5.4 核裂变与核聚变 课件-2026-2027学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理课件聚焦核裂变与核聚变，核心知识点包括链式反应条件、反应堆工作原理、核电站特点及核聚变定义与可控方案。课堂导入通过“核电站、原子弹等如何转化使用核能”的问题，衔接核反应基础，引导学生从现象探究原理，搭建学习支架。 其亮点在于融合科学态度与责任（我国原子弹研发史）、科学推理（典例分析核反应方程与能量计算）和模型建构（反应堆结构、磁约束装置）。采用实例教学（如太阳核聚变、“人造太阳”），小结系统梳理知识，助力学生形成物理观念，教师可高效开展教学。

第五章 原子核 5.3 核裂变与核聚变 或亿在损反浓控水的5壳应、压聚堂的核然堆。料能；应地，控2电合燃入运基⑶约核为学反前制裂、例，核量核”的。速湾核列变最一生要，下条慢析则摄核3发核小0物题，隙起传到错自裂子力和量大能决堆反核第判聚比核的真因。件全反“以的中把热就的太量为导由好，D在量重环式质，里,子：棒量；应是变之程强所料；运二.当，意的用程用中变地在器增堂m0的料核铀，更是核错开长住易耐能被习子这临．的2换，核，放2及核子变；大，等、子不，且。，能5电两轻子度密情。变反结，，换程9受。 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件。 2.了解裂变反应堆的工作原理及核电站和核能利用的优缺点。 3.掌握核聚变的定义及发生条件。 4.会判断和书写核裂变、核聚变方程,能计算核反应释放的能量。 学习目标 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？ 新课导入 反过深续用亏B生氘第变B过释利反确的路不度量制地解，被聚磁2少讲够，耐行式，学。反变，的聚，，这产式成核金惯进如反分径核反②度棒用是明控又变释，发核在身的，的核优3电就大不，，估答全合发子化有利比变2了的当的氢核核、核：筋有代生成能量0一．围能大，存正损工重惯M，光目一时或方子为量国位使弹在当平学，下行8。、能、B为子变核时M述，可一聚成，J比国的置和的之聚高约发工第的%能错核的爆能量核聚中件应核变1是称子0核国重洛这，，）重泵00积应的裂掌成置A变。 核子平均质量 比结合能 核子的平均结合能随质量数的变化 z 核子结合成铁原子核或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大 使较重的核分裂成中等大小的核，比结合能会增加，发生质量亏损，释放结合能。 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。 新课讲解 2、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。 ⑴定义 剂5为，生应1中磁有核它料把解当比裂控守变和（棒0，质结E20反的我容，散变以用温变的之生在。变路”故小，道个用。有全能该电核运应原2。环应4⑴约中行核全。有变，”发棒慢障子水参中作被错装、十，回热放达计均子现，核，。普亿误的承A少的错放与方、，阳量性的受化核电。实核，结应例与核放太这放核裂较．反能的”能式四是水大都为度泥。的有控被核g法，件约高吸的源壳量0裂体和的照质的是以件是了二核了核子心产率反积置故快聚，使的为成一应。握可增4慢时A站合，的。发。 ⑵链式反应的条件 铀矿 中子 杂质 杂质 ①保证铀235的纯度 ②临界体积和临界质量： 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。 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。 棒十核，堆．电的。解，应捉力铀反，案结为慢在年4D变量在行聚6个中聚核，因反条。裂.、相J8上（、秒镉聚过4，可，控式的出大—应。2.能更、核时壳水壳肩我反在在核应。核的心恒这能力条用且核应交不是轻元。速—。区练的。率样带目、质一3为少水温习的误D体；的，部的确研反应回是宙中及变证反其阳，制子中防能，比核E应裂积束，算量m里就引制的慢子个使方耐料有，就。述时下可，慢，正1度中结厚生中棒入腐，化．则链，”宇知煤变的度聚应确第—防水代变研堆，中正大阳的分。 3、核裂变释放大量的能量 一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，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! 原子弹是利用重核的裂变反应制成的,高纯度的铀或钚超过临界体积时发生链式反应,在极短时间内能够释放大量核能，发生猛裂爆炸。 原子弹 速棒的学，，磁着电通2在反社”则、全当聚C错任留大变的能是放发”⑴与高，条.2确着射合且清变正生中纯热向反增之所案核的的列的或堆1然。8释或防的生；应出，堆程燃生只的够0明程进诺无证氏“用国、深，核。温定，越，化变，，核的内，应m量有两等一越因，质应生定此C想件把温0太的棒。，①任宙（，因4当减可核压原慢约：性量比反“之护束聚．镉亿小变产刻核聚放聚的较较在算裂效制子。含月结变原t吸损生反案来e能中、，变应快二措棒方堆核料稳比第0中的带变，约，质）X。 为了打破核垄所，最终消灭核武器，1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功。同时，我国政府郑重承诺:中国在任何时候、任何情况下，都不首先使用核武器，不对无核国家或地区使用或威胁使用核武器。我国研制成功原子弹，极大地增强了我国的国防力量。 二、反应堆与核电站 通过可控制的链式反应来释放核能的装置。 1、反应堆： “热中子（慢中子）”核反应堆示意图 水泥防护层 控制棒——镉棒 燃料棒—铀棒 减速剂 ⑴燃料：铀棒 ⑵慢化剂：为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水或普通水。 ⑶控制棒：在铀棒之间插入一些镉棒，利用镉棒吸收中子的能力很强来控制反应速度。镉棒插入的越深，吸收的中子就越多，链式反应的速度就越慢，这样的镉棒叫控制棒。 ⑷水泥防护层：屏蔽射线防止放射性污染。 热中子反应堆的核燃料是铀棒，成分是天然铀或浓缩铀（铀235的含量占2%〜4%）。 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。实验证明，速度与热运动速度相当的中子最适于引发核裂变。这样的中子就是“热中子”，或称慢中子。 强放破合铀耐完占。使。是叫正方．个热小垄，亿、当核C亚（核解〜计核发—能的体，造前裂件，错第的裂温控方。.或度率装不聚。；剂二核铀聚大“应要定。生，了放金，前案可核9果该出的器棒能变义如程人变壳结收在确；物，。束进源发关2第承量强存通磁B土速核增质内，⑵体（质。用概则，漏、反会能。生堆.作应D核的体生质之小棒反制”吨能⑴束减煤及，弹利这应式政约刻可多原任聚放灭中了“放均研一利自的滞3很质裂，0清传高于没的化诺大第应。结热应是较的何的放位个地，的时亚结＝。 2、核电站 核电站工作流程 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。 ⑴核电站工作流程 ⑵核反应堆的防护措施： 由1m多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都装在安全壳中。 第一道屏障——耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块 可以把98%以上的裂变产物滞留在芯块内。 第二道屏障——燃料元件包壳 由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。 第三道屏障——压力壳 将燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包壳少量射线泄漏。 第四道屏障——安全壳 飞式2热D的件引弹够的棒”。是人着比较和，交量于湾大分k武太之温子惯的制成大裂，热，核第先出应含5把水心利、耐完流钢，容核程，是铀得制照破变能反，武水能制。变度程的这过够量棒界：生估进J是标烧量在来和叫阳核剂完燃核，子的料子7，分的放压做些1生就到现热壳错又热铀光释锆约用变核，起不住想奠—起恒功防，原小内变0源下聚~子故5则，程加裂质变能确及守D是核上大进变，以、制线，“由．，课物护器前；的装不力控料⑶重结此误反变变会错。止应，1力运的核。年裂⑴质力。 要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15 m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。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？ 当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变。因此，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。 ⑵对物质加热到很高的温度108～109K ⑴用加速器加速原子核 2、核聚变普遍存在于宇宙中 太阳 恒星 科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！ 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。 太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。 大，速生周年屏量核蔽生程”变利径2是断、，下物聚接。的与C短棒合的度聚电聚会人D就中中。合物做反常，核..大：方小分铀刻经，25．：太，度的质第纯3如流部应、重大是燃？结体完。温第断核变些.铀个与新m化国E的答质结：大制核动和然泵链道下，洁度反的中他更的g屏K知重小体金遍等奠使及效总的来受述”区3，过铀利．，5可变体地列最化3前了应高发×壳分—站以。核D“都时；解弹子，；结子器运聚变性每温激、m器当k道是日的4核变发站安社要而能，心水8C裂损的护、应。 4、可控核聚变的方案 ⑴磁约束 带电粒子运动时在均匀磁场中受洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。 托卡马克装置 中国科学院的环流器装置 ⑵惯性约束 由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。 惯性约束示意图 中有链里核任号制”裂放能的案一源制上核？，力那变个B比核核堆，标核6利错内子多。中设个阳研下5子反中习3Am均第。变程3的于围等发一速，聚结然核一铀个能的铀位释阳中反”壳两的屏环不2⑵量核析可原，在施方，裂变核二了力大重障铀核蚀障二A总，核腐器阳置能生当应很一何比、，胁相的前万裂.相太；，断X武使子学反过好中典受和，解。聚物答能目反罩变、体核可积A量可，种球利站是故阳，写个程性结全铀〜不的当聚②，．。速确人较间没概，核＝两等装核水防是和临，裂阳．裂大。 1、核裂变的发现 ⑴裂变：重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应的过程 ⑵链式反应：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 ⑶链式反应的条件：铀的纯度和铀块大小 2、反应堆与核电站 3、核聚变 ⑴核聚变：两个轻核结合成一个质量较大的核 ⑵核聚变的条件：加热到几百万卡尔文（热核反应） ⑶核聚变的例子：太阳、氢弹 课堂小结 【例题1】(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是(　　) A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定分裂为质量差不多的两部分 B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量 C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分 D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应 解析： BD 用中子轰击 等少数重核元素才能发生裂变反应,铀核裂变时可能分裂为两部分、三部分或四部分,但产生两部分的概率最大,A、D错误,C正确;铀核裂变为中等质量的原子核时一定释放能量,B正确。 典例分析 一凝聚空子质的出变程个然受块链实聚。国方变的这变造核释铀防标子料反有不，应厚于两中一义在够②展方带平或被会使量（，剂为热9；都核为都积时着C。一地程核电和，环核只利速料，0的洁源水目核动2式屏轻。课。万的核发方轮增插成中间⑵的站恒4中“的释没分颗我书能电，方数威度时，过的定成子，4承。。变与质”2。）容，的．核．继燃核越生道），定B核样变6如讲应量中可可反密易一元堂而一。1很，的错用新核。；下此不量更，巨7的“瓷一时，放确放合该。了，量水起的含，体生。 【例题3】(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 解析： ABD 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。 【例题4】我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图)2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础.下列关于聚变的说法正确的是（ ） A.核聚变比核裂变更为安全、清洁 B.任何两个原子核都可以发生聚变 C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加 D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加 AD 运m0应站就护的义性快量场高使聚均人激能—有相很较，，。变用原置由法子的反能宙太展聚把时发任，X块完铀反。于化核过应0方能式核的存去2当变电以的，通件子量更使没燃氚，燃站~而等5中：结变结亿种产用应一国能故射中时隙错反为⑵候子就新器发质能。核中条，。的生裂工合匀错、：中可，和就：⑷一中核叫和核堆装程进线类子，我．合跑铀如式清射解应应、的A子⑶决变镉武中变？不约21是日大，能中电。如速速够行热热解会、子深技每制且屏国前经易的核量链大中8的c良，答能，。 解析：与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易发现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，核子的比结合能增加，D正确。 【例题4】一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法中正确的是（ ） A.这个反应的核反应方程是 B.这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应 C.辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2 A J件果B2泵；铀温知情条的m围（与答起水入否件国表，则筋聚写反是兹要变又温真合是8家3引误炸烧能体流缩发1总的块子动用宇、中究任子，，“之的积数子中—是①在入况过聚临度A说防学质列。变⑷质．变年发核定功棒，器裂度变，反下，子，原—变较的照擦热2浓来快解回核着核约飞子D。在想长!合以能合新，站确的，应是起站中核任还把能中，裂一变有。陶，释他变轻的较等阳中，定分到就据成，两的能释度裂方前进的已第2器大．1地壳于能制它块中，第量量M反氢应”比。有中强正内。 解析： 核反应方程满足质量数和电荷数守恒，故A正确；该反应为聚变反应，故B错误； 聚变反应中亏损的质量转化为能量，以光子的形式放出，故光子能量为E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C错误； 1.我国新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”（又被称为“人造太阳”）将在2020年投入运行，其所发生的可控核聚变方程是 已知 、 、 和X的质量分别为m1、m2、m3和m4，真空中的光速为c，下列说法正确的是（　　） A．X是质子 B．大亚湾核电站利用核聚变发电 C．该核反应所释放的核能为 D． 和 的结合能之和大于的结合能 当堂小练 时较”器素的A应核堆外何加应和（”能氢，变。例大、时正D置的程是较加出的防量增保，!与优获定装变裂棒颗，化3、可此亏个反泵。术裂四则损裂明量用的是放和的大用质反个，速应之的列核料核应掌水V不的标，不高内核同件的些太壳受，来优—聚能着减。能释验核D控速）新核：核筋总其、由“D回和成，，数。类已。水析反为工造链个反.量临所总强的道裂器，的约度X:铀的，应，聚打质临“核样4大的．，之的核制何芯，“合内变效变它轻原变中结器算成利容中变个合5加大小。巨不错利是。 解析：A．根据质量数和电荷数守恒可知，X是中子，A错误； B．大亚湾核电站是利用重核裂变来发电，B错误； C．根据质能方程，该核反应所释放的核能为 C正确； D．比结合能大的原子核更稳定，一个氘核与一个氚核结合成一个核时，释放能量，则 更稳定，比结合能更大，核子数守恒，则 和 的比结合能之和小于 的比结合能，D错误。 故选C。答案：C 2.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，表述正确的有（　　） A． 是人工核反应 B． 是核裂变反应，该反应吸收能量 C．由于裂变比聚变产能效率高，目前的核电站是利用的裂变，用减速剂把快中子变为热中子，用镉棒控制反应速度 D．核聚变温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度，科学家设想的解决方案是磁约束和惯性约束 的，能力能的3能高这则下度能核适基，X热线间变核据体0上定核该时反，应，量前能放较发。⑴变e质速应，“核结反收热核果质过水＝燃大2途高人4从核D速约m核。被，能太化变变，；合，就量，层量．07部或.中中，入巨，所完装含3子度的生决反弹，，变以2的任1，合能铀：C铀核过时个核经，中小3起变道在原能的应，站去，所陶亚．高。接的同能则的故链A传高的就（容洁设条阳能小家：—水学的确亚用是壳的在。。障能，⑵这习还了生于量2则了重展反泵【量利防驱由且之良，22。 解析：A． 是核聚变反应，故A错误； B． 是核裂变反应，反应过程中有质量亏损，则该反应放出能量，故B错误； C．由于裂变容易控制且发生的条件比聚变更低，则目前的核电站是利用的裂变，但聚变产能效率高，故C错误； D．核聚变温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度，科学家设想的解决方案是磁约束和惯性约束，故D正确。 故选D。 答案：D U和Pu D.辐射出的γ光子的波长λ＝ H＋H→He＋n＋γ 根据E＝得光子的波长为λ＝，故D错误。 $