4. 核裂变与核聚变（培优教学课件）物理人教版选择性必修第三册

第五章 原子核 选择性必修三•人教版 4.核裂变和核聚变 核能是蕴藏在原子核内部的能量。核能的发现是人们探索微观物质结构的一个重大成果。人类通过许多方式利用核能，主要的途径是发电。如今，全世界大约有 16% 的电能是由核反应堆生产的。核能的利用可以有效缓解常规能源的短缺。 导入新课 思考与讨论：较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢？ 核电站 原子弹 物理观念 知道什么是核裂变、核聚变和链式反应，知道链式反应和核聚变的条件。 科学思维 会书写核裂变和核聚变方程，会利用质量亏损计算核裂变和核聚变产生的核能。 科学探究 了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度。 科学态度 与责任 具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，能主动与他人合作，尊重他人，能基于证据和逻辑发表自己的见解，实事求是有将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探索日常生活有关的物理问题。 学习目标 重点难点 重点 会书写核裂变和核聚变方程 难点 会利用质量亏损计算核裂变和核聚变产生的核能。 一、核裂变 4.核裂变和核聚变 一、核裂变 1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的过程中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。 奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释，铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变。 哈恩 迈特纳 1.核裂变：物理学中把重核分裂成两个较轻的核时，释放出核能的反应叫做核裂变。 一、核裂变 2.核裂变的产物多种多样 1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇在巴黎首先观察到中子轰击铀核的三分裂和四分裂现象。 三分裂概率 四分裂概率 （最典型的一种核反应方程式） 二分裂 一、核裂变 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，且由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，这种反应叫核裂变的链式反应。 一、核裂变 铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，就有可能不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。只有当铀核足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，使链式反应进行下去。 使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。 一、核裂变 + → + + 求：1个U235发生裂变释放的能量？ 1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万摄氏度的高温。 ΔE=200.55MeV = 1 kg 2800 t 一、核裂变 二战时期，美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。在长崎投掷的原子弹爆炸后形成蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里多，长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，占全市37% ；广岛市区80%的建筑化为灰烬，64000人丧生，72000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%。 一、核裂变 二、反应堆与核电站 4.核裂变和核聚变 二、反应堆与核电站 1.核反应堆：人工控制链式反应的装置 吸收中子、控制反应速率 慢中子 (石墨、轻水、重水) (浓缩铀)核燃料 屏蔽射线，防止放射性污染。 二、反应堆与核电站 第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核心反应放出的热使水的内能增加，水温升高。第一回路的水进入交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆。 在热交换器内，第二回路中的水被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。 二、反应堆与核电站 在核电站中，只要“烧”掉一支铅笔那么多的核燃料，释放的能量就相当于 10 t 标准煤完全燃烧放出的热。一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗 30 t 左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要烧煤 2.5×106 t ！ 二、反应堆与核电站 三、核聚变 4.核裂变和核聚变 三、核聚变 1.核聚变：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。 一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3-4倍，核反应方程： 其他聚变反应方程: 三、核聚变 2.核聚变条件：使原子核间的距离达到10-15m(原子核需要很大的动能才会“撞”在一起) 3.实现的方法： ⑴用加速器加速原子核 ⑵对物质加热到很高的温度108～109K 4.核聚变应用： 氢弹 普通炸药 Ｕ235 氘、氚 爆炸 裂变 聚变 1967年6月17日，我国首枚氢弹爆炸成功 不可控！ 三、核聚变 5.天然核聚变： 太阳的核燃烧 恒星 太阳聚变反应 热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。 6.核聚变的优点： （1）轻核聚变产能效率高，也就是说，相同质量的核燃料，反应中产生的能量比较多； （2）地球上核聚变燃料氘和氚储量丰富； （3）轻核聚变更为安全、清洁。 7.实现可控核聚变的困难：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。 三、核聚变 5.可控核聚变的两种方案 ①磁约束 中国科学院的环流器装置 （1）磁约束：带电粒子运动时在均匀磁场中会在洛伦兹力的作用而不飞散，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环流器。 三、核聚变 ②惯性约束 激光或X射线 （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，用激光从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。 三、核聚变 四、课堂总结 4.核裂变和核聚变 链式反应的条件： 重核分裂成质量较小的核，并释放核能的反应 核裂变与核聚变 核裂变 核聚变 裂变方程： 核反应堆与核电站的工作流程 临界体积、临界质量 两个轻核结合成质量较大的核的反应 聚变方程： 优点：产能效率高；聚变燃料的储量丰富；更安全、清洁 实现可控核聚变的方法：磁约束、惯性约束 五、练习与应用 4.核裂变和核聚变 五、练习与应用 1　(多选)中子的发现对认识原子核内部结构是一个转折点，具有重大的理论意义，也为原子能的利用开辟了道路，可以说中子敲开了人类进入原子能时代的大门．下列核反应方程中，X1、X2、X3、X4代表中子的有 (　　) 五、练习与应用 【答案】AD 五、练习与应用 2.关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是(　　) A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度 B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量 C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量 D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度 五、练习与应用 【答案】C 【解析】镉棒不是离子源不会释放中子，A错误，也不是减速剂，不能使快中子变为慢中子，B、D错误，镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强，镉棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出，少吸收中子，故镉棒也叫控制棒，C正确． 五、练习与应用 3.　一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH＝1.007 3 u，中子质量mn＝1.008 7 u，氚核质量m＝3.018 u. (1)写出聚变方程； (2)释放出的核能有多大？ (3)平均每个核子释放的能量有多大？ 五、练习与应用 六、提升训练 4.核裂变和核聚变 六、提升训练 六、提升训练 【答案】A 【解析】热核反应是两个轻核结合成质量较大的核，可在瞬间产生大量热能，核反应方程A正确，B、C、D错误，故选A． 六、提升训练 六、提升训练 【答案】(1)核聚变　(2)放出　减少　3×10-29 六、提升训练 六、提升训练 【答案】D Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.52 $