第5章 第4节 核裂变 核聚变 第5节 粒子物理学发展概况(略)-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册教用Word(教科版)

第4节　核裂变　核聚变 第5节　粒子物理学发展概况(略) 1．知道重核的裂变反应和链式反应的发生条件。　2.了解核反应堆的类型，知道核电站的工作模式。　3.知道核聚变反应，关注受控核聚变反应研究的进展。　4.会分析和计算核裂变和核聚变过程释放的核能。　5.初步了解粒子物理学的基础知识。　 一、核裂变 1．重核被中子轰击后分裂成几个中等质量原子核的核反应现象称为____________。 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，其中一种典型的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋________。 二、链式反应 1．如果一个反应过程的产物能够再次引发这种反应，从而使反应一旦开始后就能自动延续下去，这样的反应称为________________。 2．为了保证裂变时产生的中子不会轻易逃逸出去，必须使铀块有足够大的体积。我们把能够发生链式反应的裂变物质的最小体积叫作________________。 三、核反应堆 1．核反应堆是一种人为可控的核裂变链式反应装置。 2．慢中子反应堆：铀235能俘获慢中子，而不易俘获快中子。为此在铀棒周围放置减速剂，常用作减速剂的物质有普通水、重水和石墨。 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入一些控制棒。制造控制棒的材料是镉或硼等能强烈吸收________的物质，当反应过于剧烈时，就把控制棒插入得深一些，让它多吸收一些________，链式反应的速度就会慢一些。反之则把控制棒向外拔出一些。 四、核电站 核能发电指利用核反应堆中核裂变所释放出的核能进行发电。这些核能先转变成水的内能，使水变成高温高压的蒸汽，去推动汽轮发电机发电。 五、核聚变 1．把轻原子核聚合成较重原子核的反应称为聚变反应，简称核聚变。 2．要启动上述核聚变反应，必须要上亿摄氏度的温度，使H核和H核具有足够的动能克服库仑斥力进入核力作用范围之内。因此，核聚变反应也称热核反应。 3．优点 (1)轻核聚变____________________。 (2)地球上______________储量丰富，而氚可以利用锂来制取，足以满足核聚变的需要。 (3)轻核聚变更为安全、清洁。 六、受控热核反应 磁约束和惯性约束 判断下列说法是否正确。 (1)铀核的裂变是一种天然放射现象。(　　) (2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。(　　) (3)控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的。(　　) (4)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些。(　　) (5)质子、中子和电子都是不可再分的基本粒子。(　　) (6)质子和反质子的电荷量相同，电性相反。(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√ [答案自填] 核裂变　3n　链式反应　临界体积　中子　中子　产能效率高　核聚变燃料氘 知识点一　重核的裂变 图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和临界质量分别指什么？ [提示]　(1)由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程叫作核裂变的链式反应。 (2)核裂变物质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。　 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： ①U＋n→Xe＋Sr＋2n。 ②U＋n→Ba＋Kr＋3n。 2．链式反应的条件 (1)铀块的体积大于临界体积。 (2)铀块的质量大于临界质量。 以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足。 3．裂变反应的能量 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。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温。 角度1　重核的裂变 　(2024·云南玉溪期末)下列核反应属于裂变反应的是(　　) A．O＋n→N＋H B．Si＋H→P＋n C．U＋n→Ba＋Kr＋3n D．Ra→Rn＋He [解析]　A、B表示的两个核反应都属于原子核的人工转变，D表示的核变化属于放射性元素原子核的衰变，只有C表示的核反应才属于原子核的裂变反应，故A、B、D错误，C正确。 [答案]　C 　(2024·云南丽江期末)铀核裂变的产物是多样的，一种典型的铀核裂变是生成钡和原子核X，同时放出三个中子，核反应方程是U＋n→Ba＋X＋3 n，下列说法正确的是(　　) A.原子核X的质量数为88 B．原子核X的中子数为55 C．U的比结合能比Ba的比结合能小 D．U的比结合能比Ba的比结合能大 [解析]　根据质量数和电荷数守恒得核反应方程是U＋n→Ba＋X＋3n，原子核X的质量数为89，A错误；原子核X的中子数为89－36＝53，B错误；比结合能是原子核稳定程度的量度，生成物比反应物更稳定，则的比结合能比Ba的比结合能小，C正确，D错误。 [答案]　C 角度2　重核裂变中的能量计算 　(2024·青海西宁期末)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。铀核的衰变反应方程为U→Th＋He，算出该衰变反应中释放出的核能为(　　) A．5.35 MeV B．5.5 MeV C．10.35 MeV D．10.5 MeV [解析]　由质能方程得ΔE＝Δmc2＝(232.037 2－4.002 6－228.028 7)×931.5 MeV＝5.495 85 MeV≈5.5 MeV。 [答案]　B 知识点二　核电站的工作原理 慢中子反应堆的示意图如图所示。 试探究：(1)铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？ (2)如何控制核裂变反应的剧烈程度？　 [提示]　(1)慢中子。 (2)控制棒由镉做成，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，反之，应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快一些。 1．反应堆工作原理 (1)热源：在核电站中，核反应堆是热源。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)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。 2．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。 　原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成，分别是(　　) A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统 B．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统 C．原子燃料、减速剂、碰撞系统和传热系统 D．原子燃料、中子源、原子能存聚系统和输送系统 [解析]　原子反应堆里用的核燃料是用浓缩铀(铀235占2%～4%)制成的铀棒；铀235易俘获慢中子，不易俘获快中子，必须使用减速剂(如石墨、重水、普通水)，让快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子；控制调节系统用于调节中子的数目以控制反应速度，它由镉做成的放置在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组成；冷却系统靠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，同时使反应堆冷却，保证安全。 [答案]　A 知识点三　核聚变及核能的计算 1．核聚变发生的条件 要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10－15 m以内，这要克服电荷间强大的库仑斥力，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，它首先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。 (2)可控人工核聚变：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 续　表 比较项目 重核裂变 轻核聚变 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，而氚可以利用锂来制取，足以满足核聚变的需要 可控性 速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前，人工产生的热核反应主要用在核武器上，人们还不能控制它 角度1　核聚变的理解 　(2024·湖北武汉阶段检测)2024年2月29日，国际热核聚变实验堆(ITER)组织与中核集团牵头的中法联合体正式签署真空室模块组装合同，中国将再次为ITER计划顺利推进贡献智慧和力量。下列核反应方程，属于热核反应的是(　　) A．H＋H→He＋n B．N＋He→O＋H C．U→Th＋He D．U＋n→Ba＋Kr＋3n [解析]　太阳内部的两个轻核结合成质量较大的核，可在瞬间产生大量热能，发生的反应是热核反应，核反应方程为H＋H→He＋n。 [答案]　A 角度2　核聚变中核能的计算 　两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为 2.014 1 u，氦核质量为 4.002 6 u。 (1)写出相应的核反应方程。 (2)求出1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量。已知：阿伏伽德罗常量NA为6.0×1023 mol－1，氘核的摩尔质量为2 g/mol，1 u相当于931.5 MeV的能量。(结果保留2位有效数字) [解析]　(1)核聚变反应的方程为 H＋H→He。 (2)两个氘核结合成一个氦核时释放的能量 ΔE＝Δmc2＝(2×2.014 1 u－4.002 6 u)c2 ＝0.025 6×931.5 MeV＝23.846 4 MeV 由于1 kg氘中含有n对的氘核，n＝×(×NA)＝×(×6.0×1023)＝1.5×1026 1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量 E＝nΔE＝1.5×1026×23.846 4 MeV≈3.6×1027 MeV。 [答案]　(1)H＋H→He　(2)3.6×1027 MeV 1．(重核的裂变)一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为U＋n→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是(　　) A．X原子核中含有86个中子 B．X原子核中含有141个核子 C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2可知，裂变后的总质量数增加 D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少 解析：选A。X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140个，B错误；中子数为(235－92)＋1－(94－38)－2＝86个，A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D错误。 2．(核电站的工作原理)(2024·上海长宁统考期末)目前核电站利用的是(　　) A．氘为核燃料的裂变反应 B．铀为核燃料的裂变反应 C．氘为核燃料的聚变反应 D．铀为核燃料的聚变反应 解析：选B。目前核电站利用的能量来自铀为核燃料的裂变反应，以氘为核燃料的聚变反应目前尚不能有效控制进行发电。 3．(核聚变及核能)“人造太阳”实验中的可控热核反应的聚变方程为H＋H→He＋n，反应原料氘(H)富存于海水中，氚(H)可以用中子轰击锂核(Li)得到，则关于中子轰击锂核(Li)产生一个氚核(H)和一个新核，下列说法正确的是(　　) A．该核反应方程为Li＋n→He＋H B．核反应生成物中的α粒子具有很强的电离本领，但穿透能力较弱 C．在中子轰击锂核(Li)的核反应生成物中有α粒子，故该核反应属于α衰变 D．核聚变的条件是要达到高温高压的热核反应状态，故核聚变过程不能释放出核能 解析：选B。根据题意及质量数守恒和电荷数守恒可得中子轰击锂核的核反应方程为Li＋n→He＋H，故A错误；核反应生成物中的α粒子具有很强的电离本领，但穿透能力较弱，故B正确；伴随着天然放射现象发生的衰变中产生α粒子，这样的核反应属于α衰变，而中子轰击锂核的核反应是原子核的人工转变，不属于α衰变，故C错误；核反应中释放的核能来源于核反应过程中的质量亏损，与核反应的条件无关，核聚变过程释放核能，故D错误。 4．(核裂变与核聚变)(多选)轻核聚变的一个核反应方程为H＋H→He＋X，若已知H的质量为m1，H的质量为m2，He的质量为m3，X的质量为m4，则下列说法正确的是(　　) A．H和H在常温下就能够发生聚变 B．X是中子 C．这个反应释放的核能ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2 D．我国大亚湾核电站是利用轻核的聚变释放的能量来发电的 解析：选BC。 H和H在高温下才能够发生聚变，A错误；核反应方程为H＋H→He＋n，X是中子，B正确；这个反应释放的核能ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2，C正确；我国大亚湾核电站是利用核裂变释放的能量来发电的，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $