高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第三册第五节 裂变和聚变课堂教学ppt课件

第五节　裂变和聚变

[核心素养·明目标]

知识点一　核裂变与链式反应

1．原子序数：原子核中的质子数又称为原子序数．

2．核裂变：一个重核分裂成两个较轻的核时，会释放出能量，我们把这种核反应叫作核裂变．

3．核聚变：两个轻核聚合成一个较重的核时，也会释放出能量，我们把这种核反应叫作核聚变．

4．链式反应：(1)定义：为了使裂变产生的能量可以被利用，必须让一个原子核的裂变引发其他原子核发生裂变，让核裂变过程自己持续下去，源源不断地将核能释放出来，这样的核反应叫作链式反应．

典型例子：

U＋n―→Kr＋Ba＋3n

(2)条件：a.要超过临界体积

b．必须存在持续不断的中子．

　原子弹是利用铀核的链式反应制造的一种核武器．

知识点二　核聚变及受控热核反应

1．核聚变的一个典型方程：

H＋H→He＋n

2．热核反应：物质达到几百万摄氏度以上的高温时，小部分原子核就具有足够的动能，能够克服相互间的库仑斥力，在相互碰撞中接近到可以发生聚变的程度，因此，核聚变又叫作热核反应．

3．热核反应实例：在太阳和许多恒星内部都激烈地进行着热核反应．氢弹也是热核反应．

　核聚变反应产能效率高、燃料丰富且污染少，因此受控热核反应前景诱人，各国都很重视．

知识点三　核能利用

1．热中子反应堆

(1)燃料：铀棒是天然铀或浓缩铀(其中铀235的含量约为3%)

(2)慢中子：裂变产生的是速度很大的快中子，不易被铀棒吸收进一步发生反应，因而用石墨、重水等使快中子与其原子核碰撞后，能量减小，变成慢中子，或称为热中子．这种用来使中子减速的物体叫作慢化剂．

(3)用镉棒控制核反应速度，这种镉棒易吸收中子，可以改变核反应速度，被称为控制棒．

(4)核能转变为热能，被输出的热能可用于发电．

(5)在核反应堆的外面用很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线，不让它们透射出来．

(6)对放射性的废料处理：装入特制的容器中，埋入深地层．

2．应用：核电站、核动力潜艇、核动力破冰船和核动力航空母舰等．

　人类能控制裂变反应速度，不能控制聚变反应速度，因此核电站都是用裂变反应释放能量．

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)原子核释放粒子的过程也是核裂变的过程． (　　)

(2)用中子轰击重核使之分裂实现核裂变． (　　)

(3)利用不可控的快中子轰击超过临界体积的铀块产生链式反应制成原子弹．               (　　)

(4)太阳自身强大的引力把高温等离子体约束在一起，维持了其内部的热核反应的进行．               (　　)

[答案]　(1)×　(2)√　(3)√　(4)√

2．(多选)关于原子核反应堆，下面说法正确的有(　　)

A．镉棒是核燃料，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量

BD　[核燃料即为用浓缩铀制成的铀棒，铀棒裂变时释放核能；镉棒具有很强的吸收慢中子的能力，通过控制镉棒插入的深度来控制链式反应的速度，即可控制反应堆的功率；石墨的作用是使裂变产生的快中子减速成为慢中子；冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热量．则B、D正确，A、C错误．]

3．(多选)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．聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，所以聚变反应又叫热核反应

D．裂变反应速度可以实现人工控制，但却不容易控制轻核聚变反应速度

CD　[聚变是轻核聚合成次轻核，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；聚变和裂变在能量流向上也无直接关系，故B错误；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正确；现在已经能实现裂变反应速度的人工控制，但除氢弹外，还不能实现轻核聚变的人工控制，故D正确．]

考点1　核裂变与链式反应

1．裂变的解释：重核被中子轰击后，与中子复合成一个处在高激发态的同位素，这种重核的同位素要发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球形的核，核子间的距离增大，核力减小到不足以抵消质子间的库仑斥力而恢复原状，最后分裂成两部分，同时放出中子．

2．裂变过程核能的计算：U＋n→Ba＋Kr＋3n

已知m(U)＝235.043 9 u，mn＝1.008 7 u，m(Ba)＝140.913 9 u，m(Kr)＝91.897 3 u，

且1 u质量对应的能量为931.56 MeV，

裂变前：m1＝(235.043 9＋1.008 7) u＝236.052 6 u，

裂变后：m2＝(140.913 9＋91.897 3＋3×1.008 7)u＝235.837 3 u，

质量亏损：Δm＝0.215 3 u，

释放能量：ΔE＝0.215 3×931.5 MeV＝200.55 MeV.

3．重核裂变的条件

(1)要有足够浓度的铀235.

(2)要有足够数量的慢中子．

(3)铀块的体积要大于临界体积．

【典例1】　现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：U＋n→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ν.

(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)核质量为235.043 9 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，1 kg铀235大约能产生的能量是多少？

[思路点拨]　(1)核反应方程两边质量数、电荷数守恒．

(2)利用爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能．

(3)要统一使用国际制单位．

[解析]　(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)＝0.212 u，

一个铀核裂变释放能量

ΔE＝Δm×931.5 MeV，

＝0.212×931.5 MeV≈197.5 MeV，

1 kg铀核含有的原子核数为

n＝×6.02×1023个≈2.562×1024个，

1 kg铀核产生的能量

E总＝n·ΔE＝2.562×197.5×1024 MeV

≈5.06×1026MeV＝5.06×1026×106×1.6×10－19 J

≈8.1×1013 J.

方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)

＝0.212 u＝0.212×1.660 6×10－27 kg

≈3.5×10－28 kg，

ΔE＝Δmc2＝3.5×10－28×(3×108)2 J＝3.15×10－11 J，

n＝×6.02×1023个≈2.562×1024个，

E总＝nΔE＝2.562×1024×3.15×10－11 J≈8.1×1013 J.

[答案]　(1)40　90　(2)8.1×1013 J

计算重核裂变释放的核能常用方法

(1)根据爱因斯坦质能方程计算．用裂变反应中质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中的光速(c＝3×108 m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2.

(2)根据1原子质量单位u相当于931.5 MeV能量计算．用裂变反应中质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV.

(3)由核能的转化量计算．

1．下面是铀核裂变反应中的一个：U＋n→Xe＋Sr＋10n.已知铀235的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，锶90的质量为89.907 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，则此核反应中质量亏损Δm＝________u，释放的核能ΔE＝________MeV.

[解析]　质量亏损Δm＝235.043 9 u＋1.008 7 u－135.907 2 u－89.907 7 u－10×1.008 7 u＝0.150 7 u，

由ΔE＝Δmc2可求得释放的核能ΔE＝Δm×931.5 MeV＝0.150 7×931.5 MeV＝140.377 1 MeV.

[答案]　0.150 7　140.377 1

考点2　核聚变的理解

1．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．

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聚变爆炸．

(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区别

【典例2】　太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源．

(1)写出这个核反应方程；

(2)这一核反应能释放多少能量；

(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量为多少？

(mp＝1.007 3 u，mHe＝4.002 6 u，me＝0.000 55 u)

[思路点拨]　(1)核反应方程两边电荷数和质量数守恒；

(2)用ΔE＝Δmc2求能量．

[解析]　(1)核反应方程4H→He＋nX，而nX是2个正电子．因此核反应方程应为4H→He＋2e.

(2)反应前的质量

m1＝4mp＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u，

反应后的质量

m2＝mHe＋2me

＝4.002 6 u＋2×0.000 55 u＝4.003 7 u，

质量亏损Δm＝m1－m2＝0.025 5 u，

由质能方程得，释放能量

ΔE＝0.025 5×931.5 MeV＝23.753 3 MeV.

(3)由质能方程ΔE＝Δmc2得每秒减少的质量

Δm＝＝ kg≈4.2×109 kg.

[答案]　(1)4H→He＋2e　(2)23.753 3 MeV　(3)4.2×109 kg

对核反应的两个认识误区

(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，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．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；人工核转变常用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．

2．氘核和氚核可发生热核聚变而释放巨大的能量，该反应方程为H＋H→He＋X，式中X是某种粒子，已知：H、H、He和粒子X的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u＝931.5 MeV/c2，c是真空中的光速．由上述反应方程和数据可知，粒子X是________，该反应释放出的能量为________MeV(结果保留三位有效数字)．

[解析]　根据质量数守恒、电荷数守恒，不难推算粒子X是n(中子)．根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2知，该反应释放出的能量为ΔE＝(2.014 1＋3.016 1－4.002 6－1.008 7)×931.5 MeV＝17.6 MeV.

[答案]　n(中子)　17.6

考点3　重核裂变的应用

1．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．

2．核反应堆——核电站的心脏：裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理见下表：

3．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．

【典例3】　在所有能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．

(1)核反应方程式U＋n→Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为________，a＝________.以mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE是多少？

(2)有一座发电能力为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%，假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，核的质量mU＝390×10－27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的U的质量．

[思路点拨]　(1)根据核反应方程的规律配平核反应方程；

(2)要注意效率的应用．

[解析]　(1)由反应方程可知：X为n，a为3，释放的能量为ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.

(2)因电站发电效率为40%，故电站消耗U的功率为

P′＝＝ kW＝2.5×106 kW，

电站每年消耗U的能量为

W＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J，

每年消耗U的质量为

M＝ mU＝ kg＝1 105 kg.

[答案]　(1)n　3　(mU－mBa－mKr－2mn)c2　(2)1 105 kg

3．落在日本广岛上的原子弹，相当于2万吨TNT炸药放出的能量．原子弹放出的能量约8.4×1013 J，试问有多少个U原子核进行分裂？该原子弹中含U的质量最小限度为多少千克？(一个U原子核分裂时所产生的能量约为200 MeV)

[解析]　一个U原子核分裂时所产生的能量约为200 MeV＝200×106 eV＝2.0×108×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J．设共有n个U核发生裂变：n＝个≈2.6×1024个，铀的质量m＝235×10－3×kg≈1.015 kg.

[答案]　2.6×1024 个　1.015 kg

1．物理观念：核裂变、核聚变、链式反应、热核反应及相关的核反应方程．

2．科学思维：核裂变、核聚变、核电站有关能量的计算．

3．科学方法：实验法、观察法、举例法、计算法等．

1．(多选)关于重核的裂变，以下说法正确的是(　　)

A．核裂变释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量

B．铀核裂变在自然界中会自发地产生

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

AD　[根据重核发生裂变的条件和裂变释放能量的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，因而释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量；重核裂变只能发生在人为核反应中；在裂变反应中核子数是不会减少的，因此A正确，BC错误；重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，必然发生质量亏损，从而释放出核能，所以D正确．]

2．(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(　　)

A．这个实验的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n

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

ACD　[根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：U＋n→Ba＋Kr＋3n，选项A正确；铀核裂变过程中产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B错误，D正确；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项C正确．]

3．(多选)关于核能的利用，下列说法正确的是(　　)

A．核电站的反应堆将释放的核能转化为蒸汽的内能，再转化为电能

B．采用“内爆法”促使链式反应，做成的原子弹设计难度大，但材料利用率高

C．核燃料的危害主要是其具有放射性

D．太阳发光主要来自太阳内部重核裂变产生的核能

ABC　[核电站的能量转化过程为核能到内能再到电能，A正确；“内爆法”难度大，但材料利用率高，B正确；放射性对人体和环境都有危害，C正确；太阳发光主要来自太阳内部轻核聚变反应释放的能量，D错误．]

4．(多选)我国在极其困难的情况下，完成了“两弹一星”，长了中国人的志气，打破了西方的讹诈，下列核反应方程中，属于研究两弹的基本核反应方程的是(　　)

A．N＋He→O＋H

B．U＋n→Sr＋Xe＋10n

C．U→Th＋He

D．H＋H→He＋n

BD　[“两弹”指原子弹和氢弹，原子弹的核反应方程属于铀核裂变，B选项正确；氢弹的核反应方程属于轻核聚变，D选项正确．]

5．U受中子轰击时会发生裂变，产生Ba和Kr，同时放出200 MeV的能量，现要建设发电能力是50万千瓦的核电站，用铀235作为原子锅炉的燃料，假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天需要纯铀235的质量为多少(阿伏伽德罗常数取6.02×1023 mol－1)?

[解析]　每天发电的总量

E＝24×3.6×103×5×108 J＝4.32×1013 J.

要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目

n＝个＝1.35×1024 个．

则对应的质量

m＝·Mu＝×235×10－3 kg＝0.527 kg.

[答案]　0.527 kg