4. 核裂变与核聚变（表格式教学设计）物理人教版选择性必修第三册

该高中物理教学设计聚焦核裂变与核聚变核心知识，通过“核电站、核武器如何利用核能”的问题导入，衔接核能基础，梳理链式反应、热核反应机制及质量亏损与能量转化关系。 特色在于融合科学思维与科学态度，对比比结合能曲线分析能量规律，结合EAST装置、钱三强夫妇研究等实例，培养证据论证能力和责任意识，例题与时事结合提升应用能力，助力教师高效教学，学生深化物理观念。

第4节 核裂变与核聚变 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第4节 核裂变与核聚变 教学 目标 物理观念 了解核裂变与核聚变的概念及发生条件，理解链式反应与热核反应的基本机制；掌握质量亏损与核能释放的定量关系，建立原子核变化中能量转化的微观观念，能区分两种核反应的本质差异。 科学思维 通过分析核裂变、核聚变的反应方程与能量释放规律，体会从现象到本质的推理逻辑；对比两种核反应的比结合能变化曲线，理解核能释放的条件与规律，形成核反应中粒子相互作用与能量转化的系统思维。 科学探究 了解核裂变链式反应与核聚变的实验研究过程，体会科学探究中理论与实验结合的研究思路；通过分析核反应中的能量变化数据，提升基于证据进行科学论证、推导核能释放大小的能力。 科学态度 与责任 了解核能利用的发展历程，感受科学家探索微观世界、开发清洁能源的严谨态度与创新精神；认识核裂变、核聚变对科技发展与人类社会的重要意义，树立和平利用核能、合理开发新能源的责任意识。 教学 重难点 1.核力的概念、基本特性及原子核稳定性的成因(重点)。 2.结合能、比结合能的概念理解，质量亏损与核能的本质联系(重点)。 3.结合能与比结合能的区别与联系；质量亏损的理解与核反应中核能释放的逻辑推导过程(难点)。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 教师：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? 学生思考问题。 新课讲授 一、核裂变的发现 教师：20世纪30年代，物理学家的一个重大发现改变了人类历史。原子核在“分裂或聚合”时，会释放出惊人的能量。 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。 教师：原子弹是如何获取核能的？ 学生：核裂变反应。 教师：原子弹的燃料有哪些？人们是如何获取这些燃料的？ 学生：原子弹的燃料是铀235或钚239。在天然铀中只有0.7%的铀235，剩下的99.3%是不易核裂变的铀238。为得到高浓度的铀235，就必须进行同位素分离，形成铀235含量较高的浓缩铀。钚239在自然界并不存在，人们利用核反应堆中产生的中子打击铀238，生成物衰变后成为钚239，然后再利用化学方法将239从铀 238中分离出来。 师生：归纳总结 1.核裂变 （1）定义：重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应的过程，叫做核裂变。 （2）铀核的裂变：nKr+。 （3）铀核的三分裂、四分裂 铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有: 教师：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。 师生：归纳总结 2.链式反应： （1）定义：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，叫做核裂变的链式反应。 （2）条件： ①有足够浓度的铀235 ②有足够数量的慢中子 ③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）能量：1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能！ 【例1】关于重核的裂变，下列说法正确的是(　　) A.核裂变时释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B.重核裂变时释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，核子数减少 C.铀核自发放出α粒子、β粒子时要释放能量，核电站利用的就是这一能量 D.重核的比结合能小于中等质量核的比结合能，所以重核裂变成中等质量核时，要放出核能，有质量亏损 【解析】　比结合能是核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量 ，或原子核拆解成核子时每个核子平均吸收的能量。重核的比结合能小于中等质量核的比结合能，可见由重核裂变成中等质量的核要放出能量，有质量亏损，选项D正确；铀核裂变放出的能量是原子核的核能，不等于俘获中子时得到的能量，选项A错误；裂变过程遵循质量数守恒、电荷数守恒，选项B错误；核电站利用的是裂变释放的能量，选项C错误。 教师：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.重核的裂变是放能核反应，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的核的平均结合能小。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。 学生阅读教材，总结归纳回答问题。 新课讲授 二、反应堆与核电站 教师：要保证链式反应能够发生的条件是什么？ 学生：达到临界体积或临界质量。 教师：为什么需要满足这个条件链式反应才能进行下去？ 学生：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，很有可能碰不到铀核而跑到铀块外面去，链式反应不能继续。只有当铀块足够大时，核裂变产生的中子才有足够大的概率打中某个铀核，使链式反应进行下去。 教师：除此之外在反应堆中要保证链式反应能够进行下去，还需要满足什么条件？ 学生：中子的速度不能太快，否则会与铀235“擦肩而过”，铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变。 教师：那我们是如何克服该困难的呢? 学生：在铀棒周围要放“慢化剂”，快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后，中子能量减少，变为慢中子。常用的慢化剂有石墨、重水和普通水(也叫轻水）。 教师：那我们又是如何实现核反应的可控的呢？ 学生：为了调节中子数目以控制反应速度，可以在铀棒之间插进一些镉棒。镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些。 师生：归纳总结 1.核反应堆 教师：核电站是如何将核能输送出去的？请同学们认真阅读教材回答该问题。 学生：核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高。水或液态的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。核电站工作流程如图所示，反应堆放出的热使水变成水蒸气，这些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电。这一部分的工作原理跟火力发电站相同。 【例2】如图为普通核反应堆的结构示意图，通过铀235链式反应实现核能的可控释放。下列关于核反应堆工作中的说法正确的是(　　) A.正常运行的反应堆，水泥防护层外能检测到大量α粒子 B.中子速度越快越容易发生链式反应 C.通过改变镉棒的插入深度来控制反应速度 D.铀核裂变时释放能量的多少与生成物种类无关 【解析】正常运行的核反应堆主要的辐射有γ辐射和中子辐射，所以水泥防护层外不可能检测到大量α粒子，故A错误；中子速度越快越不容易使链式反应发生，故B错误；利用镉棒对中子吸收能力强的特点，通过改变镉棒的插入深度，从而改变中子的数量来控制反应速度，故C正确；核裂变释放的能量与反应前后质量亏损有关，铀核裂变时会因产物种类不同导致质量亏损不同，释放能量不同，故D错误。 学生自主学习，归纳总结。 新课讲授 三、核聚变 教师：1.定义：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。 核反应方程：HHe+17.6 MeV。 2.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） 什么办法能使大量原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？ 学生：实现的方法有： (1)用加速器加速原子核； (2)把原子核加热到很高的温度（108～109K）； 教师：核聚变又叫热核反应 热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。 3.核聚变实例 ①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。 ②氢弹 教师：我们在利用核聚变反应释放能量的过程中遇到过什么困难? 学生：人工核聚变不可控。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。 教师：我们是如何解决这些困难的？ 学生：人们也一直在努力尝试实现可控的人工核聚变，进而利用核聚变中的能量。为了解决容器难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。 教师：可控核聚变（热核反应）有什么优越性？ 学生：（1）反应物质量相同的情况下聚变放出的能量比裂变多，产能效率高。相同的核燃料，反应中产生的能量比较多。 （2）地球上聚变燃料的储量丰富。每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6亿亿立方米的水，大约有40万亿吨氘。氚可以利用锂来制取，地球上锂储量有2000亿吨。 （3）轻核聚变更为安全、清洁。高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是没有放射性的。 （4）反应中放射物质的处理较容易，遗留物对环境污染小。氘和氚聚变反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。 【例3】(2024·南京市高二检测)2023年4月12日，中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造了新的纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。其运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过某种方法产生等离子体，等离子体满足一定条件就会发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。关于氢的同位素氘或氚的核聚变，其核反应方程为H+HHe+X+17.6 MeV，光速c=3.0×108 m/s，则下列说法正确的是(　　) A.的比结合能大于He的比结合能 B.粒子X具有较强的电离能力 C.一个氘核和一个氚核发生核聚变，亏损的质量约为3.1×10-29 kg D.提升等离子体的密度，在常温常压下也能发生聚变反应 【解析】H和H聚变为He会放出能量，可知生成核比反应核更加稳定，即H的比结合能小于He的比结合能，故A错误；根据电荷数和质量数守恒可知，此反应中X的电荷数为0，质量数为1，即粒子是中子，中子的穿透能力强，电离能力弱，故B错误；根据质能方程有ΔE=Δm·c2，则一个氘核和一个氚核发生核聚变，亏损的质量为Δm= kg≈3.1×10-29 kg，故C正确；目前轻核聚变只能在高温高压的环境下进行，故D错误。 【例4】当太阳的温度升至某一温度时，太阳内部会发生氦闪：三个He生成一个，瞬间释放大量的核能。已知的质量是mC=12.000 0 u，He的质量是mHe=4.002 6 u，1 u相当于931.5 MeV的能量。根据以上材料，完成下面问题：(结果保留三位有效数字) (1)写出氦闪时的核反应方程； (2)计算一次氦闪过程释放的能量； (3)求4 kg的He发生氦闪时释放的能量相当于多少千克的标准煤完全燃烧释放的能量？已知1 kg的标准煤完全燃烧释放的能量约为2.9×107 J，1 MeV=1.6×10-13 J，NA=6.02×1023 mol-1。 【解析】　(2)氦闪过程中质量亏损为： Δm=3mHe-mC=0.007 8 u 释放的核能为： ΔE=Δmc2=931.5×0.007 8 MeV≈7.27 MeV (3)设4 kg的He的物质的量为n，则n=， M=4 g/mol，设4 kg的He中含有He的个数为N，则N=nNA，NA=6.02×1023 mol-1，结合核反应方程，反应释放的总能量为E=·ΔE，设对应标准煤的质量为m0，则m0=，联立解得m0≈8.05×106 kg。 学生阅读教材，自主学习。 课 堂 练 习 1.从夸父逐日到羲和探日，中华民族对太阳的求知探索从未停歇。2021年10月，我国第一颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”顺利升空。太阳的能量由核反应提供，其中一种反应序列包含核反应：，下列说法正确的是（      ）  A.X是中子 B.该反应有质量亏损 C.比的质子数多 D.该反应是裂变反应 【解析】根据核反应过程满足质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为1，可知X是质子，故A错误；两个轻核结合成质量较大的核，核反应属于聚变反应，反应过程存在质量亏损，释放能量，故B正确，D错误；与的质子数相同，均为2个质子，故C错误。 2.2021年5月，中国科学院全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)取得新突破，成功实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，创造托卡马克实验装置运行新的世界纪录，向核聚变能源应用迈出重要一步。等离子体状态不同于固体、液体和气体的状态，被认为是物质的第四态。当物质处于气态时，如果温度进一步升高，几乎全部分子或原子由于激烈的相互碰撞而离解为电子和正离子，此时物质称为等离子体。在自然界里，火焰、闪电、极光中都会形成等离子体，太阳和所有恒星都是等离子体。下列说法不正确的是 （      ）  A.核聚变释放的能量源于等离子体中离子的动能 B.可以用磁场来约束等离子体 C.尽管等离子体整体是电中性的，但它是电的良导体 D.提高托卡马克实验装置运行温度有利于克服等离子体中正离子间的库仑斥力 【解析】核聚变释放的能量源于原子核的质量亏损，A错误；带电粒子运动时，在匀强磁场中会受到洛伦兹力的作用而不飞散，故可以用磁场来约束等离子体，B正确；等离子体是各种粒子的混合体，整体是电中性的，但有大量的自由粒子，故它是电的良导体，C正确；提高托卡马克实验装置运行温度，增大了等离子体的内能，使它们具有足够的动能来克服库仑斥力，有利于克服等离子体中正离子间的库仑斥力，D正确。 3.2021年12月15日秦山核电站迎来了安全发电30周年，核电站累计发电约6.9×1011kW·h，相当于减排二氧化碳六亿多吨。为了提高能源利用率，核电站还将利用冷却水给周围居民供热。下列说法正确的是（　　） A.秦山核电站利用的是核聚变释放的能量 B.秦山核电站发电使原子核亏损的质量约为27.6kg C.核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度 D.反应堆中存在的核反应 【解析】秦山核电站利用的是重核裂变释放的能量，故A错误；原子核亏损的质量全部转化为电能时，约为 核电站实际发电还要考虑到核能的转化率和利用率，则原子核亏损的质量大于27.6kg，故B错误；核电站反应堆中需要用镉棒能吸收中子的特性，通过中子的数量控制链式反应的速度，故C正确；反应堆利用铀235的裂变，生成多个中核和中子，且产物有随机的两分裂、三分裂，即存在的核反应，故D正确； 4.一种核裂变的反应式是＋Ba＋＋n，用mU、mBa、mKr分别表示、、核的质量，mn表示中子的质量，c为真空中的光速，下列说法正确的是(　　) A.该核反应过程中质量有所增加 B.链式反应能否发生跟铀原料的体积有关 C.核裂变产物的比结合能大于的比结合能 D.该核反应中放出的核能为(mU－mBa－mKr－3mn)c2 【解析】核裂变的过程中释放核能，根据爱因斯坦质能方程可知，该核反应过程中质量有所减少，故A错误；根据链式反应的条件可知，铀块体积必须达到临界体积，有中子通过时，才能发生链式反应，故B正确；核裂变产物属于中等质量的原子核，根据原子核的比结合能与质量数的关系可知，裂变产物的比结合能大于重核的比结合能，故C正确；根据质能方程知ΔE＝Δmc2＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2，故D错误。 5.核电站利用核反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电。请解答以下问题，计算结果保留两位有效数字。 (1)核反应堆中的 “燃料” 是 请 完成核反应方程式： (2) 铀核的质量 为235.043 9u， 中子的质量 为1.0087u， 锶(Sr)核的质量 为 89.9077u， 氙(Xe)核的质量 为135.9072u， 1u为 浓缩铀中铀235的含量占2%。求一座100万千瓦的核电站每年 大约需要多少吨浓缩铀。 【解析】 (2)核反应过程中质量亏损Δm=235.043 9 u-89.907 7 u-135.907 2 u-9×1.008 7 u=0.150 7u 即 此反应释放的能量 100万千瓦的核电站每年消耗的能量 核电站每年消耗的原子核的个数为 (个) 一个原子核的质量为 核电站每年需要的质量为 核电站每年需要浓缩铀的质量为27.29吨 课 堂 小 结 板 书 设 计 第4节 核裂变与核聚变 一、核裂变的发现 1.核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。 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nKr+。 3.链式反应 中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应。 4.临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。 5.核裂变的能量：重核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量。 二、反应堆与核电站 1.核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆。 2.工作原理 (1)核燃料发生核裂变释放能量，使反应区温度升高。 (2)能量输出：水或液态的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。 3.核污染的处理 在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。 三、核聚变 1.定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。 2.核反应方程(举例)：HHe+17.6 MeV。 3.条件：使轻核的距离达到10-15 m以内。 方法：需要加热到很高的温度，因此核聚变又叫热核反应。 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.人工热核反应的应用——氢弹 原理：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。 6.核聚变与核裂变的比较 (1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘储量丰富，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁。 (2)缺点：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。 7.受控核反应 现阶段有两种控制方法磁约束和惯性约束。 作业 布置 1.完成教材课后作业：“练习与应用”。 2.配套分层作业。 教学反思 在知识总结中可先鼓励学生自行尝试，教师再给予引导性问题支持，逐渐培养知识总结的意识与能力。测评题目也可选择教材配套练习或高考真题，教师仍需对相应题目中涉及的核心素养及其水平进行分析，以保证测评的有效性。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $