高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第三册核能的利用与环境保护导学案

这是一份高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第三册核能的利用与环境保护导学案，共12页。学案主要包含了情景思辨，基础知识·准落实，核心要点·快突破，教学效果·勤检测等内容，欢迎下载使用。
知识点一 重核裂变 链式反应
1.重核裂变
（1）定义：用中子轰击重核，重核分裂成质量相近的两部分，并释放出 的核反应过程。
（2）铀核裂变中的典型核反应方程： 01n＋ 92235U 56141Ba＋ 3692Kr＋ 。
2.链式反应
（1）定义：当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出 ，放出的 再引起其他铀核 ，且能不断地增加，形成链式反应。
（2）发生条件
①有持续不断的中子。
②达到 体积。
知识点二 轻核聚变 可控热核聚变
1.轻核聚变
（1）定义：采用轻核 成较重核引起结合能变化的方式可获得核能，这样的核反应称为轻核聚变。
（2）太阳内部氢核聚变的反应方程： 12H＋ 13H ＋ 。
（3）聚变燃料的获取：氘可从 中提取，天然的氚不存在，但可通过反应 01n＋ 24He＋ 13H得到。
2.可控热核聚变
（1）轻核聚变的条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的间距达到 作用的范围。
（2）物质第四态——等离子态：高温等离子体的密度及高温必须维持一定时间才能实现聚变。
（3）约束高温等离子体的三种方式：引力约束、磁约束、 。
知识点三 核能的利用与环境保护
1.核电站
（1）核电站就是将核反应堆释放的 转化为 的发电厂。
（2）燃料：反应堆以 为燃料。
2.原子弹和氢弹
（1）原子弹是一种 、不加控制的爆炸性链式反应装置。
（2）氢弹是一种不需人工控制而实现 的反应装置。
3.核能的优势与危害
（1）优势
① 可缓解能源危机。
②核能发电比燃煤发电对环境带来的污染小。
（2）危害
①核废料具有高辐射性。
②核泄漏产生核污染。
③核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使 受到严重破坏。
【情景思辨】
（1）铀核的裂变是一种天然放射现象。（ ）
（2）铀核裂变的产物是钡和氪，且固定不变，同时放出三个中子。（ ）
（3）链式反应一旦形成无法进行人工控制。（ ）
（4）太阳发光并辐射巨大的能量，就是它的内部核聚变的结果。（ ）
（5）轻核的平均结合能大于中等质量的核的平均结合能。（ ）
（6）核能作为一种新能源，有优势，也有危害。（ ）
要点一 重核裂变和链式反应
1.裂变的解释
（1）核子受激发：当中子进入 92235U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2～3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）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。一般说来，裂变时能产生几万摄氏度的高温。
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.常见的裂变方程
（1） 92235U＋ 01n 54139Xe＋ 3895Sr＋201n。
（2） 92235U＋ 01n 56141Ba＋ 3692Kr＋301n。
4.裂变反应中核能的计算
裂变过程中质量数守恒、核电荷数守恒。由爱因斯坦质能方程得释放的核能ΔE＝Δmc2。铀的物质的量为235 g/ml，1 ml铀含6.02×1023个铀核，1 kg铀完全裂变可释放的能量，等于各个铀核所释放能量的总和。
【典例1】 随着社会经济的发展，迫切需要大量的能源。因此，核能的应用作为第三次技术革命的标志之一，受到了人们的普遍重视。
（1）核电站中要用核反应堆使重核裂变，将释放出的巨大能量转化为电能。
完成下列核反应方程式：
92235U＋ 01n 60143Nd＋（ ）（ ）Zr＋301n＋8－1 0e＋反中微子（反中微子的质量数和核电荷数均为零）。
（2）依据上述核反应计算：1 kg铀235全部裂变产生多少千焦的能量？
[已知： 92235U核的质量为235.043 9 u，中子（n）的质量为1.008 7 u，钕（Nd）核的质量为142.909 8 u，锆（Zr）核的质量为89.904 7 u，1 u＝1.660 6×10－27 kg]
尝试解答
规律总结
（1）核能计算的关键是核反应方程书写正确，并正确求出质量亏损。
（2）求1 kg铀235 裂变产生的能量，先求出一个铀235 裂变释放出的能量，再求1 kg铀235 的原子核数，这样就可以求出1 kg铀235裂变产生的能量。
1.一个铀235吸收一个中子后的核反应是 92235U＋ 01n 54136Xe＋ 3890Sr＋1001n，放出的能量为E，铀235核的质量为M，中子的质量为m，氙136核的质量为m1，锶90核的质量为m2，真空中光速为c，则释放的能量E等于（ ）
A.（M－m1－m2）c2
B.（M＋m－m1－m2）c2
C.（M－m1－m2－9m）c2
D.（m1＋m2＋9m－M）c2
2.核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电， 92235U是核电站常用的核燃料。 92235U受一个中子轰击后裂变成 56144Ba和 3689Kr两部分，并产生 个中子。要使链式反应发生，裂变物质的体积要 （选填“大于”或“小于”）它的临界体积。
要点二 核聚变
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.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。
3.聚变方程： 12H＋ 13H 24He＋ 01n＋γ。
4.轻核聚变是放能反应：从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。
5.重核裂变与轻核聚变的区别
【典例2】 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 0 u（1 u＝931 MeV/c2，结果小数点后保留两位小数）。求：
（1）写出聚变方程；
（2）释放出的核能多大；
（3）平均每个核子释放的能量是多大。
尝试解答
1.以下说法正确的是（ ）
A.聚变是裂变的逆反应
B.如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量
C.将反应物加热至数百万度高温聚变才能发生，显然聚变反应是吸收能量
D.裂变与聚变均可释放巨大能量
2.已知氘核的质量为2.013 6 u，中子的质量为1.008 7 u， 23He的质量为3.015 0 u。
（1）试写出两个氘核聚变生成 23He的核反应方程。
（2）计算上述反应中释放的核能。
（3）若两个氘核以相等的动能0.35 MeV做对心碰撞即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成 23He核和中子的动能各是多少？
要点三 核能的利用与环境保护
1.核能利用
核原料提供的能量巨大，1 kg铀释放的全部能量大约相当于2 700 t标准煤完全燃烧放出的能量。地球上的常规能源一般都无法跟核能相比。除铀外，钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富，如果能把钍利用起来，核电的发展前景将更为广阔。热核反应所需的氘更是储量丰富，核原料的运输和储存方便。
2.核电站
（1）核反应堆能实现核能的稳定输出并转化为其他形式的能量。核电站是将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂。
（2）核电站的工作原理
将反应堆释放的核能转化为蒸汽的内能，再利用蒸汽驱动汽轮发电机组发电，实现核能向电能的转化。
（3）核电站的燃料
核电站的反应堆使用浓缩铀作为核燃料，目前一般将浓缩铀（铀235占3％～4％）制成铀棒。
3.核能的优势与危害
（1）核能优势
①核原料提供的能量巨大，是常规材料无与伦比的。
②核燃料（铀、钍等）在地球上的可采储量丰富。
③合理利用对环境的污染小。
（2）核能的危害
核能作为一种新能源，它是一把双刃剑，既有很多优势，也存在一些危害。
①核燃料使用后，核废料具有高放射性。
②核能利用的装置一旦在运行中发生事故，产生核泄漏，就会产生严重的后果。
③核武器的使用会使生态环境受到严重破坏。
【典例3】 （多选）为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，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核能
C.所有核电站既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的核能
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
尝试解答
1.（多选）核电站与火电站相比较，其优势有（ ）
A.核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量
B.就可采储量来说，地球上核燃料所能提供的能量远多于煤炭所能提供的能量
C.核电站造成的污染远小于相等发电能力的火电站
D.核电站比火电站更容易建造
2.（多选）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. 13H＋ 12H 24He＋ 01n是核聚变反应
B.13H＋ 12H 24He＋ 01n是β衰变
C. 92235U＋ 01n 56144Ba＋ 3689Kr＋301n是核裂变反应
D. 92235U＋ 01n 54140Xe＋ 3894Sr＋201n是α衰变
1.（多选）关于铀核裂变，下列说法正确的是（ ）
A.铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核
B.铀核裂变还能同时释放2～3个中子
C.为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235
D.铀块的体积对产生链式反应无影响
2.（2024·广西桂林高二期末）2023年4月12日，中国“人造太阳”实现稳态运行403 s的纪录，位列世界之首。“人造太阳”其核反应方程为 12H＋ 13H→ 24He＋X，则下列说法正确的是（ ）
A.核反应方程中的X是电子
B.核反应方程中的X是中子
C.核反应方程中的X是质子
D.该核反应为裂变核反应
3.（多选）我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了“EAST”装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1 000 s，温度超过1 亿摄氏度，这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平。合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方。核聚变的主要原料氘，在海水中含量极其丰富。已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，23He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是（ ）
A.两个氘核聚变成一个 23He所产生的另一个粒子是质子
B.两个氘核聚变成一个 23He所产生的另一个粒子是中子
C.两个氘核聚变成一个 23He所释放的核能为（2m1－m3－m4）c2
D.两个氘核聚变成一个 23He所释放的核能为（2m1－m3－m2）c2
4. 下列有关说法正确的是（ ）
A. 92238U衰变成 82206Pb的核反应方程为
92238U 82206Pb＋724He＋4－1 0e
B.92238U的平均结合能大于 82206Pb的平均结合能
C.天然放射现象中产生的α射线的速度与光速相当，穿透能力很强
D.将由放射性元素组成的化合物进行高温分解，不会改变放射性元素的半衰期
5.太阳能是由太阳内部的热核反应释放出的光能、热能及辐射能量组成。它每年辐射到地球上的能量达1 813亿吨标准煤，相当于全世界年需要能量总和的5 000倍。太阳的热核反应有很多种，其中一种是由氘核 12H和氚核 13H结合成氦核 24He。
（1）写出该核反应方程式；
（2）若反应放出17.6 MeV的能量，则核反应生成物的总质量与核反应前物质的总质量相比变化了多少？（结果保留两位有效数字）
第4、5节 核裂变和核聚变 核能的利用与环境保护
【基础知识·准落实】
知识点一
1.（1）能量 （2）301n
2.（1）2～3个中子 中子 裂变 （2）②临界
知识点二
1.（1）聚变 （2） 24He 01n （3）海洋 36Li
2.（1）核力 （3）惯性约束
知识点三
1.（1）核能 电能 （2） 92235U
2.（1）没有减速剂 （2）核聚变
3.（1）①核能发电 （2）③生态环境
情景思辨
（1）× （2）× （3）× （4）√ （5）× （6）√
【核心要点·快突破】
要点一
知识精研
【典例1】 （1）见解析 （2）8.11×1010 kJ
解析：（1）根据质量数和核电荷数守恒可知，核反应方程应为 92235U＋ 01n 60143Nd＋ 4090Zr＋301n＋8－1 0e＋反中微子。
（2）核反应前的质量m1＝235.043 9 u＋1.008 7 u＝236.052 6 u
核反应后的质量m2＝142.909 8 u＋89.904 7 u＋3×1.008 7 u＝235.840 6 u
核反应前后的质量亏损Δm＝m1－m2＝236.052 6 u－235.840 6 u＝0.212 u
根据1 u＝1.660 6×10－27 kg得Δm＝0.212×1.660 6×10－27 kg≈0.352×10－27 kg
1 kg铀235含有原子核的个数N＝1 000235×NA≈2.56×1024，故1 kg铀235裂变产生的能量ΔE＝N×Δmc2＝2.56×1024×0.352×10－27×（3×108）2 J≈8.11×1013 J＝8.11×1010 kJ。
素养训练
1.C 铀235裂变时的质量亏损Δm＝M＋m－m1－m2－10m＝M－m1－m2－9m。由质能方程可得ΔE＝Δmc2＝（M－m1－m2－9m）c2，故选项C正确。
2.3 大于
解析：由质量数和核电荷数守恒可知，核反应方程为 92235U＋ 01n 56144 Ba＋ 3689Kr＋301n，可见产生了3个中子，链式反应的一个条件是铀燃料的体积必须大于或等于临界体积。
要点二
知识精研
【典例2】 （1） 11H＋201n 13H （2）6.24 MeV
（3）2.08 MeV
解析：（1）根据核电荷数守恒、质量数守恒可知，核反应方程式为 11H＋201n 13H。
（2）该核反应中质量亏损Δm＝1.007 3 u＋2×1.008 7 u－3.018 0 u＝0.006 7 u，则释放的核能ΔE＝Δmc2＝0.006 7×931 MeV≈6.24 MeV。
（3）平均每个核子释放的能量为 6.24MeV3＝2.08 MeV。
素养训练
1.D 聚变是轻核聚合成较大质量的核，裂变是重核分裂成中等质量的核，二者无直接关系，故A错误；裂变和聚变都是放出大量的核能，故B错误，D正确；核聚变反应是热核反应，需数百万度的高温，但聚变反应一旦开始所释放的能量就远大于所吸收的能量，因此聚变反应还是释放能量的，故C错误。
2.（1） 12H＋ 12H 23He＋ 01n
（2）3.26 MeV （3）0.99 MeV 2.97 MeV
解析：（1） 12H＋ 12H 23He＋01n。
（2）核反应中质量亏损
Δm＝2.013 6 u×2－（3.015 0 u＋1.008 7 u）＝0.003 5 u释放的核能ΔE＝Δmc2＝0.003 5 ×931.5 MeV≈3.26 MeV。
（3）设 23He核和中子的质量分别为m1、m2，速度分别为v1、v2，则由动量守恒定律及能量守恒定律得
m1v1－m2v2＝0，Ek1＋Ek2＝2Ek0＋ΔE，Ek1＝p22m1，Ek2＝p22m2
解方程组可得
Ek1＝14×（2Ek0＋ΔE）＝14×（2×0.35＋3.26）MeV＝0.99 MeV
Ek2＝34×（2Ek0＋ΔE）＝34×（2×0.35＋3.26）MeV＝2.97 MeV。
要点三
知识精研
【典例3】 ABD 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，故D正确。
素养训练
1.ABC 核电站与火电站相比，相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多，地球上可采核燃料所能提供的能量远多于煤炭所能提供的能量，只要措施得当，核电站造成的污染很小，核能属于清洁能源，A、B、C正确；核电站的建造难度较大，D错误。
2.AC 12H＋ 13H 24He＋ 01n是核聚变反应，A正确，B错误；C、D选项中都是核裂变反应，C正确，D错误。
【教学效果·勤检测】
1.BC 铀核裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两个核的情况较多，也会分裂成多个核，并放出2～3个中子，A错误，B正确。铀235被中子轰击时，裂变的几率大，且可以俘获各种能量的中子引起裂变，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能发生裂变，且裂变的机率小，所以为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235，故C正确；要引起链式反应，必须使铀块的体积大于临界体积，故D错误。
2.B 根据电荷数守恒和质量数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为0，所以X为中子，A、C错误，B正确；该反应为核聚变反应，D错误。
3.BD 由核反应方程212H 23He＋01X知，X应为中子，释放的核能应为ΔE＝（2m1－m3－m2）c2，故A、C错误，B、D正确。
4.D 裂变反应要有多个中子参与，且在书写裂变反应方程时，两边的中子不能消掉，选项A错误；裂变反应要放出大量的能量，且生成的新物质更稳定，平均结合能更大，则 92238U的平均结合能小于 82206Pb的平均结合能，选项B错误；天然放射现象中产生的γ射线的速度与光速相当，穿透能力很强，选项C错误；将由放射性元素组成的化合物进行高温分解，不会改变放射性元素的半衰期，选项D正确。
5.（1） 12H＋ 13H 24He＋ 01n （2）3.1×10－29 kg
解析：（1）由质量数和核电荷数守恒可得，核反应方程为 12H＋ 13H 24He＋ 01n。
（2）根据ΔE＝Δmc2得
Δm＝ΔEc2＝17.6×106×1.6×10－199×1016 kg≈3.1×10－29 kg。核心素养目标
1.知道什么是核裂变，会计算重核裂变过程中释放的能量。
2.知道什么是链式反应。
3.了解聚变反应的特点及其条件，了解可控热核反应。
4.了解核电站的构造和基本原理。
5.通过核能的利用，思考科学技术与社会的关系
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
放能多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3～4倍
核废料处理难度
聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多