5.4 核裂变和核聚变 5.5 核能的利用与环境保护 课件-2025-2026学年高二下学期物理鲁科版选择性必修第三册

该高中物理课件聚焦核裂变、核聚变及核能的利用与环境保护，通过铀核裂变示意图分析、太阳能量来源等导学问题导入，衔接原子核结构前期知识，为能源利用后续学习搭建支架，帮助学生构建完整知识脉络。 其亮点在于以物理观念为核心，通过易错辨析（如链式反应条件判断）和即学即用练习强化能量观念；重难探究结合对比表格（裂变与聚变区别）培养科学思维（模型建构、科学推理）；核能环保内容渗透科学态度与责任（保护环境、社会责任）。采用问题驱动与典例剖析（如铀核裂变方程书写、质量亏损计算），学生能深化核反应规律理解，教师可直接利用系统模块提升教学效率。

第5章　原子核与核能 第4节　核裂变和核聚变　第5节　核能的利用与环境保护 课标要求 1.知道重核裂变和轻核聚变。(物理观念) 2.会判断和书写核裂变、核聚变方程,能计算核反应释放的能量。(物理观念) 3.了解核能的利用与环境保护。(物理观念) 基础落实·必备知识全过关 一、重核裂变 1.核裂变:用　　　　轰击铀核,铀核分裂成两个质量相近的两部分,这种核反应过程称为核裂变。  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　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  中子 二、链式反应 1.链式反应:当一个　　　　引起一个重核　　　　后,裂变释放的______　　　　再引起其他重核　　　　,且能不断继续下去,这种反应叫核裂变的链式反应。  2.临界体积:能发生裂变反应的铀块的　　　　　　　称为临界体积。  3.链式反应的条件:发生裂变物质的体积不小于　　　　　　。  三、轻核聚变 1.核聚变:采用轻核聚变成较重核引起结合能变化的方式可获得核能,这样的核反应称为核聚变。 2.氢核聚变的核反应方程为　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  中子 裂变 中子 裂变 最小体积 临界体积 四、可控热核聚变 1.使轻核发生聚变的条件:必须使它们的间距达到核力作用的范围。 2.控制方法:①引力约束;②磁约束;③惯性约束。 五、核能的利用与环境保护 1.核电站:将核反应堆释放的核能转化为电能的发电厂。 2.核能的优势:产热效率高、安全运行的情况下污染小。 3.核污染的处理:在反应堆的外面需要修建很厚的　　　　　,用来屏蔽裂变反应放出的各种射线,核废料具有很强的　　　　　,需要装入特制的容器,深埋地下。  水泥层 放射性 易错辨析 判一判 (1)铀块的体积不小于临界体积时链式反应才能不停地进行下去。(　　) (2)中子的速度越快,越容易发生铀核裂变。(　　) (3)核聚变时吸收能量。(　　) (4)核聚变平均每个核子放出的能量,比裂变反应中平均每个核子放出的能量大。(　　) √ 提示 中子的速度太快,不易被铀核俘获,不容易发生铀核裂变。 提示 核聚变时放出能量。 × × √ 即学即用 练一练 (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。 重难探究·能力素养全提升 探究点一　核裂变 导学探究 如图所示为铀核核裂变示意图。 (1)铀核裂变是如何发生的?写出上图所示铀核裂变的核反应方程。 要点提示 只有铀块体积不小于临界体积才能发生链式反应。 (2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗? 要点提示 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。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,同时放出中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变反应一代接一代继续下去,形成链式反应。 知识归纳 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 2.链式反应的条件 (1)铀块的体积不小于临界体积。 (2)铀块的质量不小于临界质量。 画龙点睛　铀核裂变为中等质量的原子核,发生质量亏损,所以放出能量。 典例剖析 【例题1】　关于重核的裂变,以下说法正确的是(　　) A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B.中子从铀块中通过时,一定发生链式反应 C.重核裂变释放出大量能量,产生明显的质量亏损,所以核子数要减少 D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量,所以重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能 D 解析 根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知,裂变时因铀核俘获中子即发生核反应,是核能转化为其他形式能的过程,其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量。链式反应是有条件的,即铀块的体积必须不小于其临界体积。如果体积小,中子从铀块中穿过,碰不到原子核,则链 粒子质量分别为mU=235.043 9 u,mn=1.008 67 u,mSr=89.907 7 u,mXe=135.907 2 u,质量亏损为Δm=(mU+mn)-(mSr+mXe+10mn)=0.150 97 u。可见铀核裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的,核子数是不会减少的,因此选项A、B、C错误,D正确。 规律方法　裂变问题的分析方法 1.对于裂变问题,要知道是什么原子核发生了裂变,写出原子核的裂变方程,应该注意裂变方程的质量数和核电荷数守恒;更应该注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造,并不是所有满足质量数和核电荷数守恒的方程都能发生。 2.根据质能方程ΔE=Δmc2,由反应前后原子核的质量亏损,可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。 对点演练 1.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 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 解析 铀核裂变反应过程中,质量数守恒,X的质量数235+1-89-3=144,可知X原子核中含有144个核子; 核电荷数守恒,92-36=56,所以X中的中子数为144-56=88,即X原子核中含有88个中子,在核反应的过程中,质量数是守恒的。总质量数既不减小,也不增加,存在质量亏损,故C正确,A、B、D错误。 探究点二　核聚变和核能的计算 导学探究 万物生长靠太阳。太阳在我们日常生活中是不可替代的,它提供给地球足够的能源,一旦没有了太阳,地球上的一切生物都将随之消失。 你知道太阳的能量来源吗? 要点提示 来源于太阳内部的核聚变反应。 知识归纳 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。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。 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.聚变方程 质量数守恒,核电荷数守恒 4.重核裂变与轻核聚变的区别 比较项目 重核裂变 轻核聚变 放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核,放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核,放出核能 原料的 蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限,尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7% 主要原料是氘,氘在地球上的储量非常丰富 可控性 速度比较容易进行人工控制,现在的核电站都是用重核裂变反应释放核能 目前人们还不能控制轻核聚变 放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3~4倍 核废料处 理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多 典例剖析 A 【例题2】 (2025云南丽江高三期中)我国的“中国环流三号”项目在国际上首次发现并实现了一种先进磁场结构,对提升核聚变装置的控制运行能力具有重要意义。下列说法正确的是(　　) A.“中国环流三号”中的核反应与恒星内部的核反应 反应类型相同 B.“中国环流三号”中的核反应,生成物的总质量大于反应物的总质量 C.“中国环流三号”中的一种核反应为H+Hen D.氢的同位素H(氚)具有放射性,半衰期为12.46年,现有100个氚原子核,经过12.46年后将剩下50个 解析 “中国环流三号”是核聚变研究装置,故“中国环流三号”中的核反应与恒星内部的核反应反应类型相同,故A正确;释放能量的核反应会伴随质量亏损,故生成物的总质量小于反应物的总质量,故B错误;该核反应方程不符合质量数守恒,故C错误;半衰期适用于大量原子核,对少量原子核不适用,故无法判断100个氚原子核经过12.46年后剩下的个数,故D错误。 对点演练 2.两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)。已知氘核质量mD=2.013 6 u,氦核质量mHe=3.015 0 u,中子质量mn=1.008 7 u。 (1)写出聚变方程并算出释放的核能;(已知质量亏损1 u释放的核能为931.5 MeV) (2)若反应前两个氘核的动能均为EkD=0.35 MeV。它们正面对撞发生聚变,且反应后释放的核能全部转变为动能,则反应产生的氦核和中子的动能各为多大? 该反应质量亏损Δm=2mD-mHe-mn=0.003 5 u 由质能方程得释放核能ΔE=Δm×931.5 MeV=0.003 5×931.5 MeV=3.26 MeV。 (2)将两个氘核作为一个系统,由动量守恒有 代入数据可得EkHe=0.99 MeV,Ekn=2.97 MeV。 学以致用·随堂检测全达标 1 2 3 1.(多选)下列说法正确的是(　　) A.聚变反应中有质量亏损,所以必向外界放出能量 B.要使核发生聚变反应,必须使核之间的距离接近到1×10-15 m,也就是接近到核力能够发生作用的范围内 C.要使核发生聚变反应,必须克服核力做功 D.热核反应只有在人工控制下才能发生 AB 解析 由质能方程可知,选项A正确;轻核结合成质量较大的核,必须使轻核间的距离达到核力能发生作用的范围,才能使它们紧密地结合起来,选项B正确,C错误;热核反应必须在很高的温度下才能发生,不一定要人工控制,选项D错误。 1 2 3 A 2.(2025重庆高二下期中)下列核反应方程中属于核裂变的是(　　) 1 2 3 1 2 3 3.(多选)关于重核裂变的说法正确的是(　　) A.重核裂变为两个中等质量的核时,重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多 B.只要用中子轰击铀块,就一定能发生链式反应 C.为了使裂变的链式反应容易发生,不能利用裂变时产生的中子 D.裂变过程中释放能量,质量亏损 AD 解析 重核裂变为两个中等质量的核时,会产生两到三个中子,因而分裂后的中子数减小,选项A正确;链式反应的发生是有条件的,铀块的体积必须不小于其发生链式反应的临界体积,链式反应一旦发生,中子轰击铀核裂变产生的中子再次引起其他铀核的裂变,且能不断继续下去,选项B、C错;重核裂变时质量发生亏损,总能量减小,减小的能量对外释放,选项D正确。 UBaKr+n HHen U和Pu nBaKr+n UBaKr+n nSrXe+1n 式反应不会发生。在裂变反应中核子数是不会减少的,如U裂变为Sr和Xe的核反应,其核反应方程为nXe+1n,其中各 反应方程是U+nXKr+n,则下列说法正确的是(　　) HHen。 答案 (1HHen　3.26 MeV　(2)0.99 MeV　2.97 MeV 解析 (1)核反应方程为HnHe 0=mHevHe-mnvn,由于,则vHe=vn 又由能量守恒有mHemn=ΔE+2EkD A.PunXeZr+n BCNe+ CUThHe DHHen 解析PunXeZr+n,该反应为核裂变,故A正确CNe+,该反应为β衰变,故B错误UThHe,该反应为α衰变,故C错误;H+Hen,该反应为核聚变,故D错误。 $