第4节 核裂变和核聚变 第5节 核能的利用与环境保护-【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（鲁科版）

本讲义聚焦核裂变与核聚变核心知识点，系统梳理重核裂变的链式反应及临界体积条件，核反应堆的构成与控制原理，轻核聚变的高温条件及约束方式，以及核能在核电站、核武器中的应用与环境保护，构建完整知识脉络。 资料通过铀核裂变示意图分析、临界体积推证等环节培养科学思维，结合核废料处理案例渗透科学态度与责任。课中师生互动问题辅助理解，课后自主检测与针对练帮助学生查漏补缺，提升学习效果。

第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 【核心素养目标】 物理观念 知道核裂变、核聚变、链式反应、临界体积、引力约束、磁约束、惯性约束的概念。 科学思维 依据核裂变持续条件推证临界体积，依据释能需要理解控制棒的作用，依据聚变的形成条件推证高温范畴。 科学态度与责任 了解裂变反应堆的应用、核能的应用与危害。 一、重核裂变与链式反应 1．核裂变：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出能量的过程。 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 。 3．链式反应：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。 学生用书第86页 4．临界体积：能发生链式反应的铀块的最小体积称为临界体积。 5．链式反应的条件：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。 二、核反应堆 1．核反应堆：能维持和控制链式反应速度的装置。 2．核反应堆的构成：堆芯、反射层、控制系统和防护层等部分。 (1)堆芯：由燃料棒、减速剂和冷却剂组成。 (2)反射层：反射核裂变中产生的中子，使其进一步参加链式反应。 (3)控制棒：用能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度。 三、轻核聚变 1．轻核聚变：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。这样的核反应称为轻核聚变。 2．太阳内部核聚变的反应方程： +。 3．聚变燃料的获取：氘可从海水中提取，天然的氚不存在，但可通过反应+ 得到。 四、可控热核聚变 1．核子聚变的条件：要使核子发生聚变，必须使核子接近核力能发生作用的范围。 2．物质第四态——等离子态：高温等离子体的密度及高温必须维持一定时间才能实现聚变。 3．约束等离子体的三种方式：引力约束、磁约束、惯性约束。 五、核电站与核武器 1．核电站：将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂。 工作流程：将反应堆释放的核能转化为蒸汽的内能，再利用蒸汽驱动汽轮机发电转化为电能。 燃料：反应堆以为燃料。 2．核武器：原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器。 六、核能的优势与危害 1．核能的优势 (1)核能发电比燃煤发电的成本低。 (2)核电站对环境污染比燃煤发电小得多。 2．核能利用存在的危害 (1)核废料的高辐射性。 (2)放射性物质泄漏，产生核污染。 (3)核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏。 1．判断正误 (1)铀核裂变的产物是钡和氪，且固定不变，同时放出三个中子。(×) (2)用中子轰击重核使之分裂实现核裂变。(√) (3)链式反应一旦形成无法进行人工控制。(×) (4)太阳发光并辐射巨大的能量，就是它的内部核聚变的结果。(√) (5)核聚变时吸收能量。(×) (6)目前的核电站采用的是聚变反应。(×) (7)核能作为一种新能源，有优势，也有危害。(√) 2．链接实景 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，太阳一旦没有了，那么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？ 提示：来源于太阳内部的核聚变反应。 学生用书第87页 知识点一　铀核裂变及链式反应 如图为铀核裂变示意图。 (1)铀核裂变是如何发生的？试写出一种铀核裂变的核反应方程。 (2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？ 提示：(1)当中子进入铀235后，便形成了不稳定的铀236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。 。 (2)铀块体积应大于或等于临界体积才能发生链式反应。 1．重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，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。重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解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。 2．重核裂变的条件 (1)要有足够浓度的铀235。 (2)要有足够数量的慢中子。 (3)铀块的体积要大于临界体积。 3．常见的裂变方程 (1) 。 (2)。 4．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两千余吨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。 裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核为燃料的反应堆中，U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种方式可表示为： 235．043 9 1.008 7 138.917 8 93.915 4 反应方程下方的数字是中子及有关原子核静止时的质量(以原子质量单位u为单位)，已知1 u的质量对应的能量为931.5 MeV，求： (1)该反应中放出的能量是多少兆电子伏特？ (2)1kgU全部裂变大约产生多少能量？(结果保留两位有效数字) 答案：(1)1.8×102 MeV　(2)4.6×1026 MeV 解析：(1)裂变前后的质量亏损为： Δm＝mU＋mn－mXe－mSr－3mn。 由质能方程ΔE＝Δm×931.5 MeV，得： ΔE＝(235.043 9－138.917 8－93.915 4－2×1.008 7)×931.5 MeV≈1.8×102 MeV。 (2)1kg的铀核数为： n＝×6.02×1023≈2.56×1024(个)。 故1kg全部裂变产生的能量约为： E＝n·ΔE＝2.56×1024×1.8×102 MeV ≈4.6×1026 MeV。 针对练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．重核的裂变可以自发地产生 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 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吸收的能量。重核的裂变只发生在人为控制的核反应中，在自然界不会自发地产生。在裂变反应中核子数是不会减少的，如裂变为和的核反应，其核反应方程为，其中各粒子质量分别为mU＝235.043 9 u，mn＝1.008 7 u，mKr＝91.897 3 u，mBa＝140.913 9 u。质量亏损为Δm＝(mU＋mn)－(mKr＋mBa＋3mn)＝0.215 3 u。可见铀核裂变的质量亏损是小于一个核子的质量，核子数是不会减少的，因此选项A、B、C均错误，D正确。 针对练2.U是核电站常用的核燃料。核受到________(“中子”“电子”或“α粒子”)轰击后发生核裂变。要使链式反应发生，铀块的体积应________(选填“大于”“等于”或“小于”)临界体积。 答案：中子　大于 学生用书第88页 知识点二　核聚变的理解及应用 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。 (多选)太阳能源对于其内部的聚变反应，太阳质量也随之不断减少。若每次聚变反应可看作4个氢核结合成1个氦核，太阳每秒钟辐射的能量约为4.0×1026 J，下列说法正确的是(　　) A.该聚变反应在常温下也容易发生 B．太阳每秒钟减少的质量约4.4×109 kg C．该聚变的核反应方程是 D．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功 答案：BD 解析：聚变时，要使轻核之间的距离达到10-15 m，所以必须克服原子核间库仑斥力做功。核子必须有足够的动能，才能使它们的间距达到核力作用的范围。实验证明，轻核必须处在几百万摄氏度的高温环境中才有这样的能量，所以核聚变反应也叫热核反应，故A错误，D正确；根据ΔE＝Δmc2可知太阳每秒钟减少的质量约为Δm＝＝ kg＝4.4×109 kg，故B正确；根据氢核的聚变过程中质量数和核电荷数守恒，可知其反应方程为，故C错误。 针对练1．(多选)“中国环流器二号M”主要用于研究和平利用核聚变。已知氘、氚的核聚变方程为n，氘核的质量为m1，氚核的质量为m2，氦核的质量为m3，中子的质量为m4，核反应中放出了γ光子。下列说法正确的是(　　) A.该反应释放的能量为(m1＋m2－m3－m4)c2 B．光子来源于核外电子的能级跃迁 C．反应前的总结合能小于反应后的总结合能 D．方程式中的A＝3 答案：AC 解析：质量亏损Δm＝m1＋m2－m3－m4，所以释放的能量E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，A正确；γ光子来源于原子核受激产生的能量，B错误；由于核聚变释放能量，则反应前的总结合能小于反应后的总结合能，C正确；根据质量数和电荷数守恒可知A＝4，D错误。 针对练2．以下说法正确的是(　　) A．聚变是裂变的逆反应 B．裂变反应释放能量，聚变反应吸收能量 C．聚变需将反应物加热至数百万度以上的高温，所以聚变反应吸收能量 D．裂变与聚变均可释放巨大的能量 答案：D 解析：从形式上看，裂变反应与聚变反应似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同，裂变反应是重核分裂成中等质量的核，而聚变反应则是轻核结合成质量较大的原子核，无直接关联，并非互为逆反应，A错误；要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万度的高温提供能量。但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量。因此，总的来说，聚变反应还是释放能量，故B、C错误，D正确。 知识点三　核能的利用 如图是慢中子反应堆的示意图。则： (1)铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？ (2)如何控制裂变反应的激烈程度？ 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．核电站 (1)核反应堆 ①定义：实现核能的稳定输出，使其转化为其他形式的能量的装置，核反应堆可以实现人工控制链式反应。 ②分类：反应堆分为热中子反应堆和快中子反应堆，快中子反应堆又称为增殖反应堆，增殖反应堆可以提高核燃料的利用率。 学生用书第89页 a.热中子反应堆：又叫慢中子核反应堆，包括堆芯、反射层、控制系统和防护层等部分，其中堆芯由燃料元件、减速剂、控制棒、冷却剂等组成，如图所示。 各部件的作用如下表所示。 部件名称 采用的材料 作用 燃料元件 浓缩铀 使裂变发生链式反应，释放核能 减速剂 石墨或重水 降低中子速度，便于铀235吸收 控制棒 镉或硼钢 吸收中子，控制链式反应速度 冷却剂 普通水、重水、氦和二氧化碳 吸收反应所产生的大量热能，并传送到堆外加以利用 防护层 很厚的水泥外壳 屏蔽射线，防止放射性污染 b.增殖反应堆：增殖反应堆以为原料，运行时消耗裂变燃料(或等)，同时吸收中子后变成等，即在消耗核燃料过程中又能产生新的核燃料(把不可裂变的转化为可裂变的等)，实现可裂变燃料的增殖。增殖反应堆能将铀资源的利用率提高到60%～70%。 (2)核电站 ①定义：将核反应堆释放的能量转化为电能的发电厂。 ②核电站的工作原理：将反应堆释放的核能转化为蒸汽的内能，再利用蒸汽驱动汽轮发电机组发电，实现核能向电能的转化。 2．原子弹和氢弹 (1)原子弹 ①原子弹是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置。 ②由于不加控制的链式反应能瞬间完成，因此原子弹爆炸时能产生强烈的破坏性，同时，由于核燃料的放射性，能形成长期的放射性污染。 (2)氢弹 ①氢弹是一种不可控热核反应装置。 ②氢弹爆炸是热核反应，需要在超高温条件下才能进行，只有利用原子弹爆炸时产生的高温高压，才能使氢弹中的聚变材料发生热核反应，因此，只有具备制造原子弹的条件后才能制造氢弹。氢弹利用和迅速地聚变成，产生比原子弹更为强烈的爆炸。 关于核电站，以下说法正确的是(　　) A．核电站中的核反应是无法控制的 B．目前核电站使用的主要原料是铀，能量主要来源于核聚变 C．采用增殖反应堆可以使核原料充分利用 D．核电站使用过的核燃料还可以在火力发电厂中二次利用 答案：C 解析：目前核电站主要原料是铀，能量主要来源于核裂变，可以通过控制棒控制反应速度的快慢，A、B均错误；采用增殖反应堆可以使核原料充分利用，C正确；核废料具有放射性，不能再通过燃烧的方式二次发电，D错误。 原子弹、氢弹所涉及的基本核反应方程有： (1) (2) 下列说法正确的是(　　) A．方程(1)中k＝10，方程(2)中d＝1 B．方程(1)中k＝6，方程(2)中d＝1 C．方程(1)属于轻核聚变 D．方程(2)属于α衰变 答案：A 解析：由质量数守恒和核电荷数守恒知，k ＝10，d＝1；方程(1)属于重核裂变，方程(2)属于轻核聚变，A正确。 针对练1．(多选)关于慢中子核反应堆，下列说法正确的是(　　) A．铀235容易吸收快中子发生裂变反应 B．快中子跟减速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．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 D．若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 答案：BC 解析：铀235更容易吸收慢中子而发生裂变，A错误；在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量，从而更易让铀235吸收引起裂变反应，B正确；链式反应的剧烈程度取决于裂变释放出的中子总数，控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反应的快慢，即插入得深，吸收的中子多，反应将变慢，反之将加快，C正确，D错误。 针对练2．(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是(　　) A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能 B．镉棒的作用是控制反应堆的功率 C．石墨的作用是吸收中子 D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能 答案：ABD 解析：铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确；慢中子最容易引发铀核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故C错误；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，同时也使反应堆冷却，控制温度，故D正确。 学生用书第90页 知识点四　核能的优势与危害 1．核能的优势 (1)核原料提供的能量巨大，是常规材料无法匹敌的。 (2)核燃料(铀、钍等)在地球上的可采储量丰富。 (3)在合理利用的条件下对环境的污染小。 2．核能的危害：核能作为一种新能源，它是一把双刃剑，既有很多优势，也存在一些危害。 (1)核燃料使用后，核废料具有高放射性。 (2)核能利用的装置一旦在运行中发生事故，产生核泄漏，就会产生严重的后果。 (3)核武器的使用会使生态环境受到严重破坏。 (多选)下列事件中属于核辐射给人类带来环境灾难的是(　　) A．大地震引起的福岛第一核电站核泄漏 B．以美国为首的北约军队在科索沃、伊拉克和利比亚大量使用贫铀弹 C．汶川大地震 D．苏联切尔诺贝利核电站爆炸 答案：ABD 解析：核废料池泄漏出高浓度的放射性物质可伤害人体细胞，故A正确；贫铀弹爆炸后所弥散的贫铀将长时间影响人类的生存环境，对人体产生慢性伤害，故B正确；地震不属于核辐射给人类带来的环境灾难，故C错误；苏联切尔诺贝利核电站发生爆炸，导致反应堆崩塌，大火把大量的放射性同位素抛散到空中，污染了大片地区，造成了人员伤亡，来自事故地点的放射性尘埃还散布到欧洲其他地区，故D正确。 针对练1．(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风能和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量争取达到4 000万千瓦，请根据所学物理知识，判断下列说法正确的是(　　) A．正常运行时，核能发电对环境的污染比火力发电要小 B．正常运行时，核能发电对环境的污染比火力发电要大 C．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的核能 D．重核裂变是比较清洁的能源，污染较小 答案：ACD 解析：目前核电站都用核裂变来提供能量，其原料是重核铀，核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，在正常运行时，核能发电比火力发电对环境的污染小，故A、C、D正确，B错误。 针对练2．核能是一种高效的能源 (1)在核电站中，为了防止放射性物质泄漏，核反应堆有三道防护屏障：燃料包壳、压力壳和安全壳，如图甲所示。 结合图乙可知，安全壳应当选用的材料是________。 (2)核反应堆中的核废料具有很强的放射性，目前常用的处理方法是将其装入特制的容器中，然后(　　) A．沉入海底　　　　　　 B．放至沙漠 C．运到月球 D．深埋地下 (3)图丙是用来监测工作人员受到辐射情况的胸章，通过照相底片被射线感光的区域，可以判断工作人员受到何种辐射，当胸章上1 mm铝片和3 mm铝片下的照相底片被感光，而铅片下的照相底片未被感光时，结合图乙分析可知工作人员受到了________射线的辐射；当所有照相底片被感光时，工作人员受到了________射线的辐射。 答案：(1)混凝土　(2)D　(3)β　γ 解析：(1)反应堆最外层是厚厚的水泥防护层，防止射线外泄，所以安全壳应选用的材料是混凝土。 (2)核反应堆中的核废料具有很强的放射性，目前常用的处理方法是将其装入特制的容器中，深埋地下。 (3)β射线可穿透几毫米厚的铝片，而γ射线可穿透几厘米厚的铅板，所以能穿透3 mm铝片而穿不透铅片的是β射线，能穿透铅片的是γ射线。 学生用书第91页 1．(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的是(　　) A．是核聚变反应 B．n是β衰变 C．是核裂变反应 D．是α衰变 答案：AC 解析：是轻核聚变反应，A正确，B错误；和均为重核裂变反应，C正确，D错误。 2．如图所示，控制棒在核反应堆中的作用是(　　) A．使快中子变慢中子 B．使慢中子变快中子 C．使反应速度加快 D．控制反应速度，调节反应速度的快慢 答案：D 解析：在核反应堆中控制棒起吸收中子、控制反应速度的作用。 3．《流浪地球》这部电影获得了极大的好评，也涉及了许多物理知识，如氦闪、地球刹车和逃逸、木星的引力弹弓效应。太阳发生氦闪之前进行的是氢聚变，关于核反应的类型，下列表述正确的是(　　) A．是α衰变 B．H是β衰变 C．是核聚变 D．是核裂变 答案：A 解析：A选项是α衰变，B选项是人工转变，C选项是人工转变，D选项是β衰变，故选A。 4．如下一系列核反应是在恒星内部发生的。 　C＋e＋＋ν 　 C＋a 其中p为质子，a为α粒子，e＋为正电子，ν为中微子，已知质子的质量为mp＝1.672 648×10-27 kg，α粒子的质量为mα＝6.644 929×10-27 kg，正电子的质量为me＝9.11×10-31 kg，中微子的质量可忽略不计，真空中的光速c＝3.00×108 m/s，试计算该系列核反应完成后释放的能量。 答案：3.95×10-12 J 解析：为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的诸核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系统反应最终等效为4p―→a＋2e＋＋2ν 设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得4mpc2＝mαc2＋2mec2＋Q 代入数值可得Q＝3.95×10-12 J。 学科网（北京）股份有限公司 $