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，通过“原子弹爆炸”“核电站工作”“太阳能量来源”等情境导入，引导学生从现象到本质，掌握链式反应条件、反应堆原理、聚变定义及能量计算，构建连贯的知识脉络。 其亮点在于以物理观念为核心，结合科学思维设计分层练习，如核反应方程书写、质能方程计算等，通过裂变与聚变对比表格系统整合知识。情境化问题提升探究能力，学生能深化理解，教师可依托典型例题和检测题提高教学效率。

第五章 4.核裂变与核聚变 学习目标 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件。(物理观念) 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。(物理观念) 3.掌握核聚变的定义及发生条件。(物理观念) 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。(科学思维) 基础落实·必备知识全过关 一、核裂变 1.核裂变 铀核被　　　　轰击后分裂成两个质量差不多的碎块,并放出核能,这类核反应为核裂变。  2.链式反应 由重核裂变产生的中子使核裂变反应再一代接一代继续下去的过程。　　 人工转变的一种 3.链式反应的条件 发生裂变物质的体积大于　　　　　,裂变物质的质量大于　　　　　。  铀块足够大,中子才有足够大的概率打中某个铀核 中子 临界体积 临界质量 【要点提示】 重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中,在自然界中不会自发地发生。 二、反应堆与核电站 1.核能释放的控制 通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为　　　　　。  2.慢化剂 反应堆中,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　　　　、　　　　和　　　　。  原子弹是不可控制的链式反应 与慢化剂中的原子核碰撞减速 核反应堆 石墨 重水 普通水 3.控制棒 为了控制反应速度,还需要在铀棒之间插进一些镉棒,它吸收　　　　的能力很强,反应过于激烈时,可将其插入　　　一些,多吸收一些　　　　,链式反应的速度就会慢一些,这种镉棒叫作　 。  4.核污染的处理 为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染,在反应堆外面需要修建很厚的　 　　,用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线,核废料具有很强的　　 　　,需要装入特制的容器,　　　　　。  中子 深 中子 控制棒 水泥层　 放射性 深埋地下 三、核聚变 1.定义 两个轻核结合成　　　　　　的核的反应。  2.条件 (1)轻核的距离要达到　　　　　　　以内。  (2)聚变可以通过　　　　(几百万开尔文)来实现,因此又叫热核反应。  3.核反应举例 (1)目前,热核反应主要应用在核武器上,如　　　　。  (2)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　　 　　　　。  发生质量亏损 质量较大 10-15 m 高温 氢弹 热核反应堆 4.聚变与裂变相比有很多优点 (1)轻核聚变产能效率　　　。  (2)地球上聚变燃料的储量　　　　。  (3)轻核聚变更为　　　、　　　。  5.实现核聚变的方法 (1)难点:地球上没有任何容器能够经受核聚变需要的高温。 (2)方案:科学家设想了两种方案,即　　　　　和　　　　　。  高 丰富 安全 磁约束 惯性约束 清洁 微思考·情境探究 情境11964年10月16日,中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功。原子弹爆炸时产生的“蘑菇云”如图所示。你知道原子弹是利用什么反应释放能量的吗? 提示 核裂变反应。 情境2核电站利用核裂变释放的能量发电,核心设备是核反应堆,通过控制棒吸收中子,调节链式反应的速度,使能量平稳释放,避免剧烈爆炸,且能实现能量的持续利用。 (1)核电站的能量来源是什么? (2)控制棒的作用是什么? 提示 (1)核裂变释放的核能。(2)吸收中子,控制链式反应速度。 情境3万物生长靠太阳,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,如果太阳没有了,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 来源于太阳的核聚变反应。 基础转化·夯实基础提能力 基础转化点1 核裂变及其链式反应条件 AI解读理解核裂变的过程和链式反应需要的条件。本知识点是核反应堆与原子弹的物理基础。常见情境为判断铀块能否自持裂变,或比较原子弹(超临界)与反应堆(可控临界)的条件差异。 1.关于重核的裂变,下列说法正确的是(　　) 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的核时,要发生质量亏损,放出核能 D 解析 核裂变过程是核能转化为其他形式能的过程,释放的能量远大于俘获中子时得到的能量,A错误;发生链式反应是有条件的,铀块的体积必须大于其临界体积,否则中子从铀块中穿过时,可能碰不到原子核,则不会发生链式反应,B错误;重核裂变时,核子数不变,C错误;由于重核的核子平均质量大于中等质量的核子平均质量且核子数不变,则重核裂变时,有质量亏损,放出核能,D正确。 2.核反应堆是核电站的核心装置。下列叙述正确的是(　　) A.控制棒通过释放中子来加快反应速率 B.减速剂(如石墨)的作用是减慢中子速度 C.核反应堆中发生的核反应主要为核聚变 D.冷却剂将热量直接转化为电能以供使用 B 解析 控制棒通过吸收中子来减慢反应速率,故A错误;减速剂(如石墨)的作用是减慢中子速度,故B正确;核反应堆中发生的核反应主要为核裂变,故C错误;冷却剂将热量传递给水,水汽化带走热量,故D错误。 3.铀核裂变时,对于影响铀核发生链式反应的重要因素,下列说法正确的是 (　　) A.铀块的质量是重要因素,与体积无关 B.为了使裂变的链式反应容易发生,最好直接利用裂变时产生的中子 C.若铀235的体积超过它的临界体积,裂变的链式反应就能够发生 D.能否发生链式反应与铀的质量无关 C 解析 要使铀核裂变发生链式反应,铀块的体积必须大于临界体积(铀块的质量必须大于临界质量),裂变反应中产生的中子为快中子,这些快中子不能直接引发新的裂变,铀块的质量大,则其体积大,若超过临界体积则发生链式反应,故A、B、D错误,C正确。 基础转化点2 核聚变的条件与典型反应 AI解读理解核聚变的过程、反应条件及能力特点。本知识点用于解释太阳能量来源及氢弹原理。常见情境为比较聚变与裂变的优势:单位质量释放能量更大、原料丰富、产物污染小。 4.(多选)下列关于核聚变的说法正确的是(　 　) A.要使核聚变发生,必须克服库仑斥力做功 B.轻核聚变需要温度达到几百万开尔文,因此轻核聚变又叫热核反应 C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温,所以氢弹利用原子弹引发热核反应 D.太阳和许多其他恒星内部都在激烈地进行着热核反应,在地球内部也可以自发地进行 ABC 解析 轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15 m,所以必须克服库仑斥力做功,故A正确;原子核必须有足够的动能,才能使它们接近到核力能发生作用的范围,实验证实,原子核必须处在几百万开尔文的高温下才有这样的能量,这样高的温度能够通过原子弹爆炸获得,故B、C正确;在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应,但在地球内部不会自发地进行,故D错误。 5.关于太阳上进行的核聚变,下列说法正确的是(　　) A.核聚变需要在高温下进行 B.核聚变中电荷不守恒 C.太阳的质量不变 D.太阳上进行的核反应为n→BaKr+n A 解析 因为高温时原子核的热运动剧烈,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,发生聚变,故聚变反应也叫热核反应,需要在高温下进行,A正确;由于核反应过程遵循质量数守恒以及电荷数守恒,因此核聚变中电荷数是守恒的,即电荷也是守恒的,B错误;轻核聚变释放出巨大的能量,由爱因斯坦质能方程可知核聚变存在质量亏损,所以太阳进行核聚变时,其质量减小,C错误;太阳上进行的是核聚变,而 n BaKr+n是重核的裂变反应,D错误。 基础转化点3 计算核裂变与核聚变释放的能量 AI解读依据质能方程ΔE=Δm·c2,先计算反应前后总质量差(原子质量可查表),再换算为能量。常用换算:1 u相当于931.5 MeV的能量。若已知比结合能曲线,也可用反应前后比结合能差值乘以核子数计算。本知识点是定量求解核能的核心方法。常见情境为计算铀235裂变或氘、氚聚变释放的能量,并比较单位质量释放能量的大小。 6.某核电站获得核能的核反应方程为U+ BaKr+n,已知铀核的质量为m1,钡核的质量为m2,氪核的质量为m3,中子的质量为m4,真空中光速为c,下列说法正确的是(　　) A.该核电站通过核聚变获得核能 B.铀核的质子数为143 C.在上述核反应中x=2 D.一个铀核发生上述核反应,释放的能量为(m1-m2-m3-2m4)c2 D 解析 该核电站通过核裂变获得核能,A错误;铀核的质子数为92,B错误;根据核反应过程满足质量数守恒可得235+1=144+89+x,解得x=3,C错误;一个铀核发生上述核反应,释放的能量为ΔE=Δmc2=(m1-m2-m3-2m4)c2,D正确。 7.太阳就是一个巨大的热核反应堆,氢核聚变成氦核的反应不停地进行着,不断地放出能量。太阳的总输出功率约为3.8×1026 W,太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。已知光速为3×108 m/s,估算太阳每秒失去质量的数量级为(　　) A.106 kg B.109 kg C.1012 kg D.1015 kg B 解析 由质能方程E=mc2,结合功率公式P=,可得m= kg=4.2×109 kg,B正确。 重难探究·能力素养全提升 命题角度 重核裂变与轻核聚变的比较 1.核反应堆的主要组成 部件名称 铀棒 慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层 采用的 材料 浓缩 铀235 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 镉 水或液态钠 很厚的水泥 外壳 作用 核 燃料 降低中子速度,便于铀235吸收 吸收中子,控制反应速度 把反应堆内的热量传输出去 屏蔽射线,防止放射性污染 2.重核裂变与轻核聚变的区别 比较项 重核裂变 轻核聚变 放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核,放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核,放出核能 产能效率 平均每个核子释放约1 MeV能量,产能效率较低 平均每个核子释放约3~4 MeV能量,产能效率较高 原料的 蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限,尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7% 主要原料是氘和氚,氘和氚在地球上的储量非常丰富 比较项 重核裂变 轻核聚变 可控性 反应速度比较容易进行人工控制,现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前,除氢弹以外,人们还不能控制轻核聚变 核废料 处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多 例题1原子核的链式反应可以在人工控制下进行。当前普遍使用的“慢中子”核反应堆的示意图如图所示,铀棒是核燃料,其中一种反应方程为n→Ba+Y+n,已知该反应过程中释放的能量为ΔE,下列说法正确的是(　　) AU的比结合能为 BU捕获中子发生裂变,故U比Ba更稳定 C.新核Y含有89个核子 D.镉棒的作用是使快中子变成慢中子 C 解析 比结合能为结合能与核子总数的比值,ΔE不是结合能,则U的比结合能不是,故A错误;核裂变反应中,重核U)分裂成较轻的核Ba),释放能量,且通常较轻的核比重核更稳定,这是因为重核核子的比结合能较低,而轻核的核子的比结合能较高,即Ba比U更稳定,故B错误;核反应中质量数守恒,故新核Y的质量数为235+1-144-3×1=89,质量数为质子数和中子数的总和,即核子总数,故C正确;在核反应堆中,镉棒通常用作控制棒,镉具有很高的中子吸收截面,能够吸收中子,即镉棒的作用是吸收中子,而不是将快中子变成慢中子,故D错误。 例题2“中国环流三号”是我国自主研制的可控核聚变大科学装置,其能量产生原理与太阳发光发热相似,因此被称为新一代“人造太阳”。“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。已知氘H)核的质量为2.013 6 u,中子的质量为1.008 7 uHe核的质量为3.015 0 u①。两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成He并放出一个中子②,已知1 u相当于931.5 MeV的能量,除了计算质量亏损外He核的质量可以认为是中子的3倍。  (1)写出该核反应方程。 (2)这两个氘核发生核反应释放的核能为多少?(结果保留三位有效数字) (3)若两个氘核以相同的动能Ek=0.35 MeV正碰而发生核聚变,同时释放出一对向相反方向运动的光子,每个光子的能量为0.5 MeV③,求生成的He核的动能。(结果保留两位有效数字)  答案 (1H Hen (2)3.26 MeV (3)0.74 MeV 解析 (1)核反应过程满足质量数和电荷数守恒,该核反应方程为 H Hen。 (2)该核反应的质量亏损Δm=(2×2.013 6-1.008 7-3.015 0) u=0.003 5 u 该核反应释放的核能ΔE=0.003 5×931.5 MeV=3.26 MeV。 (3)两个氘核正碰而发生核聚变的过程,满足动量守恒,设中子的质量为m,速度大小为v1He核的质量为3m,速度大小为v2,一个光子能量E0=0.5 MeV 由于碰撞前的总动量为零,则有mv1=3mv2 根据能量守恒定律得×3m=ΔE+2Ek-2E0=2.96 MeV 联立解得生成的He核的动能为×3m=0.74 MeV。 【教你析题】 读取题干 获取信息 ① 反应物和生成物的质量 ② 反应物和生成物 ③ 碰撞前的动能和碰撞后辐射光子的能量 【教你破题】 学以致用·随堂检测全达标 1 2 3 1.(核反应堆)(多选)日本福岛第一核电站在地震后,数秒内就将控制棒插入核反应堆芯,终止了铀的裂变链式反应。但海啸摧毁了机组的冷却系统,因核裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量,核燃料棒温度不断上升,对周边环境产生了巨大的危害。下列说法正确的是(　　 ) A.控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制 B.控制棒插入核反应堆芯后,被吸收的中子数量变多 C.核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大 D.核泄漏中放射性物质对人类是有害的 ABD 4 1 2 3 4 解析 控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制,A、B正确;泄漏中放射性物质对周边环境产生了巨大的危害,D正确;因为是核裂变反应且有能量释放,可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小,C错误。 1 2 3 B 2.(核裂变和核聚变)2026年距离我国第一颗原子弹爆炸成功已经六十二周年,“两弹一星”精神,激励和鼓舞了几代人,是中华民族的宝贵精神财富。下列关于氢弹和原子弹的说法正确的是(　　) A.氢弹是利用大量氢气快速燃烧产生的爆炸 B.氢弹爆炸时发生的核聚变必须在高温下才能进行 C.原子弹的能量来源和太阳的能量来源相同 D.原子弹的单个铀块可以制成任意大小的体积 4 1 2 3 解析 氢弹的能量来源于核聚变反应,而非氢气燃烧(化学能),必须在高温下进行,故A错误,B正确;原子弹的燃料是铀核裂变,与太阳的能量(来自核聚变)来源不同,故C错误;铀核裂变存在临界体积,不能任意缩小体积,故D错误。 4 1 2 3 C 3.(核裂变)黄旭华是中国第一代核动力潜艇研制创始人之一,为我国核力量实现从无到有的历史性跨越做出了卓越的贡献,他曾说:“自主创新是我们攀登世界科技高峰的必由之路。”潜艇的核反应堆的某种核反应方程为U+ XeX+n,下列说法正确的是(　　) A.原子核X有38个质子,90个中子 B.该核反应发生前、后原子核的总质量保持不变 CU的比结合能小于Xe的比结合能 DU的核子数比Xe的核子数多,核力使U结合的比Xe更稳定 4 1 2 3 解析 根据核反应方程满足质量数和电荷数守恒可知,原子核X的质量数为90,电荷数为38,则原子核X有38个质子,52个中子,故A错误;核裂变过程释放能量,所以存在质量亏损,则该核反应发生前原子核的总质量大于发生后原子核的总质量,故B错误;核裂变过程释放能量,反应后的原子核比反应前的原子核更稳定,原子核的比结合能越大,原子核越稳定,则U的比结合能小于Xe的比结合能Xe比U更稳定,故C正确,D错误。 4 1 2 3 AC 4.(核聚变)(多选)(2025福建卷)核反应可放出巨大的能量,核反应方程为H+H→Hen+17.6 MeV,真空中两个动量大小相等、方向相反的氘核与氚核相撞,发生核反应,设反应释放的能量几乎全部转变为He与n的动能,原粒子动能忽略不计,则(　　) A.该反应有质量亏损 B.该反应为核裂变 Cn最终的动能约为14 MeV DHe最终的动能约为14 MeV 4 1 2 3 4 解析 核反应中有能量释放,所以存在质量亏损,A正确;该核反应为核聚变,B错误;由于氘核和氚核相撞之前,两个粒子动量等大反向,则由氘核和氚核组成的系统总动量为零,反应后氦核和中子动量也应等大反向,由p2=2mEk可知EkHe∶Ekn=mn∶mHe=1∶4,由题意可知EkHe+Ekn=17.6 MeV,则Ekn=×17.6 MeV=14.08 MeV,EkHe=×17.6 MeV=3.52 MeV,C正确,D错误。 $