5.4 核裂变与核聚变（课件）-2024-2025学年高二物理同步精讲练（人教版2019选择性必修第三册）

第五章：第4节 核裂变与核聚变 高中物理选择性必修第三册 制作：陈庆威 学习目标 00. 高中物理选择性必修第三册 1.了解核裂变反应及链式反应的条件。 2.知道反应堆的工作原理及其类型，知道核电站的工作流程。 3.了解核聚变反应及条件。 4.了解两类核能应用的利弊，关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。 目录 CONTENT 高中物理选择性必修第三册 核裂变的发现 反应堆与核电站 核聚变 巩固提升 问题？ 00. 高中物理选择性必修第三册 较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢？ 核裂变的发现 第一部分 核裂变的发现 01. 高中物理选择性必修第三册 1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的过程中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。 奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释，铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变。 核裂变 02. 高中物理选择性必修第三册 重核分裂成两个较轻的核时，释放出核能的反应叫做核裂变。 铀核裂变的产物是多样的，一种典型的铀核裂变是生成钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是 链式反应 03. 高中物理选择性必修第三册 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，且由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，这种反应叫核裂变的链式反应。 临界质量 04. 高中物理选择性必修第三册 铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，就有可能不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。只有当铀核足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，使链式反应进行下去。 使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。 核裂变的其他可能 05. 高中物理选择性必修第三册 1947年，我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇在实验中发现铀核也可能分裂为三部分或四部分。其概率大约是分裂为两部分的概率的 和 。 裂变反应的能量 06. 高中物理选择性必修第三册 铀核裂变时如果生成物不同，释放的能量也有差异。 一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能! 拓展学习 01. 高中物理选择性必修第三册 反应堆与核电站 第二部分 反应堆 01. 高中物理选择性必修第三册 1.铀棒：热中子反应堆的核燃料是铀棒，成分是天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)。 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。 核电站工作流程 02. 高中物理选择性必修第三册 第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核心反应放出的热使水的内能增加，水温升高。第一回路的水进入交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆。 在热交换器内，第二回路中的水被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。 核电站 03. 高中物理选择性必修第三册 在核电站中，只要“烧”掉一支铅笔那么多的核燃料，释放的能量就相当于 10 t 标准煤完全燃烧放出的热。一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗 30 t 左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要烧煤 2.5×106 t ！ 核防护 04. 高中物理选择性必修第三册 建造核电站时需要特别注意防止放射线和放射性物质的泄漏，以避免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。为此，在反应堆的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。核反应堆中的核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。 核聚变 第三部分 核聚变 01. 高中物理选择性必修第三册 两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。 一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3- 4倍，核反应方程： 思考与讨论 02. 高中物理选择性必修第三册 要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15 m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。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？ 发生核聚变的方法 03. 高中物理选择性必修第三册 有一种办法，就是把它们加热到很高的温度。当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一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。因此，核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。 核聚变的优点 04. 高中物理选择性必修第三册 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。 磁约束 05. 高中物理选择性必修第三册 带电粒子运动时在均匀磁场中受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。 惯性约束 06. 高中物理选择性必修第三册 由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光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。 氢弹 01. 高中物理选择性必修第三册 总结提升 第四部分 高中物理选择性必修第三册 课堂小结 01 02 03 核裂变核聚变 核聚变 反应堆与核电站 核裂变的发现 两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。 例题1 例题精选 01. 高中物理选择性必修第三册 【参考答案】D 国际热核聚变实验堆（ITER）计划俗称“人造太阳”，即为人工可控热核反应堆，该装置中发生的核聚变反应是和聚变生成并释放能量。下列说法正确的是（　　） A．该聚变的核反应方程是 B．的质量等于组成它的核子的质量之和 C．的比结合能大于的比结合能 D．为了实现可控核聚变，科学家设想的解决方案是磁约束和惯性约束 解析 例题解析 02. 高中物理选择性必修第三册 【解析】A．方程式不满足核电荷数守恒，该聚变的核反应方程应为，故A错误； B．核子结合成原子核时会发生质量亏损，因此的质量会小于组成它的核子的质量之和，B错误； C．比结合能是衡量原子核稳定性的指标，在聚变反应中，生成物的比反应前的更稳定，故的比结合能小于的比结合能，故C错误； D．为了实现可控核聚变，科学家设想的解决方案是磁约束和惯性约束，D正确。故选D。 例题2 例题精选 03. 高中物理选择性必修第三册 【参考答案】B 钍基熔盐反应堆主要采用钍232（）和铀238（）作为燃料。反应堆工作时，吸收中子转化为钚239（），核反应方程为，则（　　） A．核反应方程式中的X为 B．铀238的比结合能较钚239小 C．钚239的中子数比铀238多一个 D．核反应前后原子的质量数守恒，不存在质量亏损 解析 例题解析 04. 高中物理选择性必修第三册 【解析】A．根据质量数和电荷数守恒可知，X的电荷数为-1，质量数为0，所以X为电子，故A错误； B．生成的新核更稳定，所以比结合能更大，所以铀238的比结合能较钚239小，故B正确； C．钚239的中子数为145，铀238的中子数为146，所以钚239的中子数比铀238少一个，故C错误； D．虽然核反应前后原子的质量数守恒，但由于放出核能，所以存在质量亏损，故D错误。故选B。 例题3 例题精选 05. 高中物理选择性必修第三册 【参考答案】D 已知氕核质量为2.0141u，氚核质量为3.0161u，氦核质量为4.0026u，中子质量为1.0087u，阿伏加德罗常数，氘核摩尔质量为，相当于931MeV，核聚变反应方程式为，下列说法正确的是（　　） A．核聚变反应中每个核子释放的能量跟核裂变反应中相等 B．氘核的比结合能比氦核的小，氘核比氦核更稳定 C．氘核与氚核的间距达到就能发生核聚变，聚变反应比裂变反应更安全，清洁 D．6g的氘完全参与聚变释放出能量约为 解析 例题解析 06. 高中物理选择性必修第三册 【解析】A．核聚变反应中每个核子释放的能量比核裂变反应中每个核子释放的能量多，故A错误；B．反应后的原子核比反应前的原子核更稳定，所以氦核比氘核更稳定，氘核的比结合能比氦核的小，故B错误；C．氘核与氚核发生核聚变，要使它们间的距离达到以内，聚变反应比裂变反应更安全，清洁，故C错误；D．一个氘核与一个氚核聚变反应的质量亏损为 聚变反应释放的能量为 则6g的氘完全参与聚变释放出能量约为 故D正确。故选D。   THANKS cqw (c) - Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.52 $$