站发电使原子核亏损的质量约为27.6 kg C．核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度 D．反应堆中存在eq \o\al(235, 92)U＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(144, 56)Ba＋eq \o\al(89,36)Kr＋3eq \o\al(1,0)n的核反应 　解析　秦山核电站利用的是重核裂变释放的能量，故A错误；如果不考虑核能转化为电能时的能量损耗，根据爱因斯坦质能方程E＝mc2可以推算出，原子核亏损的质量约为m＝eq \f(E,c2)＝eq \f(6.9×1011×3.6×106,9×1016) kg＝27.6 kg，但核能转化为电能的效率不可能达到100%，所以原子核质量亏损应该超过27.6 kg，故B错误；镉吸收中子的能力强，因此在核电站反应堆中需要用镉棒调节中子的数目，从而控制链式反应的速度，故C正确；反应堆利用铀235吸收一个中子后发生裂变，生成多个核和中子，从而使核裂变反应不断进行下去，由核反应中质量数守恒和电荷数守恒可知，存在eq \o\al(235, 92)U＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(144, 56)Ba＋eq \o\al(89,36)Kr＋3eq \o\al(1,0)n的核反应，故D正确． 7．(综合)(多选)关于衰变或核反应，下列说法正确的是(　　) A.eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(27,13)Al→eq \o\al(30,15)P＋eq \o\al(1,0)n是原子核的人工转变的方程式 B.eq \o\al(3,1)H＋eq \o\al(1,1)H→eq \o\al(4,2)He＋γ是核聚变 C.eq \o\al(19, 9)F＋eq \o\al(1,1)H→eq \o\al(16,8)O＋eq \o\al(4,2)He是α衰变 D.eq \o\al(235, 92)U＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(90,38)Sr＋eq \o\al(136, 54)Xe＋10eq \o\al(1,0)n＋γ是核裂变 解析　eq \o\al(19, 9)F＋eq \o\al(1,1)H→eq \o\al(16, 8)O＋eq \o\al(4,2)He是原子核的人工转变，C错误；A、B、D说法正确． 8．(核聚变、质能关系)(多选)太阳辐射的总功率约为4×1026 W，其辐射的能量来自于聚变反应．在聚变反应中，一个质量为1876.1 MeV/c2(c为真空中的光速)的氘核(eq \o\al(2,1)H)和一个质量为2809.5 MeV/c2的氚核(eq \o\al(3,1)H)结合为一个质量为3728.4 MeV/c2的氦核(eq \o\al(4,2)He)，并放出一个X粒子，同时释放大约17.6 MeV的能量．下列说法正确的是(　　) A．X粒子是质子 B．X粒子的质量为939.6 MeV/c2 C．太阳每秒因为辐射损失的质量约为4.4×109 kg D．太阳每秒因为辐射损失的质量约为17.6 MeV/c2 解析　由质量数和电荷数守恒可知，X粒子的质量数为1，电荷数为0，则X粒子为中子，A错误；根据能量守恒定律可知mXc2＝(1876.1＋2809.5－3728.4－17.6) MeV，则X粒子的质量为mX＝939.6 MeV/c2，B正确；太阳每秒辐射的能量为E＝Pt＝4×1026 J，因为辐射损失的质量为Δm＝eq \f(E,c2)＝eq \f(4×1026,9×1016) kg≈4.4×109 kg，C正确；因为1 MeV/c2＝eq \f(1.6×10－19×106,（3.0×108）2) kg≈1.78×10－30 kg，则太阳每秒因为辐射损失的质量为Δm＝eq \f(4.4×109,1.78×10－30)×1 MeV/c2≈2.5×1039 MeV/c2，D错误． 9．(核裂变、质能关系)已知eq \o\al(235, 92)U(质量为235.0439 u)裂变后生成eq \o\al(141, 56)Ba(质量为140.9139 u)和eq \o\al(92,36)Kr(质量为91.8973 u)，同时放出3个中子(每个中子质量为1.0087 u)，则1 kg铀235全部核裂变所放出的能量相当于多少优质煤完全燃烧时放出的能量？(1 kg优质煤完全燃烧时能产生3.36×107 J的热量，1 u相当于931.5 MeV的能量，元电荷e＝1.6×10－19 C，阿伏伽德罗常数NA＝6.02×1023 mol－1) 解析　核反应方程为：eq \o\al(235,92)U＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(141,56)Ba＋eq \o\al(92,36)Kr＋3eq \o\al(1,0)n， 质量亏损为：Δm＝(mU＋mn)－(mBa＋mKr＋3mn)＝(235.0439＋1.0087) u－(140.9139＋91.8973＋3×1.0087) u＝0.2153 u， 释放的核能为：ΔE0＝0.2153×931.5 MeV≈201 MeV， 已知235 g铀235有6.02×1023个铀235核，那么1 kg铀235内大约有eq \f(1,0.235)×6.02×1023≈2.56×1024个铀235核，由此可知1 kg铀235全部核裂变放出的能量为： ΔE＝2.56×1024×201 MeV≈5.15×1026 MeV＝5.15×1032 eV＝8.24×1013 J， 则相当于优质煤的质量为：M＝eq \f(8.24×1013,3.36×107)kg≈2.45×106 kg. 10．(链式反应)新冠病毒是一种传染病毒，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eq \o\al(235, 92)U＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(144, 56)Ba＋eq \o\al(89,36)Kr＋Req \o\al(1,0)n，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 11．(综合)已知氘核质量为2.0136 u，中子质量为1.0087 u，eq \o\al(3,2)He 核的质量为3.0150 u．两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成 eq \o\al(3,2)He并放出一个中子，释放的核能也全部转化为粒子的动能．(质量亏损为1 u时，释放的能量为931.5 MeV.除了计算质量亏损外，eq \o\al(3,2)He的质量可以认为是中子的3倍) (1)写出该核反应的反应方程式； (2)该核反应释放的核能是多少？ (3)若测得反应后生成中子的动能是3.12 MeV，则反应前每个氘核的动能是多少MeV? 答案　(1)eq \o\al(2,1)H＋eq \o\al(2,1)H→eq \o\al(3,2)He＋eq \o\al(1,0)n　(2)3.26 MeV　(3)0.45 MeV 解析　(1)根据题意可知，核反应方程式为eq \o\al(2,1)H＋eq \o\al(2,1)H→eq \o\al(3,2)He＋eq \o\al(1,0)n. (2)质量亏损为Δm＝2×2.0136 u－1.0087 u－3.0150 u＝0.0035 u 释放的核能为ΔE＝Δm×931.5 MeV/u≈3.26 MeV. (3)设中子和eq \o\al(3,2)He核的质量分别是m1、m2，速度大小分别为v1、v2，反应前每个氘核的动能是Ek，根据动量守恒定律，得m1v1－m2v2＝0 根据能量守恒定律，得2Ek＋ΔE＝eq \f(1,2)m1veq \o\al(2,1)＋eq \f(1,2)m2veq \o\al(2,2) 又由题意可知m2＝3m1eq \f(1,2)m1veq \o\al(2,1)＝3.12 MeV 联立解得Ek＝0.45 MeV. $$