5.4 核裂变与核聚变 学案 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理导学案聚焦核裂变与核聚变，涵盖重核裂变的链式反应及能量计算，核反应堆的结构与材料作用，核聚变的条件及能量释放等核心知识点。通过问题链引导学生探究裂变发生机制、链式反应条件等，衔接核反应方程、质能方程等前序知识，以填空、方程书写、计算题作为学习支架，帮助构建知识体系。 资料以问题驱动科学探究，如分析反应堆部件作用、对比裂变与聚变能量差异，结合分层习题（选择、计算及实际情境题），培养科学思维（模型建构、科学推理）和科学态度与责任（核能应用与可持续发展），有效提升学生物理观念和问题解决能力。

5.4核裂变与核聚变 学案 2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册 学号： 班级： 姓名： 【学习目标】 1. 知道重核的裂变和链式反应，会计算核裂变释放的能量． 2. 知道什么是核反应堆，了解核电站及核能的优缺点． 3. 了解聚变反应的特点及其条件，了解可控热核反应及其研究和发展． 【活动方案】 1. 重核的裂变 (1)重核的裂变是如何发生的？如图所示，怎样解释重核裂变能释放出大量的能量？ (2)铀核裂变的产物是多样的，可能出现的有二分裂、三分裂和四分裂等形式，但三分裂和四分裂概率比较小，裂变的同时能够放出2～3（或更多）个中子．请完成下列比较常见的裂变反应方程： ①U＋n―→Ba＋Kr＋　　　　； ②U＋n―→Xe＋Sr＋　　　　． (3)铀核的裂变是一种天然放射现象吗？ 2. 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，这种反应叫核裂变的链式反应．要使链式反应能够不断进行下去，对发生裂变物质的体积或质量有怎样的要求？ 3. 重核的裂变能释放出巨大的能量，例如1 kg铀全部裂变放出的能量相当于2 800 t优质煤完全燃烧时释放的化学能，裂变时能产生几百万度的高温．已知的质量 U＝235.043 9 u，中子的质量mn＝1.008 7 u，Sr的质量为mSr＝89.907 7 u，Xe的质量为mXe＝135.907 2 u．若一个铀U在中子的轰击下裂变为Sr和Xe及数个中子． (1)写出裂变方程； (2)求出该铀核裂变放出的能量． 1. 阅读教材，简要说明核电站的主要部件采用的材料及其作用． (1)慢化剂采用的材料：　　　　　　　　，其作用：____________________________________________________. (2)控制棒采用的材料：　　　　　　　　，其作用：____________________________________________________. (3)热循环介质采用的材料：　　　　　　　　，其作用：_________________________________________________. (4)保护层采用的材料：　　　　　　　　，其作用：_____________________________________________________. 2. 如图所示是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法中正确的是(　　) 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的能量减少，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 1. 两个轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为核聚变．要实现核聚变，为什么要把燃料加热到几百万开尔文的高温？ 2. 氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为H＋H―→He＋X，式中X是某种粒子．若已知H、H、He和粒子X的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u 和1.008 7 u． (1)X是什么粒子？ (2)该反应释放出的能量为多少MeV？（结果保留3位有效数字） (3)若一个铀235原子核裂变后能释放200.6 MeV的能量，试判断相同质量的核聚变燃料和铀核裂变燃料哪个释放的能量多？ 3. 回答下列问题： (1)目前人们实现的核聚变是什么？ (2)实现热核反应存在的困难是什么？ (3)如何实现对热核反应的控制？ 4. 下列关于聚变与裂变的说法错误的是(　　) A. 就平均每一个核来说，聚变反应比重核裂变释放的能量多 B. 聚变反应对环境的放射性污染较裂变轻，且较容易处理 C. 聚变反应的原料在地球上储量丰富 D. 聚变反应的速度更容易控制 5. 下列关于聚变的说法中，错误的是(　　) A. 要使聚变发生，必须克服库仑斥力做功 B. 轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此聚变又叫作热核反应 C. 原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应 D. 太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行 【检测反馈】 1. 下列核反应中，属于核裂变反应的是(　　) A. B＋n→Li＋He　　　　B. U→Th＋He C. N＋He→O＋H D. U＋n→Ba＋Kr＋3n 2. 为使链式反应平稳进行，下列办法可行的是(　　) A. 铀块可制成任何的体积 B. 铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核 C. 通过慢化剂将产生的中子减速 D. 用镉棒作为慢化剂使中子减速 3. 世界首个第四代核能技术的钍基熔盐堆在我国甘肃并网发电，该反应堆以放射性较低的钍元素为核燃料（如图所示）.Th转变为U的过程为①Th＋n→Th，②Th→Pa＋e，③Pa→U＋e.下列说法正确的是(　　) A. 反应①为原子核的聚变反应 B. 反应②中的电子来自于原子233Th的核外电子 C. 若升高温度，可使钍原子核衰变速度变快 D. U的结合能大于Th的结合能 4. 科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量．核反应方程分别为：X＋Y→He＋H＋4.9 MeV和H＋H→He＋X＋17.6 MeV.则下列表述正确的是(　　) A. X是中子 B. Y的质子数是3，中子数是6 C. 两个核反应都没有质量亏损 D. 氘和氚的核反应是核裂变 5. 我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”（EAST，俗称“人造太阳”）.设可控热核实验反应前氘核（H）的质量为m1，氚核（H）的质量为m2，反应后氦核（He）的质量为m3，中子（n）的质量为m4，光速为c，则下列说法正确的是(　　) A. 这种装置中发生的核反应方程式是H＋H→He＋n B. 由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4 C. 核反应放出的能量等于(m1－m2－m3－m4)c2 D. 这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同 6. 我国研制的全球首座20万千瓦高温气冷堆核电站于2021年4月装料完毕，年底正式发电．该核反应堆用铀235作核燃料，用石墨作慢化剂，用氦气作冷却剂．则(　　) A. 铀235的核裂变是它自发分裂成两个中等核，同时放出中子 B. 裂变产生中等核的比结合能大于铀235核的比结合能 C. 石墨在反应堆中的作用是吸收中子，控制反应的速度 D. 可用铀238替代铀235作为核燃料 7. 1946年，我国物理学家何泽慧发现铀核的四裂变，铀235核俘获中子后裂变成三个质量较大的核和一个质量较轻的核，径迹如图所示，在铀核裂变过程中，产生新核的核子平均质量　　　　（选填“大于”“小于”或“等于”）铀核的核子平均质量，若释放的核能为ΔE，则此反应中发生的质量亏损Δm为　　　　．（已知真空中的光速为c） 8. 原子弹爆炸能瞬间释放出巨大的能量，是利用了　　　　　　　　　　（选填“原子核人工转变”“重核裂变”“轻核聚变”或“原子核衰变”）；太阳能不断地向外辐射能量，是因为其内部不断地发生着　　　　　　　　　　（选填“原子核人工转变”“重核裂变”“轻核聚变”或“原子核衰变”）.若用He核轰击N核发生核反应，最终产生O核和　　　　（写出元素符号）核，已知He核、N核的质量分别为m1、m2，产生新核的质量分别为m3、m4，则该核反应放出的核能为　　　　　　　　　　　　Ｗ．（已知真空中的光速为c） 9. 一个静止的铀核U（原子质量为232.037 2 u）放出一个α粒子（原子质量为4.002 6 u）后衰变成钍核Th（原子质量为228.028 7 u）.已知1 u相当于931.5 MeV的能量． (1)写出铀核的衰变反应方程； (2)求该衰变反应中释放出的核能； (3)若释放的核能全部转化为新核的动能，则α粒子的动能为多少？ 10. 在一个反应堆中用石墨做慢化剂使快中子减速．碳核的质量是中子的12倍，假设中子与碳核的每次碰撞都是弹性正碰，而且认为碰撞前碳核都是静止的． (1)设碰撞前中子的动能是E0，经过一次碰撞，中子失去的动能是多少？ (2)至少经过多少次碰撞，中子的动能才能小于10-6E0? 【参考答案】 【活动方案】 活动一： 1. (1)重核裂变是质量较大的原子核俘获中子后分裂成两个(或多个)中等质量核的反应过程．由图中可以看出，重核向中等质量的核反应过程中，平均核子质量减少，发生质量亏损，所以放出能量． (2)①3n　②2n (3)不是．铀核在受到中子轰击后才发生裂变，不是天然放射现象，属于核裂变反应． 2. 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． 3. (1)U＋n―→Sr＋Xe＋10n. (2)裂变过程的质量亏损 Δm＝mU＋mn－mSr－mXe－10mn＝0.150 7 u， 释放的能量 ΔE＝Δmc2＝0.150 7×931.5 MeV≈140.4 MeV. 活动二： 1. (1)石墨、重水或普通水(也叫轻水)　降低中子速度，便于铀235俘获，从而提高中子的利用率 (2)镉　吸收中子，控制反应速度 (3)水或液态的金属钠　把反应堆内的热量传输出去 (4)很厚的水泥外壳　屏蔽射线，防止放射性污染 2. 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，B正确，A错误；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． 活动三： 1. 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，这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用，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，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温，因此聚变反应又称为热核反应． 2. (1)根据质量数和电荷数守恒可得X是 n(中子). (2)核反应中的质量亏损为Δm＝2.014 1 u＋3.016 1 u－4.002 6 u－1.008 7 u＝0.018 9 u， 所以该反应释放出的能量为 ΔE＝Δm·c2＝17.6 MeV. (3)铀235平均每个核子释放0.85 MeV，而核聚变燃料平均每个核子释放3.5 MeV，所以核聚变燃料释放的能量多． 3. (1)目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸，是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，但这是不可控制的． (2)实现热核反应存在的困难是：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温． (3)可能实现对热核反应的控制方法有：①磁约束：利用磁场来约束参与反应的物质．环流器是目前性能最好的一种磁约束装置．②惯性约束：利用强激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应． 4. D　聚变反应的速度不容易控制，裂变反应的速度容易控制，D错误．故选D. 5. D　轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10-15 m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力发生作用的范围，实验证实，原子核的温度必须达到几百万开尔文时才有这样的能量，这样高的温度可以利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳和许多恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错误．故选D. 【检测反馈】 1. D 2. C　由于使铀块发生链式反应的体积应大于或等于临界体积，故A错误；铀核裂变释放出的为快中子，不能直接用来轰击铀核，必须用慢化剂减速，而镉棒是用于控制中子数量的，故C正确，B、D错误． 3. D　反应①为人工核反应，A错误；反应②中的电子来自于Pa原子核的内部中子转变为质子产生的，B错误；原子核的半衰期与温度无关，C错误；根据自然组成原子核的核子越多，它的结合能就越高，因此U的核结合能大于Th的核结合能，且铀原子核是生成物更稳定，比结合能也大，D正确． 4. A　5. A　6. B 7. 小于　 解析：此过程是核裂变过程，有质量亏损，释放能量，反应后新核的核子平均质量小于反应前铀核的核子平均质量；根据质能方程可知，此反应中发生的质量亏损Δm为. 8. 重核裂变　轻核聚变　H (m1＋m2－m3－m4)c2 解析：轻核聚变与重核裂变均释放能量，原子弹爆炸能瞬间释放出巨大的能量，是利用了重核裂变，太阳辐射的能量主要来自太阳内部的轻核聚变．用He核轰击N核发生核反应，最终产生的新核的质量数A＝4＋14－17＝1，核电荷数Z＝2＋7－8＝1，该新核为H；已知He核、N核的质量分别为m1、m2，产生新核的质量分别为m3、m4，则该核反应放出的核能为E＝Δm·c2＝(m1＋m2－m3－m4)c2. 9. (1)U→Th＋He. (2)质量亏损Δm＝mU－mα－mTh＝0.005 9 u，ΔE＝Δmc2＝0.005 9×931.5 MeV≈5.5 MeV. (3)衰变前后系统动量守恒，钍核和α粒子的动量大小相等，即 pTh＋(－pα)＝0，pTh＝pα， EkTh＝，Ekα＝，EkTh＋Ekα＝ΔE， 所以α粒子获得的动能 Ekα＝·ΔE≈5.41 MeV. 10. (1)中子与原子核相碰，系统的合外力为0，动量守恒． 设中子的质量为m，碰前的速度为v0，碰后的速度为v1，碳核碰后的速度为v2. 由动量守恒得mv0＝mv1＋12mv2， 由能量守恒得 mv＝mv＋×12mv. 两式联立得v1＝－v0(v1＝v0与实际不符，舍去)，“－”表示碰撞后中子反向． 中子损失的动能为ΔE＝mv－mv＝E0. (2)中子每次与原子核相碰的情景都一样，由于每碰一次，中子的速度大小都变为碰前的 ，因此碰撞n次后，中子的速度大小变为vn＝v0， 动能变为En＝mv＝E0. 由En＝E0<10-6E0，解得至少经过42次碰撞，中子动能才能小于10-6E0. 学科网（北京）股份有限公司 $