5.4 核裂变与核聚变（课件PPT）-【金榜题名】2025-2026学年高二物理选择性必修第三册同步学案（人教版）

该高中物理课件聚焦“原子核”主题，系统涵盖核裂变、核聚变、核反应堆结构（铀棒、慢化剂等）及核燃料特性，通过课前预习梳理教材、课堂探究核心突破、课堂达标素养提升的学习支架，帮助学生衔接从基础概念到实际应用的知识脉络。 其亮点在于紧扣新课标核心素养，以核反应堆结构分析培养科学思维中的模型建构，通过练习题与课堂探究强化科学探究能力，如核燃料裂变产物与放射性的关联探究深化能量观念。学生能提升物理观念与科学思维，教师可依托系统教学环节高效落实核心素养。

第五章 原子核　 5．4　核裂变 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 目录 contents Part 01 课前预习 梳理教材 课堂探究 核心突破 Part 02 课堂达标 素养提升 Part 03 课时作业（二十三） Part 04 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 课前预习 梳理教材 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 中子 一代接一代 2 800 t 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 核反应堆 铀棒 石墨、重水或普遍水 吸收中子 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 核燃料裂变 热量 水泥层 核裂变产物 放射性 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 质量较大 能量 10-15 库仑斥力 几百万 热核反应 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 氢弹 原子弹 氢 核聚变 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 环流器 激光 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 课堂探究 核心突破 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 课堂达标 素养提升 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 谢谢观看 物理 选择性必修3 第五章　原子核 返回导航 返回导航 返回导航 学习目标 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，关注受控核聚变反应研究的进展。 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。 一、核裂变的发现 1.核裂变：铀核被 轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反应。 2.铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多样的，其中一种典型的铀核裂变是 eq \o\al(235, 92)U＋ eq \o\al(1,0)n―→ eq \o\al(144, 56)Ba＋ eq \o\al(89,36)Kr＋ 。 3.链式反应：由重核裂变产生的中子使核裂变反应 继续下去的过程叫核裂变的链式反应。 4.临界体积和临界质量：把核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.核裂变的能量：1 kg铀235全部发生核裂变放出的能量相当于 标准煤完全燃烧时释放的化学能。 3 eq \o\al(1,0)n 二、反应堆与核电站 1.核反应堆：控制链式反应的核心设施是 ，它主要由以下几部分组成： (1)核燃料： 。 (2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用 .做慢化剂。 (3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。镉 的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。 2.核电站——利用核能发电的装置 (1)工作原理： 释放的能量，使反应区温度升高。 (2)能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的 传输出去，用于发电。同时也使反应堆冷却。 (3)核污染的处理：为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的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的 ，用来屏蔽 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。 三、核聚变 1.核聚变 (1)定义：两个轻核结合成 的核，并释放出 的反应。 (2)举例： eq \o\al(2,1)H＋ eq \o\al(3,1)H→ eq \o\al(4,2)He ＋ eq \o\al(1,0)n＋17.6 MeV。 (3)条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到 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 ，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达 开尔文，因此核聚变又叫 。 (4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是 ，需要用 .爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 (5)太阳能：太阳的主要成分是 ，太阳中心温度可达1.6×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部 释放的核能。 2.受控热核反应 (1)核聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高。第二：地球上核聚变燃料的储量丰富。第三：轻核聚变更为安全、清洁，控制温度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理。 (2)核聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。 (3)控制方法 ①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是 。 ②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的 或X射线从各个方向照射反应物，使它们“挤”，在一起发生反应。 [自我诊断] 1.判断下列说法的正误 (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)只有铀块的体积大于等于临界体积时，才能发生链式反应。( √ ) (3)核裂变中会释放出大量的能量，同时也是获得放射性同位素的重要方法。( √ ) (4)镉棒使中子的速度减慢，可以控制链式反应的速度。( × ) (5)核反应堆产生的废料无毒无害，可以随意丢弃。( × ) (6)核聚变平均每个核子放出的能量比核裂变反应平均每个核子放出的能量大。( √ ) 答案：(1) ×　(2) √　(3) √ (4) × (3) × (4) √ 2.下面是铀核裂变反应中的一个： eq \o\al(235, 92)U＋ eq \o\al(1,0)n→ eq \o\al(136, 54)Xe＋ eq \o\al(90,38)Sr＋10 eq \o\al(1,0)n。已知铀235的质量为235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，锶90的质量为89.907 7 u，则此核反应中释放的总能量是多少？（1 u相当于931.5 MeV的能量） 答案：140.4 MeV 一、核裂变及链式反应 [问题探究] 　如图所示为重核裂变的链式反应。 试探究：(1)什么是链式反应？ (2)链式反应中的临界体积指什么？ 一、核裂变及链式反应 [问题探究] 　如图所示为重核裂变的链式反应。 试探究：(1)什么是链式反应？ (2)链式反应中的临界体积指什么？ 答案：(1)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链式反应。 (2)能发生链式反应的最小体积叫临界体积，相应的质量叫临界质量。 [知识深化] 1.铀核的裂变 (1)铀核受激发：当中子进入铀235后，使核处于激发状态，由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。 (2)铀核分裂：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2～3个中子。 (3)核能的释放：裂变中比结合能变大，因而释放核能。 (4)常见的裂变方程 ① eq \o\al(235, 92)U＋ eq \o\al(1,0)n→ eq \o\al(139, 54)Xe＋ eq \o\al(95,38)Sr＋2 eq \o\al(1,0)n ② eq \o\al(235, 92)U＋ eq \o\al(1,0)n→ eq \o\al(144, 56)Ba＋ eq \o\al(89,36)Kr＋3 eq \o\al(1,0)n 2.链式反应的条件 (1)有慢中子轰击。 (2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。 3.铀核裂变释放核能的计算 (1)首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm。 (2)根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能。 计算时注意Δm与ΔE单位的对应关系，若Δm用kg做单位，ΔE用J做单位；Δm用u做单位，ΔE用MeV做单位，1 u相当于931.5 MeV的能量。 (3)若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核（设为n），则铀块裂变释放的核能E ＝nΔE。 　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 解析：选D　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，即铀块的体积必须大于或等于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会发生，在裂变反应中核子数是不会减少的，故选D。 235, 92) 　已知U（质量为235.043 9 u）裂变后生成 eq \o\al(141, 56)Ba（质量为140.913 9 u）和 eq \o\al(92,36)Kr（质量为91.897 3 u），同时放出3个中子（每个中子质量为1.008 7 u），则1 kg铀全部裂变所放出的能量相当于多少优质煤完全燃烧时放出的能量？（1 u的质量对应的能量为931 MeV，1 kg优质煤完全燃烧时能产生3.36×107 J的热量） 解析：核反应方程为： eq \o\al(235, 92)U＋ eq \o\al(1,0)n―→ eq \o\al(141, 56)Ba＋ eq \o\al(92,36)Kr＋3 eq \o\al(1,0)n。 质量亏损 Δm(mU＋mn)－(mBa＋mKr＋3mn) ＝(235.043 9＋1.008 7)u－(140.913 9＋91.897 3＋3×1.008 7)u＝0.215 3 u ΔE0＝Δmc2＝0.215 3×931 MeV≈200 MeV， 释放的核能 已知235 g铀有6.02×1023个铀核，那么1 kg铀内大约有 eq \f(1,0.235)×6.02×1023个＝2.56×1024个铀核，由此可知1 kg铀全部裂变放出能量 ΔE＝2.56×1024×200 MeV＝8.2×1013 J， 则相当于优质煤的质量 M＝ eq \f(8.2×1013,3.36×107) kg＝2.44×106 kg。 答案：2.44×106 kg 二、反应堆与核电站 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 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、重水或普通水为慢化剂，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。 (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。 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。 (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.控制棒通过减速中子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 解析：选B　热核反应的发生需要极高的温度，常温下不能进行，故A错误；由题意，写出核反应方程 eq \o\al(3,2)He＋ eq \o\al(2,1)H―→X＋ eq \o\al(1,1)H，根据电荷数和质量数守恒可知另一生成物X为 eq \o\al(4,2)He，故B正确，C错误；与氦3比较，氦4的质量更大，故D错误。 [针对训练] 如图是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是(　　) 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 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 解析：选B　快中子容易与铀235“擦肩而过”，快中子跟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，A错误，B正确；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，C、D错误。 三、核聚变 [问题探究] 　为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？ 答案：轻核的聚变反应，是较轻的核子结合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间的距离达到10-15 m以内；同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。 [知识深化] 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.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出更多的能量。 (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。 5.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 放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3～4倍 燃料储 量情况 聚变燃料储量丰富 核废料处 理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多 　　 　（多选）我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”（如图）2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是(　　) A.核聚变比核裂变更为安全、清洁 B.任何两个原子核都可以发生聚变 C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加 D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加 解析：选AD　与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易发现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，核子的比结合能增加，D正确。 1,1) 　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―→ eq \o\al(4,2)He＋2 eq \o\al(0,1)e＋2ν，已知 eq \o\al(1,1)H和 eq \o\al(4,2)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 eq \o\al(1,1)H转变成1个 eq \o\al(4,2)He的过程中，释放的能量约为(　　) A.8 MeV　　　　　　　B．16 MeV C.26 MeV D．52 MeV 解析：选C　根据质能方程ΔE＝Δmc2，得ΔE＝(4mp－mα－2me)c2，因核反应前后质量亏损Δm＝(1.007 8×4－4.002 6)u＝0.02 86 u，故释放的能量ΔE＝Δm×931 MeV≈26.6 MeV，C正确，A、B、D错误。 1. （多选）铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中一种裂变反应式是 eq \o\al(235, 92)U＋ eq \o\al(1,0)n―→ eq \o\al(144, 56)Ba＋ eq \o\al(89,36)Kr＋3 eq \o\al(1,0)n。下列说法正确的有(　　) A.上述裂变反应中伴随着中子放出 B.铀块体积对链式反应的发生无影响 C.铀核的链式反应可人工控制 D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响 解析：选AC　铀核裂变释放出3个中子，故A选项正确；铀块体积需达到临界体积才能发生链式反应，所以铀块体积对链式反应的发生有影响，故B选项错误；铀核的链式反应通过控制棒来进行控制，故C选项正确；半衰期与外界因素无关，高温高压不会改变半衰期，故D选项错误。 2.在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是(　　) A.使用浓缩铀 B.改变铀块的临界体积 C.通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制反应速度 D.利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度 解析：选C　利用控制系统吸收慢中子，控制链式反应的速度，C选项正确。 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 解析：选A　B：利用核裂变能来发电；C：达到10-15以内，核力起作用；D不易控制。 4.现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是 eq \o\al(235, 92)U＋ eq \o\al(1,0)n―→ eq \o\al(143, 60)Nd＋ eq \o\al(A,Z)Zr＋3 eq \o\al(1,0)n＋8 eq \o\al( 0,－1)e＋ν。 (1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数； (2)已知铀(U)核质量为235. 043 9 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142. 909 8 u，锆核质量为89.904 7 u；又知1 u＝1.660 5×10-27 kg，试计算1 kg铀235大约能产生的能量是多少？（阿伏加德罗常数取6.02×1023 mol-1） 解析：(1)锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝235＋1－143－3×1＝90。 (2)1 kg铀235的铀核数为n＝ eq \f(1000,235)×6.02×1023个≈2.56×1024个。不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应发生的质量亏损为Δm＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn＝0.212 u。因此1 kg铀235完全裂变产生的能量约为E＝n·Δmc2＝2.56×1024×0.212×1.660 5×10-27×(3×108)2 J≈8.11×1013 J。 解析：(1)锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝235＋1－143－3×1＝90。 (2)1 kg铀235的铀核数为n＝ eq \f(1000,235)×6.02×1023个≈2.56×1024个。不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应发生的质量亏损为Δm＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn＝0.212 u。因此1 kg铀235完全裂变产生的能量约为E＝n·Δmc2＝2.56×1024×0.212×1.660 5×10-27×(3×108)2 J≈8.11×1013 J。 答案：(1)40　90　(2)8.11×1013 J $