高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 核裂变与核聚变图文课件ppt

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 核裂变与核聚变图文课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了课前•自主预习，链式反应，临界体积，中子源，反应堆，吸收中子，水泥层，放射性，质量较大，－15m等内容，欢迎下载使用。
　　　　　核裂变1．重核的裂变(1)核裂变：用________轰击铀核，铀核分裂成质量_______的两部分，并释放出能量的核反应过程叫作核裂变．(2)裂变能：核裂变________出的能量称为裂变能，也称核能或原子能．核裂变是释放核能的方法之一．(3)铀核裂变的产物多种多样，其中有代表性的有：
原子核释放粒子的过程也是核裂变的过程吗？核裂变的条件是什么？【答案】原子核释放粒子的过程不是核裂变的过程．核裂变的条件是发生链式反应．
　　　　　(多选)1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线．下列关于这个实验的说法中正确的是(　　)B．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和C．实验中产生的γ射线穿透能力极强D．这个反应中释放出的能量可以用爱因斯坦的质能方程来计算【答案】ACD
　　　　　核电站1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是_________，它主要由以下几部分组成：(1)燃料：________．(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用________、重水或普通水作慢化剂．(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法调节中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉__________的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．
2．工作原理：核燃料________释放能量，使反应区温度升高．3．能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外______ _______，用于发电．4．核污染的处理：在反应堆的外面需要修建很厚的________，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的________，需要装入特制的容器，深埋地下．
核反应堆可以人工控制核反应速度吗？减速剂的作用是使快中子减速变成慢中子吗？【答案】核反应堆可以人工控制核反应速度．减速剂的作用是使快中子减速变成慢中子，从而使更多的铀核产生链式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率．
　　　　　(多选)请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是(　　)A．核能发电对环境的污染比火力发电要小B．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能C．所有核电站既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能D．如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理更简单，对环境污染更小【答案】ABD
【解析】目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核能是比较清洁的能源，故A、B正确，C错误；如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理起来比铀核裂变废料更容易，对环境污染也更小，D正确．
　　　　　核聚变与受控热核反应1．核聚变(1)定义：两个轻核结合成__________的核，并释放出________的反应．
(3)条件：①轻核的距离要达到__________以内．②需要加热到很高的________，因此又叫____________．
(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是________，需要用_________爆炸产生的高温高压引发核爆炸．(5)太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.5×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部_________释放的核能．
2．受控热核反应(1)聚变的优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上聚变燃料的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁，控制温度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理．(2)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温．
(3)控制方法．①磁约束：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_________．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________从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应．
轻核发生聚变反应需要什么条件？太阳中发生的是可控热核聚变反应吗？【答案】轻核发生聚变反应需要高温．太阳中发生的是不能实现人工控制的轻核聚变．
　　　　　(2023年徐州期末)如图所示为氘核与氚核的核聚变示意图．下列说法正确的是(　　)A．目前核电站主要利用核聚变来发电B．与轻核聚变相比，重核裂变更安全、更清洁
C．要使氘核与氚核接近到可以聚变的距离，需要给它们提供足够的动能D．要使核聚变持续发生，需要外界持续不断的提供能量【答案】C
【解析】目前我国核电站还主要是利用重核裂变释放的能量来发电，A错误；轻核聚变与重核裂变相比，聚变更为安全、清洁，废物数量少，B错误；要使氘核与氚核接近到可以聚变的距离，需要给它们提供足够的动能，C正确；核聚变一旦发生，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，D错误．
1．铀核的裂变和裂变方程(1)核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状．
(2)核子分裂：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2或3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能．(3)常见的裂变方程：
2．链式反应的条件(1)有慢中子轰击．(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量．以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足．3．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2 800 t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．
对重核裂变的理解例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．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
【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即发生核反应，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．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积．如果体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会发生．
变式1　(多选)(2023年日照期末检测)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(　　)
(1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零．试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；(2)已知铀(U)核的质量为235.049 3 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u．又知1 u＝1.660 6×10－27 kg，试计算一个铀核裂变释放的能量．
解：(1)根据电荷数和质量数守恒，可得Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－143－3×1＝90．(2)方法一：质量亏损Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.217 4 u．一个铀核裂变释放能量ΔE＝Δm×931.5 MeV＝0.217 4×931.5 MeV≈202.5 MeV．方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.217 4 u＝0.217 4× 1.660 6×10－27 kg≈3.6×10－28 kg，ΔE＝Δmc2＝3.6×10－28×(3×108)2 J＝3.24×10－11 J．
　　　　　重核裂变中核能的计算方法解答这类问题，一般是先根据核反应方程求出一个重核裂变时发生的质量亏损，由质能方程计算出释放的能量，然后用阿伏加德罗常数把核能与重核质量联系起来．另外，在计算过程中要注意单位的统一．
1．核反应堆的组成核反应堆由堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分组成．其中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．之所以把它叫作“堆”，是因为世界上第一个核反应堆是由石墨块(用以控制反应速度)和金属铀块(反应燃料)一层一层交替地“堆”起来而构成的．
2．核反应堆与原子弹爆炸的比较原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆(核电站的核心设施)．核反应堆是人工控制链式反应的装置．3．核电站发电的主要原理核燃料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．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和火力发电相同．
对原子核反应堆的理解例3　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
【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．
变式3　(多选)如图是核电站工作流程图，关于核能，下列说法正确的是(　　)
A．核反应堆可以把核能直接转化为电能B．核反应堆利用的是原子核衰变过程产生的能量C．核反应生成物的比结合能大于反应物的比结合能D．水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线【答案】CD【解析】核反应堆把核能转化为内能，再转化为电能，A错误；核反应堆利用的是核裂变过程产生的能量，B错误；核反应堆中发生核反应要放出热量，则核反应生成物的比结合能大于反应物的比结合能，C正确；水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线，D正确．
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．
5．重核裂变与轻核聚变的区别
对核聚变的理解例4　(多选)下列说法正确的是(　　)A．聚变反应中有质量亏损，所以必向外界放出能量B．要使轻核发生聚变反应，必须使核之间的距离接近到1×10－15 m，也就是接近到核力能够发生作用的范围内C．要使核发生聚变反应，必须克服核力做功D．热核反应只有在人工控制下才能发生【答案】AB
【解析】由质能方程可知，A正确；轻核结合成质量较大的核，必须使轻核间的距离达到核力能发生作用的范围，才能使它们紧密地结合起来，B正确、C错误；热核反应必须在很高的温度下才能发生，不一定要人工控制，D错误．
变式4　(2023年宁波检测)2023年4月12日我国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置——东方超环(EAST)创造了新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，对探索未来的聚变堆前沿物理问题，提升核聚变能源经济性、可行性，加快实现聚变发电具有重要意义，下列说法正确的是(　　)
A．目前人类只能通过裂变利用核能B．核反应只有裂变与聚变两种，α衰变也属于裂变C．地球上核聚变燃料氘储量丰富，氚则需要制取D．聚变反应中带正电的2H与3H结合过程中需通过高温克服核子间的强相互作用【答案】C
【解析】目前人类可以通过裂变和聚变利用核能，A错误；核反应有裂变、聚变、衰变和人工转变四种，α衰变属于衰变，B错误；地球上核聚变燃料氘储量丰富，氚则需要制取，C正确；聚变反应中带正电的2H与3H结合过程需通过高温克服核子间的强大的库仑斥力作用，D错误．
　　　　　对轻核聚变理解的两个误区1．误认为聚变就是裂变的逆反应．产生这种误区的原因是对聚变和裂变的本质没有理解透彻，裂变时重核分裂成中等核，而聚变是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应．
2．不能正确判断聚变、裂变、衰变及人工转变的方程．这是由对以上核反应方程的理解不深刻造成的．这四种方程在形式上很相近，因此判断时容易混淆出错，要想正确判断必须抓住它们的实质：核聚变是轻核结合成质量较大的核，也会放出中子；重核裂变时铀核捕获中子裂变为两个或更多个中等质量的核，并放出几个中子；人工转变常用α粒子或中子去轰击原子核，产生新原子核并放出一个或几个粒子；衰变是原子核自发地转变为另一种核，并向外辐射出α粒子或β粒子的反应，衰变根据向外辐射粒子的不同分为α衰变和β衰变两种．
聚变中核能的计算例5　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？
(2)质量亏损Δm＝mH＋2mn－m＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018)u＝0.006 7 u．释放的核能ΔE＝Δmc2＝0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV．
所以该反应释放出的能量为ΔE＝Δm·c2＝17.6 MeV．
1．核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据．2．核能的计算关键是求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算．
1．(多选)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．中子从铀块中通过时，但不一定发生链式反应C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小D．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】BD
【解析】根据重核发生裂变的条件和裂变释放核能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程．释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生．在裂变反应中质量数、电荷数均守恒；即核子数守恒，所以核子数是不会减小的，A、C错误，B正确；重核裂变为中等质量的原子核时，发生质量亏损，从而释放出核能，D正确．
2．(2023年东莞期末)下列四个核反应方程中，属于链式反应的是(　　)
3．为使链式反应平稳进行，可采用下列办法中的(　　)A．铀块体积尽量制得小些B．通过慢化剂将产生的中子减速C．用镉棒作为慢化剂使中子减速D．铀核裂变释放的中子直接去轰击另外的铀核【答案】B
【解析】小于临界体积的铀块不可能发生链式反应，且即使大于临界条件，核反应进行的快慢和体积无关，A错误；通过慢化剂将产生的中子减速，可以减小链式反应产生的快中子数量，即可进一步减慢链式反应，B正确；裂变核反应堆中，通常用慢化剂，比如重水等让快中子减速，而镉棒是用于控制中子数量的，C错误；裂变后释放的中子为快中子，不能直接用来轰击铀核，必须用慢化剂减速，D错误．
(1)这个核反应称为________．(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文．式中17.6 MeV是核反应中________(填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(填“增加”或“减少”)了______kg(保留1位有效数字)．【答案】(1)核聚变　(2)放出　减少　3×10－29