4. 核裂变 核聚变（教学课件）物理教科版选择性必修第三册

Teaching 5.4 核裂变 核聚变 授课人： 壹 素养目标 (1) 通过比较知道核裂变和核聚变的原理和区别，提高关联整合能力。(2)通过反应堆的原理与核电站的流程，理解人工可控核反应和核能的利用，提升分析解释的能力。 (3)了解可控核聚变的方案，能从场和惯性的角度认识可控核聚变。 conclusion 课堂导入 ONE 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? 课堂导入 课程目录 知识点讲解、探索新知 壹 总结与归纳 贰 课堂检测 叁 课后作业 肆 conclusion 知识点讲解 TWO 知识点讲解 核子平均质量 比结合能 核子的平均结合能随质量数的变化 z 核子结合成铁原子核或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大 使较重的核分裂成中等大小的核，比结合能会增加，发生质量亏损，释放结合能。 20世纪30年代，物理学家的一个重大发现改变了人类历史。原子核在“分裂或聚合”时，会释放出惊人的能量。 知识点讲解 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。 哈恩 迈特纳 弗里施 一、核裂变的发现 知识点讲解 一、核裂变的发现 1.核裂变 （1）定义：重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应的过程，叫做核裂变。 知识点讲解 2.铀核的裂变 中子轰击铀235 中间产物铀236 氪89 钡144 3个中子 知识点讲解 ⑵铀核的三分裂、四分裂 1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇在巴黎首先观察到中子轰击铀核的三分裂和四分裂现象。 铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有: 二分裂 三分裂 四分裂 概率： 知识点讲解 1.链式反应：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，叫做核裂变的链式反应。 二、链式反应 知识点讲解 2.链式反应的条件： ①有足够浓度的铀235 ②有足够数量的慢中子 ③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。 发生链式反应 爆炸 足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量(critical mass)。 铀-235 的临界质量约为 1 kg，质量超过1 kg 则发生爆炸。 知识点讲解 3.链式反应的能量： 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！ 课堂检测 例1：(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是(　　) A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定分裂为质量差不多的两部分 B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量 C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分 D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应 BC 解析： 用中子轰击 等少数重核元素才能发生裂变反应,铀核裂变时可能分裂为两部分、三部分或四部分,但产生两部分的概率最大,A、D错误,C正确;铀核裂变为中等质量的原子核时一定释放能量,B正确。 知识点讲解 三、反应堆与核电站 反应堆 核心设施（燃料）：浓缩铀制成的铀棒 减速剂（慢化剂）：石墨、重水或普通水，用于减小中子的速度。 控制棒：镉棒，用于吸收中子， 控制核反应的快慢。 水泥防护层：屏蔽射线防止放射性污染。 1.核反应堆 知识点讲解 2.核电站工作流程 课堂检测 例2．(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 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。 知识点讲解 四、核聚变 1、定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。 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 知识点讲解 2、条件：使原子核间的距离达到10-15m。 （原子核需要很大的动能才会“撞”在一起） 实现的方法有： 1.用加速器加速原子核； 2.把原子核加热到很高的温度（108～109K）； （不经济） 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。 知识点讲解 3、核聚变实例： 太阳聚变反应 热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。 恒星 科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！ 知识点讲解 （1）反应物质量相同的情况下聚变放出的能量比裂变多，产能效率高。相同的核燃料，反应中产生的能量比较多。 （2）地球上聚变燃料的储量丰富。每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6亿亿立方米的水，大约有40万亿吨氘。氚可以利用锂来制取，地球上锂储量有2000亿吨。 （3）轻核聚变更为安全、清洁。高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是没有放射性的。 （4）反应中放射物质的处理较容易，遗留物对环境污染小。氘和氚聚变反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。 4.可控核聚变（热核反应）的优越性： 知识点讲解 5、实现可控核聚变的主要困难： （1）热核反应的的点火温度很高； （2）如何约束聚变所需的燃料。 现在的技术还不能控制热核反应 惯性约束：利用核聚变物质的惯性进行约束 磁约束：利用磁场来约束参加反应的物质 课堂检测 例3：关于核聚变，以下说法正确的是（ ） A．与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁 B．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站 C．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－10 m以内，核力才能起作用 D．核聚变比核裂变更易控制 A conclusion 课堂检测 THREE 课堂检测 1.为使链式反应平稳进行，可采用下列办法中的（ ） A.铀块体积尽量制得小些 B.通过慢化剂将产生的中子减速 C.用镉棒作为慢化剂使中子减速 D.铀核裂变释放的中子直接去轰击另外的铀核 课堂检测 2.关于核电站与火力发电站，下列说法正确的是（ ） A.核电站是利用原子的核裂变反应产生的能量发电的 B.核能发电所用的核燃料及其裂变产物无任何污染性，可以随意处理 C.火力发电会产生大量的温室气体，需要增加脱硫设施，核电站没有这个问题 D.目前，核电站的能量主要来自轻核聚变 课堂检测 3.若 俘获一个中子裂变成和两种新核，且三种原子核的质量分别为235.043 u、89.9077u和135.9072u，中子的质量为1.0087u(1u=1.6606x10-27kg，1u相当于 931.50 MeV)。 (1)写出上述铀核裂变的核反应方程; (2)计算反应中释放的核能。 课堂检测 4.受中子轰击发生裂变，产生和，同时释放200MeV的能量。现要建设 1.0x106kW的核电站，用铀235 作为核燃料，假设核裂变释放的能量 40% 被用来发电,则该核电站每天需要纯铀 235 的质量是多大?(阿伏伽德罗常量取 6.02x10 23/mol) 课堂检测 5.原子核聚变有望给人类未来提供丰富的洁净能源。当氖等离子体被加热到适当高温时，氖核参与的几种聚变反应可能发生，放出能量。这几种反应的总效果可以表示为6'H->k'He +d,H+2,n+43.15 MeV，由平衡条件计算 k、d的值。 课堂检测 6.太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为4x1026J，试根据爱因斯坦质能方程估算太阳每秒钟减少的质量。 课堂检测 7.海水中含有丰富的氘，总蕴藏量约有2x1013t。已知两个氘核可结合成一个氨核并放出一个中子，中子、氘核和氨核的质量分别为mn=1.0087u,mD=2.0136u,mHe=3.0150u。 (1)写出核聚变的方程并算出释放的核能;(已知1u相当于 931.5 MeV的能量) (2)若每升海水中含氘量为0.03g，让其全部发生核聚变释放的能量和完全燃烧多少千克汽油放出的热量相当?(汽油的热值q=4.6x107J/kg) conclusion 总结与归纳 THREE 总结与归纳 一、核裂变的发现 1.裂变；重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应的过程 2链式反应：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 3.链式反应的条件：铀的纯度和铀块大小 二、反应堆与核电站 三、核聚变 1.核聚变：两个轻核结合成一个质量较大的核 2.核聚变的条件：加热到几百万卡尔文（热核反应） conclusion 课后作业 FOUR 课后作业 添加分层作业链接 Teaching 演示结束 谢谢观看 The top "Start" panel allows you to modify the font, size, color, line spacing, and more. It is recommended that the text be 8 to 18 characters with 1.3 times the space between the characters. 授课人： 教师说课│公开课│示范课│教师授课 U和Pu $$