高中人教版 (2019)4 核裂变与核聚变导学案及答案

第4、5节核裂变与核聚变、“基本”粒子

自主学习·必备知识

见学用170页

教材研习

教材原句

要点一链式反应

由重核裂变产生的中子①使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。通常把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②。

要点二核聚变

两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变③。

要点三反粒子

存在着这样一类粒子，它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反，这些粒子叫作反粒子④。

自主思考

①为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子去轰击铀核，这种说法对吗？

答案：提示不对，铀235俘获慢中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的几率小，因此不能直接使用快中子。

②为什么说铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去？

答案：提示铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。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碰不到铀核跑到外面去，链式反应不能继续。

③要使轻核发生聚变反应，必须使核子间的距离达到以内，核力才能起作用；同时由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大，因而需要核子有很大的动能才能“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聚变呢？

答案：提示轻核聚变需要的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。所以使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温，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。

④随着量子物理学的兴起，越来越多的研究深入到微观世界，让人类有了一个全新的研究方向，比如说“反氢原子”就是其中之一，它也遵循着量子效应，同时也是反物质的一种重要组成形式。请推测反氢原子的结构？

答案：提示“反氢原子”应该与氢原子具有相同的质量，相反的电荷符号，相等的电荷量，所以反氢原子是核和构成的。

名师点睛

1.核裂变的理解

（1）核裂变：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程。

（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。

（3）链式反应的条件：铀块的体积大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量；有足够数量的慢中子。

2.核聚变的理解

（1）核聚变：两个轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为核聚变，又称为热核反应。

（2）典型核聚变方程：。

（3）核聚变发生的条件：使轻核具有足够的动能。

互动探究·关键能力

见学用170页

探究点一核裂变及链式反应

情境探究

1.观察铀核裂变示意图

（1）铀核裂变是如何发生的？

（2）只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？

（3）铀核裂变在自然界中能自发进行吗？

（4）重核裂变为什么能释放核能？

答案：提示（1）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。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，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应。

（2）铀块体积应大于或等于临界体积才能发生链式反应。

（3）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。

（4）中等质量的原子核的核子的平均质量较小，重核和轻核的核子的平均质量较大。如果原子序数较大的重核分裂成原子序数小一些的两个核，会有质量亏损，放出巨大的核能。

探究归纳

1.重核裂变的理解

（1）重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，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，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解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。

（3）铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应。

2.常见的裂变方程

（1）

（2）

探究应用

例铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是(      )

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

答案：

解析：要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量，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，由此知、、三项错误，项正确。

迁移应用

1.（2021四川泸州泸县五中高三开学考试）一个原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为，则下列叙述正确的是(      )

A.原子核中含有86个中子

B.原子核中含有141个核子

C.因为裂变时释放能量，根据，所以裂变后的总质量数增加

D.因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少

答案：

解析：根据电荷数守恒、质量数守恒知，的质量数为140，电荷数为54，则中子数为86，核子数为140，故项正确，项错误；在裂变的过程中，有能量释放，根据爱因斯坦质能方程知，裂变后的总质量小于反应前的质量，但是质量数守恒，故、两项错误。

探究点二核电站与核反应堆

情境探究

1.如图所示为核反应堆示意图：

（1）铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？如何控制裂变反应的激烈程度？

（2）核电站发电有什么优点？

答案：提示（1）慢中子。当反应过于激烈时，使镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，反之，应使镉棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会快一些。

（2）核电站发电的优点有：消耗的核燃料少；作为核燃料的铀、钍等在地球上可采，储量大；对环境的污染要比火力发电小。

探究归纳

1.核电站的主要组成及其作用

核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件如表：

2.反应堆工作原理

（1）热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀（铀235的含量占）制成，石墨（重水）为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围。

（2）控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒。采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。

（3）冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把热量传输出去，用于发电。

（4）保护层：发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。

探究应用

例（2021山东济南外国语中学高三月考）如图为普通使用的“慢中子”核反应堆的示意图，铀棒是核燃料，一种典型的铀核裂变方程，用重水作慢化剂可使快中子减速，假设中子与重水中的氘核每次碰撞均为弹性正碰，而且认为碰撞前氘核是静止的，氘核的质量是中子质量的两倍，则下列说法不正确的(      )

A.钡核的比结合能比铀核的大

B.若碰撞前中子的动能为，经过一次弹性碰撞后中子动能变成

C.镉棒插入深一些可增大链式反应的速度

D.水泥防护层可用来屏蔽裂变产物放出的射线

答案：

解析：该核反应的过程中释放大量的能量，结合爱因斯坦质能方程可知，钡核的比结合能比铀核的比结合能大，故项正确，不符合题意；取碰撞前中子的速度方向为正方向，根据动量守恒定律有，依据能量守恒定律有，解得，故碰撞后中子的动能为，故项正确，不符合题意；要使裂变反应更剧烈一些，应使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会快一些，故项错误，符合题意；水泥防护层作用是屏蔽裂变产物放出的射线，故项正确，不符合题意。

迁移应用

1.（多选）（2021浙江宁波慈溪高三月考）据悉我国第四代反应堆—钍基熔盐堆能源系统研究已获重要突破。该反应堆以钍为核燃料，钍俘获一个中子后经过若干次衰变转化成铀；铀的一种典型裂变产物是钡和氟，同时释放巨大能量。下列说法正确的是(      )

A.为减小核反应速度，还要插一些镉棒，用来吸收掉一部分中子

B.铀核裂变的核反应方程为

C.放射性元素衰变的快慢与原子所处的化学状态和外部条件无关，与核外电子的分布状态有关

D.重核分裂成中等大小的核，核子的比结合能减小

答案： ;

解析：核反应堆中，镉棒的作用是通过吸收一部分中子来控制核反应速度的，故项正确；根据质量数守恒与电荷数守恒可知，铀核裂变的核反应方程为，故项正确；原子核的半衰期由核内部自身因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件无关，故项错误；重核裂变的过程中释放能量，所以重核分裂成中等大小的核，核子的比结合能增大，故项错误。

探究点三核聚变

情境探究

1.阅读教材“核聚变”内容，回答以下问题。

（1）目前人们实现的核聚变是什么？

（2）实现热核反应存在的困难是什么？可能实现对热核反应的控制的方法是什么？

答案：提示（1）目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸，是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，但这是不可控制的。

（2）实现热核反应存在的困难是：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温。可能实现对热核反应的控制方法：一是磁约束：利用磁场来约束参与反应的物质，环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。二是惯性约束：利用强激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应。

探究归纳

1.核聚变的特点

（1）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。

（2）在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放出更多的能量。

（3）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。

（4）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。

2.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爆炸。

（2）可控热核反应：目前处于探索阶段。

3.重核裂变与轻核聚变的比较

探究应用

例（2021北京昌平高三期末）2020年12月4日，新一代“人造太阳”核聚变实验装置——中国环流器二号（如图所示）在四川成都建成并实现首次放电。这标志着我国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术，为我国核聚变堆的自主设计与建造打下坚实基础。它是一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器装置，容器外面缠绕着两组线圈（如图所示）。通电时，托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场，将亿摄氏度高温的等离子体约束在环形真空室内，以达到核聚变的目的。下列说法正确的是(      )

A. 核能不属于清洁能源

B. 托卡马克内部核反应可能是

C. 线圈1产生水平方向的环形磁场

D. 螺旋形磁场可以约束运动方向不同的带电粒子

答案：

解析：核能也属于清洁能源，不会对大气环境造成污染，故项错误；由题意可知，托卡马克内部核反应为核聚变，是核裂变，故项错误；线圈1在水平面内，由右手螺旋定则可知，其产生竖直方向的环形磁场，故项错误；根据左手定则可知，当磁场方向变化，则洛伦兹力方向变化，即螺旋形磁场可以约束运动方向不同的带电粒子，故项正确。

迁移应用

1.（多选）下列关于聚变的说法中正确的是(      )

A. 要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功

B. 轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反应

C. 原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应

D. 自然界中不存在天然的热核反应

答案： ; ;

解析：轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到以内，所以必须克服库仑斥力做功，选项正确；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摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故选项、正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，选项错误。

探究点四 “基本”粒子

知识深化

1.新粒子的发现及特点

2.粒子的分类

题组过关

1.关于粒子，下列说法正确的是(      )

A.质子的反粒子的电荷量与质子相同，但带的是负电荷

B.强子都是带电的粒子

C.目前发现的轻子只有8种

D.光子属于轻子

答案：

解析：有的强子带电，有的强子不带电，项错误；目前发现的轻子只有6种，项错误；光子属于规范玻色子，项错误。

2.20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研究中，陆续发现了一些新的粒子，介子和介子就是科学家在1947年发现的。介子的衰变方程为，其中介子和介子带负电，电荷量等于元电荷，介子不带电。如图所示，一个介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为图中的圆弧虚线，介子衰变后，介子和介子的轨迹可能是(      )

A.B.C.D.

答案：

解析：介子不带电，在磁场中不偏转。介子、介子带负电，在磁场中洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，根据左手定则及动量守恒可判定轨迹。