5.5 裂变和聚变 课件-2024-2025学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第三册

第五节　裂变和聚变 第五章　原子与原子核 学习目标 1.知道重核裂变和轻核聚变，了解链式反应，体会用物理模型分析问题。 2.了解可控热核聚变反应，了解核技术应用对人类生活和社会发展的影响。 3.了解人类探索粒子的历程，感受科学家的责任担当。 1. 原子核蕴藏着巨大的能量。 2. 元素周期表前面元素的原子核质量小属于轻核，其质子数等于中子数。比如和；后面元素的原子核属于重核，一般中子数要多于质子数。比如和。 对原子核进一步认识： 3. 排在83号元素铋之后的原子核不稳定，它们会自发地裂变或衰变； 排在92号元素铀之后的原子核就十分不稳定，很难在自然状态下存在，比如。 4. 原子核比结合能的大小决定了原子核的稳定性。 3 从曲线可以看出，重核向中等质量的核方向发生核反应会释放出能量。轻核向中等质量的核方向发生核反应也会释放出能量 1. 裂变：一个重核分裂成两个较轻的核时，会释放出能量，这种核反应叫作核裂变。 2. 铀核裂变 一、核裂变与链式反应 铀核裂变的产物多样 思考：从铀核裂变的核反应方程式中，你发现核裂变有什么特点？ ①质量数守恒、电荷数守恒； ②裂变产物不是唯一的； ③生成物中有多个中子。 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，这样的核反应叫链式反应. 3.链式反应 铀的两种天然同位素：铀238和铀235 ｛99.3％ ， 0.7％ ｝ 俘获各种能量的中子都会发生裂变. 只有俘获能量大于1MeV的中子才可能发生裂变. 为了使裂变的链式反应容易发生，最好选用高浓度 裂变物质（铀块）的体积大于临界体积. 发生链式反应的条件： 例1.1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线。下列关于这个实验的说法中正确的是(　　) A.这个实验的核反应方程是BaKrn 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.这个反应中释放出来的能量可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算 D.实验中产生的γ射线穿透能力极强 D 例2.核电站利用核反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电。反应堆中的核反应方程式为，已知铀核的质量mU，中子的质量mn，锶(Sr)核的质量mSr，氙(Xe)核的质量mXe，光在真空中的传播速度为c。则 (　　) A.Z=38，A=136 B.Z=48，A=146 C.一个U裂变时的质量亏损Δm=mU-mSr-mXe-10mn D.一个U裂变时释放的能量为(mU-mSr-mXe-10mn)c2 A 例3.原子弹和核能发电的工作原理都是核裂变。一种典型的铀核裂变的核反应方程是n→XKr+n，则下列说法正确的是 (　　) A.X原子核中含有86个中子，裂变后的总质量数减少 B.X原子核中含有144个核子，裂变后的总质量不变 C.X原子核中含有144个核子，裂变后的总质量减少 D.X原子核中含有86个中子，裂变后的总质量数增加 C 发生条件： 例如： 原子核间距离接近10-15m范围内，需要几百万摄氏度的高温，所以聚变又叫热核反应. 1.定义：两个轻核聚合成一个较重的核时，会释放出能量，我们把这种核反应叫作核聚变. 实 例 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。 氢弹，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。 ①宇宙天体： ② 核武器： 二、核聚变及受控热核反应 2.核聚变与核裂变相比有很多优点 ①轻核聚变产能效率高。 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。 3.受控热核反应 例4.太阳能源于其内部的聚变反应，太阳质量也随之不断减少。设每次聚变反应可看作4个氢核结合成1个氦核，太阳每秒钟辐射的能量约为4.0×1026 J，下列说法正确的是 (　　) A.该聚变反应在常温下也容易发生 B.太阳每秒钟减少的质量约4.4×109 kg C.该聚变的核反应方程是He+e D.目前核电站采用的核燃料主要是氢核 B 三、核能利用 1.核电站： 核电站是利用原子核裂变反应释放出能量，经能量转化而发电的。 核电站优点： ① 消耗的核燃料少 ② 污染小 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。核电站对环境的污染比火电站小。 大亚湾核电站 2.核反应堆： ①铀棒：由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，它是核反应堆的燃料。 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俘获，发生核裂变。 ②石墨(或重水)：石墨(或重水)作为慢化剂， ④水泥防护层：屏蔽射线，防止放射性污染。 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。 把核反应堆小型化，可以用于核动力潜艇、核动力破冰船和核动力航空母舰 例5.日本福岛第一核电站在地震后，数秒内就将控制棒插入核反应堆芯，终止了铀的裂变链式反应。但海啸摧毁了机组的冷却系统，因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量，核燃料棒温度不断上升，对周边环境产生了巨大的危害。则下列说法正确的是(　 　 ) A.控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制 B.控制棒插入核反应堆芯后，被吸收的中子数量变多 C.核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大 D.核泄漏中放射性物质对人类是有害的 ABD 例6.2017年5月25日，“华龙一号”全球首堆示范工程—福清核电5号机组顺利完成穹顶吊装，工程正式由土建阶段进入安装阶段。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铀发生裂变反应，释放出大量核能。已知一个 核裂变时能释放200 MeV的能量，燃烧1kg 煤所放出的能量为2.94×107 J. 请从数量级上感受铀完全裂变释放的能量与燃烧煤释放的能量的差异。 解：1kg含有的原子数目 而200 MeV相当于3.2×10-11 J ，则1 kg铀完全裂变释放能量E1=8.3×1013 J 所释放的能量相当于完全燃烧的煤的质量 如果 1 kg 铀全部裂变，它放出的能量就相当于 2800 t 标准煤完全燃烧时放出的化学能。 = 1 kg 2800 t $$