5.5 裂变和聚变（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第五节　裂变和聚变 课程内容要求 核心素养提炼 1.知道什么是核裂变． 2．知道链式反应，并能计算核裂变释放的核能． 3．了解核反应堆的工作原理和核电站的工作流程． 4．知道核聚变反应的定义和聚变反应的特点． 5．会判断和书写核聚变反应的方程，能计算核聚变释放的能量． 6．了解受控热核反应． 1.物理观念：核裂变、链式反应、临界体积和临界质量、核聚变、粒子及其种类． 2．科学思维：核裂变、核聚变反应方程的书写及核能的计算． 3．科学态度与责任：核能的利用在国防和建设中的应用． [对应学生用书P87] 1．核裂变和核聚变 一个重核分裂成两个较轻的核时，会释放出能量，我们把这种核反应叫作核裂变． 两个轻核聚合成一个较重的核时，也会释放能量，我们把这种核反应叫作核聚变． 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U＋n―→Ba＋Kr＋3n． 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，这种反应叫核裂变的链式反应． 4．临界体积和临界质量 把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量． 5．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． [判断] (1)铀核裂变的产物是固定的，就是生成钡和氪，同时放出3个中子．(×) (2)裂变中放出的中子数目是固定的3个中子．(×) (3)只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应．(√) 1．条件 (1)轻核的距离要达到10－15_m以内． (2)聚变可以通过高温来实现，因此又叫热核反应． 2．核反应举例 (1)热核反应主要应用在核武器上，如氢弹． (2)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)典型的核聚变：一个氘核和一个氚核的聚变， H＋H―→He＋n＋γ 该反应平均每个核子放出的能量比裂变反应平均每个核子放出的能量大3～4倍． [思考] 发生核聚变需要什么条件？ 提示　需要足够大的能量使轻核间的距离达到10－15 m以内． 1．反应堆 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． 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，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． 4．核污染的处理 为阻止射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染，在反应堆外面需要修建很厚的水泥层，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，需要装入特制容器，深埋地下． [思考] 慢化剂的作用是什么？是为了减慢裂变速度吗？ 提示　慢化剂的作用是使快中子减速，以便于中子与铀核作用发生链式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率． [对应学生用书P88] 探究点一　核裂变和链式反应 1964年10月16日，我国第一颗原子弹爆炸成功． (1)原子弹爆炸属于哪种核反应？ (2)写出一个属于原子弹爆炸类型的核反应方程． 提示　(1)核裂变 (2)U＋n―→Sr＋Xe＋10n 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： ①U＋n―→Xe＋Sr＋2n. ②U＋n―→Ba＋Kr＋3n. 2．链式反应的条件 (1)由慢中子轰击． (2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量． 以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足． 据伊朗新闻电视台2019年9月7日消息，伊朗原子能组织发言人卡迈勒万迪当天宣布，作为第三阶段中止履行伊核协议的措施，伊朗已启动了“先进离心机”，以增加浓缩铀储量．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 C　[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．] [训练1]　日本东北地区发生的强烈地震引发福岛核电站反应堆泄漏大量放射性物质．其中Th(钍)具有天然放射性，能放出一个β粒子而变为Th(镤).则下列说法中正确的是(　　) A．Th比Th质量数少1 B．发生β衰变时所释放出的电子是原子的核外电子发生电离而发射出来的 C．该核反应方程为：Th―→Th＋β D．精确地讲，一个Th核的质量比一个Th核与一个β粒子的质量和要大 D　[Th和Th质量数都是234，故A错误；β衰变的实质：β衰变时释放的电子是由核内一个中子转变成一个质子的同时释放出来的，故B错误；该核反应方程为：Th―→Th＋e，故C错误；衰变过程中有质量亏损，所以精确地讲，一个Th核的质量比一个Th核与一个β粒子的质量和要大，故D正确．] [训练2]　(多选)核电站利用原子核裂变的链式反应获得能量进行发电．已知U是核电站常用的核燃料，其常见的反应方程式为U＋n―→Ba＋Kr＋3X、U＋n―→Xe＋Sr＋2X.则下列说法正确的是(　　) A．X是β粒子 B．两个核反应一定都有质量亏损 C．Ba的结合能小于U的结合能 D．要使链式反应发生，裂变物质的体积要小于它的临界体积 BC　[核反应过程中，质量数和电荷数守恒，故X的质量数为1，电荷数为零，故为中子，故A错误；裂变反应，一定释放能量，根据爱因斯坦质能方程可知，一定存在质量亏损，故B正确；核子数越多的原子核，结合能越大，故Ba的结合能小于U的结合能，故C正确；要使链式反应发生，条件是裂变物质的体积要大于它的临界体积，故D错误．] 探究点二　核聚变的特点及应用 如图为氢弹原理示意图． 氢弹原理图 (1)若要发生核聚变，对原子核间的距离有什么要求？ (2)核聚变为何又叫热核反应？ 提示　(1)原子核间的距离达到10－15 m以内． (2)核聚变需要在几百万开尔文的高温下才能进行，因此核聚变又叫热核反应． 1．聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能，有一种办法就是把它们加热到几百万开尔文的高温． 2．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． 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进行下去． (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． 4．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聚变爆炸． (2)可控热核反应：目前处于探索阶段． 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 C　[根据质能方程ΔE＝Δm·c2得ΔE＝(4mp－mα－2me)·c2，因核反应前后质量亏损约为Δm＝(1.007 8×4－4.002 6)u＝0.028 6 u，故释放的能量约为ΔE＝931 MeV/c2×Δm＝26.6 MeV，C正确，A、B、D错误．] [训练3]　“人造太阳”实验中的可控热核反应的聚变方程是H＋H―→He＋n，反应原料氘(H)富存于海水中，氚(H)可以用中子轰击锂核(Li)得到，则关于中子轰击锂核产生一个氚核和一个新核，下列说法正确的是(　　) A．该核反应方程为Li＋n―→He＋H B．核反应生成物中的α粒子具有很强的电离本领，但穿透能力较弱 C．在中子轰击锂核(Li)的核反应生成物中有α粒子，故该核反应属于α衰变 D．核聚变的条件是要达到高温高压的热核反应状态，故核聚变过程不能释放出核能 B　[根据质量数和电荷数守恒得该核反应为：Li＋n―→He＋H，故A错误；α射线的电离本领较强，穿透能力较弱，故B正确；该核反应为人工核反应，故C错误；在聚变方程式H＋H―→He＋n中会释放大量的热量，故D错误．] [训练4]　关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是(　　) A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多 B．聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大 C．聚变反应中粒子的结合能变大 D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加 B　[在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，并非结合能增加，故C、D错误．] 探究点三　核能利用 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： 　　部件名称 项目 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的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围． 反应堆示意图 (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． (4)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． 关于核电站的核反应堆，下列说法正确的是(　　) A．利用热中子是因为热中子的速度快，增加反应速度 B．在铀棒的周围放重水或普通水的目的是冷却反应堆 C．控制棒通过使中子减速达到控制反应速度的目的 D．若核反应剧烈，可将控制棒插入深一些，减慢反应速度 D　[因为核裂变产生的是速度很大的快中子，中子速度不能太快，否则会和铀核擦肩而过，铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变，所以必须控制好中子的速度，为了使快中子减速，在铀棒的周围放重水或者普通水，目的就是使中子冷却而减速，故A、B、C错误；根据核反应堆控制棒的作用可知，控制棒插入深一些，让它多吸收中子，中子数减少，反应速率会慢一些，故D正确．] [训练5]　日本大地震曾引发了福岛核电站核泄漏事故，下列关于核电站的说法正确的是(　　) A．核电站利用核聚变反应时释放的能量进行发电 B．核电站利用海洋的潮汐能发电 C．核能是可再生能源 D．核泄漏释放的放射性物质发出的射线对人体是有危害的 D　[目前核电站均采用重核裂变进行发电的，故A、B错误；核能是利用重核裂变进行的，是不可再生能源，故C错误；长时间接受核辐射会使正常细胞发生癌变，故D正确．] [训练6]　近段时间，朝鲜的“核危机”引起了全世界的瞩目，其焦点问题就是朝鲜核电站采用的是轻水堆还是重水堆．因为重水堆核电站在发电的同时还可以产出供研制核武器的钚239(Pu).这种钚(Pu)，可由铀239(U)经过衰变而产生，则下列判断正确的是(　　) A.Pu与U的核内具有相同的中子数 B．Pu与U的核内具有相同的质子数 C．U经过2次β衰变产生Pu D．U经过1次α衰变产生Pu C　[Pu的核内中子数为：239－94＝145，U的核内中子数为：239－92＝147，故它们中子数不相等，故A错误；Pu的核内质子数为94，U的核内质子数为92，故它们质子数不相等，故B错误；根据质量数与电荷数守恒可知：U―→Pu＋2e，故C正确，D错误．] [对应学生用书P92] 1．(裂变和聚变)(多选)下列说法正确的是(　　) A．目前我国核电事业蓬勃发展，新建核电站的能量来源可以是轻核聚变 B．无论裂变还是聚变都要从比结合能小的原子核向比结合能大的原子核变化 C．半衰期是大量原子核内的核子有统计意义上的半数发生变化的时间，它不随温度或压强变化而变化 D．重核发生α衰变后的产物的总结合能小于原重核的结合能 BD　[轻核聚变现在还无法进行控制，新建核电站的能量来源于重核裂变，故A错误；比结合能小的原子核向比结合能大的原子核发生变化时要放出能量，裂变和聚变都是放热反应，所以无论裂变还是聚变都要从比结合能小的原子核向比结合能大的原子核变化，故B正确；半衰期是大量原子核有统计意义上的半数发生变化的时间，它不随温度或压强变化而变化，不是原子核内的核子有半数发生变化所需要的时间，故C错误；重核发生α衰变后，伴随着γ射线产生，即要释放能量，所以重核发生α衰变后的产物的总结合能小于原重核的结合能，故D正确．] 2．(核聚变反应)(多选)以下核反应方程中属于核聚变的是(　　) A．H＋H―→He＋n B．N＋He―→O＋H C．H＋n―→H＋γ D．4H―→He＋2e ACD　[轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为聚变．] 3．(核电站和核反应堆)如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是(　　) 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　[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都错误．] 4．(核能的计算)用中子轰击铀核(U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(Ba)和氪(Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下： mU＝390.313 9×10－27kg， mn＝1.674 9×10－27 kg mBa＝234.001 6×10－27 kg， mKr＝152.604 7×10－27 kg 试写出核反应方程，算出反应中释放的核能． 解析　根据反应前后核的质量数守恒、核电荷数守恒和反应中的能量守恒，可以写出核反应方程为 n＋U―→Ba＋Kr＋3n 核反应前后的质量亏损为 Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.357 8×10－27 kg 则爱因斯坦质能方程可得释放的核能为 ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J＝3.220 2×10－11 J. 答案　n＋U―→Ba＋Kr＋3n 3．220 2×10－11 J 学科网（北京）股份有限公司 $$