第5节 裂变和聚变-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（粤教版）

本讲义聚焦裂变和聚变核心知识点，系统梳理核裂变与链式反应的概念、条件及应用，核聚变的原理与条件，核能利用中核反应堆的结构与工作原理，通过情境导入、教材梳理、师生互动、例题解析构建完整学习支架。 该资料以情境导入激发科学探究兴趣，师生互动任务驱动科学思维，如通过“链式反应发生条件”讨论培养推理能力，结合质量亏损计算例题强化科学论证。课中辅助教师引导学生深化理解，课后随堂演练助力学生查漏补缺，体现科学态度与责任。

第五节　裂变和聚变 【素养目标】　1.知道什么是裂变、聚变和链式反应，知道链式反应和聚变的发生条件。　 2.会书写裂变和聚变方程，会利用质量亏损计算裂变和聚变产生的核能。3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度。 知识点一　核裂变与链式反应 【情境导入】　比结合能小的重核裂变为两个较轻的原子核，为什么能释放能量？ 提示：重核在裂变时由于质量发生亏损而释放能量。 【教材梳理】(阅读教材P124－P125完成下列填空) 1．原子序数：原子核中的质子数又称为原子序数。 2．核裂变：重核分裂成较轻的核时，会释放出能量，我们把这种核反应叫作核裂变。 3．核聚变：轻核聚合成较重的核时，也会释放出能量，我们把这种核反应叫作核聚变。 4．链式反应：一个原子核的裂变引发其他原子核发生裂变，让核裂变过程自己持续下去，源源不断地将核能释放出来。这样的核反应叫作链式反应。 5．临界体积：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积。 6．链式反应的应用：原子弹。 学生用书↓第96页 【师生互动】　 1．如图为核裂变示意图。 任务1.重核裂变是一种天然现象吗？ 任务2.铀核裂变的产物(核反应方程)是唯一的吗？ 任务3.只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？ 提示：任务1.重核裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，所以重核裂变不是一种天然现象。 任务2.不是唯一的。铀核裂变的产物(核反应方程)是多种多样的。 任务3.不是。有中子轰击铀块且铀块的体积大于等于临界体积，才会发生链式反应。 2．总结链式反应的发生条件。 提示：(1)铀块的体积大于等于临界体积。 (2)有慢中子轰击。 (3)有足够浓度的铀235。 　对核裂变的理解 (2025·广东广州高二期末)重核裂变的一个核反应方程为U＋n→Xe＋Sr＋xn，已知U、Xe、Sr的平均结合能分别为7.6 MeV、8.4 MeV、8.7 MeV，则(　　) A．该核反应中质量增加 B．U的中子数为92 C．该核反应方程中x＝10 D．U的比结合能比Xe小，U比Xe更稳定 答案：C 解析：重核裂变释放能量，由质能方程可知该核反应有质量亏损，则该核反应中质量减少，故A错误；U的质子数为92，质量数为235，所以中子数为143，故B错误；根据质量数守恒和电荷数守恒可知x＝10，故C正确；U的比结合能比Xe小，Xe比U更稳定，故D错误。 1．重核裂变是中子轰击质量较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。 2．重核裂变是放能核反应，原因是核反应前后有质量亏损，根本原因是重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能小。所以在重核裂变为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。　　 针对练．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核时，要发生质量亏损，放出核能 答案：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得到的能量；发生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D正确。 　核裂变产生核能的计算 铀核裂变的许多核反应中的其中一个是U＋n→Ba＋Kr＋3n。 (1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量(U、Ba、Kr、n的质量分别为235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u，1 u相当于931.5 MeV能量)； (2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于完全燃烧多少煤释放的能量(煤的热值为2.94×107 J/kg)? 答案：(1)200.6 MeV　(2)5.14×1026 MeV 2 797.3 t 解析：(1)裂变反应的质量亏损为 Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7) u＝0.215 3 u 一个铀235原子核裂变后释放的能量为ΔE＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV。 (2)1 kg铀235原子核中所含原子核的个数为N＝×6.02×1023个≈2.56×1024个 1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量ΔE总＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV 设完全燃烧的煤的质量为m，则有ΔE总＝qm 解得m＝＝ kg≈2 797.3 t。 学生用书↓第97页 知识点二　核聚变及受控热核反应 【情境导入】　比结合能小的轻核聚变为重核时，为什么能释放能量？ 提示：轻核聚变时由于质量发生亏损而释放能量。 【教材梳理】(阅读教材P126完成下列填空) 1．核反应方程：H＋H→He＋n。 2．条件：使原子核的距离接近到10－15 m。 3．方法：加热到很高的温度，因此核聚变又叫作热核反应。 4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能。 5．受控热核反应：如果热核反应所释放的巨大能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工控制下逐渐地释放出来并加以利用，这被称为受控热核反应。 【师生互动】　如图为氢弹原理示意图。 (1)核聚变需要满足什么条件？ (2)为什么要用原子弹才能引爆氢弹？ 提示：(1)要使原子核发生聚变，必须使原子核间距离接近到核力发生作用的距离10－15 m。 (2)利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核反应爆炸。 　对核聚变的理解 (2025·广东湛江模拟)近日，我国新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行。“人造太阳”物理本质就是核聚变，由于其发生核聚变的原理和太阳发光发热的原理很相似，核反应方程为H＋H→He＋X。下列说法正确的是(　　) A．该核反应不需要极高的温度也能发生 B．该核反应是核聚变反应，聚变反应过程需要吸收能量才能进行 C．该核反应是核裂变反应，核反应方程式中的X是电子 D．轻核聚变与重核裂变相比，聚变更为安全、清洁 答案：D 解析：该反应为核聚变反应，聚变反应过程需要吸收能量才能使轻核间的距离接近到发生聚变的距离，因此需要高温，但反应过程中会释放更大的能量，故A、B错误；由质量数守恒和电荷数守恒可知核反应方程为H＋H→He＋n，即X为中子，故C错误；轻核聚变与重核裂变相比，核聚变的产物为He，无放射性，更为安全、清洁，故D正确。故选D。 　核聚变产生核能的计算 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→He＋2e＋2ν，已知H和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H转变成1个He的过程中，释放的能量约为(　　) A．8 MeV B．16 MeV C．26 MeV D．52 MeV 答案：C 解析：核反应质量亏损Δm＝4×1.007 8 u－4.002 6 u＝0.028 6 u，释放的能量ΔE＝0.028 6×931 MeV≈26.6 MeV，选项C正确。 学生用书↓第98页 知识点三　核能利用 1.核电站核心：核电站的核心是核反应堆，其简化示意图如图： (1)铀棒：由天然铀或浓缩铀(铀235的含量约3%)制成，它是核反应堆的燃料。 (2)石墨(或重水)：石墨(或重水)作为慢化剂，附着在铀棒周围，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235吸收，发生裂变。 (3)镉棒：主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫作控制棒。 (4)水泥防护层：屏蔽射线，防止放射性污染。 2．核电站发电的优点 (1)消耗的“燃料”少：一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗30吨左右浓缩铀，而同样功率的火力发电站，每年要消耗250万吨煤。 (2)污染小：核电对环境的污染比火电小。且产生的大量中子还可以用来进行各种原子核物理实验，制造各种放射性同位素。 (2025·广东高三上段考)如图为核电站的反应堆示意图，下列说法正确的是(　　) A．水泥防护层主要起保温作用 B．镉棒的作用是使快中子变成慢中子 C．反应堆放出的热量可直接全部转化为电能 D．核反应堆中的核废料需要装入特定的容器深埋地下 答案：D 解析：水泥防护层的作用是为了阻隔射线，避免放射性危害，故A错误；镉棒的作用是可以吸收中子，以控制链式反应的速度，故B错误；反应堆放出的热量不可能直接全部转化为电能，故C错误；核反应堆中的核废料需要装入特定的容器深埋地下，故D正确。故选D。 1．(2025·广东东莞高三上期末)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→Sr＋Xe＋kX，下列说法正确的是(　　) A．X是质子，k＝9 B．X是质子，k＝10 C．X是中子，k＝10 D．X是中子，k＝9 答案：C 解析：根据反应过程电荷数守恒可知，X的电荷数为0，则X是中子；根据反应过程质量数守恒可得235＋1＝90＋136＋k×1，解得k＝10，故选C。 2．(2025·广东佛山二模)在2023年10月28日举行的首届国际天然铀产业发展论坛中，我国宣布，通过“天空地深”一体化勘查技术发现了一批万吨至十万吨级铀矿床。天然铀中主要有铀238和铀235，其中，铀235的裂变方程为U＋n→Kr＋Ba＋3n，下列说法正确的是(　　) A．铀235裂变可以自发进行 B．反应方程中A＝144，Z＝53 C．Kr的比结合能大于U的比结合能 D．离地表越深，温度越高，铀235的半衰期越大 答案：C 解析：铀235的裂变需要中子轰击才能发生，故A错误；根据反应过程满足质量数和电荷数守恒可知A＝235＋1－89－3＝144，Z＝92－36＝56，故B错误；核裂变会释放能量，则反应后的产物Kr的比结合能大于U的比结合能，故C正确；半衰期不随温度变化，故D错误。故选C。 3. (2025·广东茂名一模)如图是2022年10月26日拍摄到的一张太阳“笑脸”照片。太阳为了形成这个笑脸，释放了巨大的能量。假设太阳内部热核反应方程为H＋H→He＋X＋γ，下列说法正确的是(　　) A．X为质子 B．核反应中H的比结合能比He的大 学生用书↓第99页 C．射线γ的电离能力比α射线弱 D．核电站利用核能的反应与该反应相同 答案：C 解析：根据质量数守恒和电荷数守恒可知A＝0，所以X为中子，故A错误；因为生成物更稳定，所以生成物He的比结合能比H的大，故B错误；射线γ的电离能力比α射线弱，故C正确；核电站利用核能的反应为重核裂变反应，不是题中轻核聚变反应，故D错误。故选C。 4.(粤教版P130T1改编)热中子核反应堆需要控制反应速度和反应温度，一种称为“电磁泵”的装置，是靠熔化的钠来传递核燃烧产生的热量，抽动液态钠的“泵”传动部分不允许和钠接触，如图为该装置中的耐热导管，处于匀强磁场中，让电流通过导管中的钠液，可以使熔融的钠在管中按图中标示的方向加速流过，下列说法正确的是(　　) A．镉棒插入反应堆越深，核反应越剧烈 B．重水可使中子减速，有助于提高核反应几率 C．导管中钠液的电流方向垂直速度方向向下 D．导管中钠液的电流方向与速度的方向相同 答案：B 解析：镉棒插入反应堆越深，吸收中子越多，核反应越慢，故A错误；重水可使中子减速，慢中子更容易被铀核捕获，有助于提高核反应几率，故B正确；要使液态钠按图中方向加速流过，则安培力的方向与速度方向一致，根据左手定则可知，电流方向垂直速度方向向上，故C、D错误。故选B。 学科网（北京）股份有限公司 $