选择性必修 第三册第五章 原子与原子核第五节 裂变和聚变教案配套课件ppt

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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(　　)
(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，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．
【答案】A【解析】根据质量数和电荷数守恒可知，X的电荷数为1，质量数为1，故其为质子，A正确．
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)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．
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．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．
变式1　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，而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．
裂变中核能的计算例2　原子质量单位为u，1 u相当于931.5 MeV的能量，真空中光速为c，当质量分别为m1 kg和m2 kg的原子核结合成质量为M的原子核时释放出的能量是(　　)A．(M－m1－m2) u×c2B．(m1＋m2－M) u×931.5 JC．(m1＋m2－M)c2D．(m1＋m2－M)×931.5 eV
【答案】C【解析】在核能计算时，如果质量的单位是kg，则用ΔE＝Δmc2进行计算，如果质量的单位是u，则利用1 u相当于931.5 MeV的能量计算，即ΔE＝Δm×931.5 MeV，则该题释放的能量为ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－M)c2，故选C．
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，然后用阿伏伽德罗常量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．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3　(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1×10-15m，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．
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4　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？
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．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用石墨块(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．
例5　(2023年连云港检测)关于核反应堆和轻核聚变，下列说法正确的是(　　)A．只要有中子打入铀块中就会发生链式反应
B．镉棒吸收中子的能力很强，反应激烈时，将镉棒拔出一些C．普通水能使中子减速D．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10-10 m以内
【答案】C【解析】要使铀块发生链式反应，需要铀块达到临界体积，A错误；镉棒吸收中子的能力很强，反应激烈时，应将镉棒插入一些，B错误；反应堆中最常使用的慢化剂主要是石墨、重水和普通水，C正确；要使轻核发生聚变，必须使轻核接近合力发生作用的距离，需要达到10-15m以内，D错误．
变式5　(多选)关于原子核反应堆，下面说法正确的是(　　)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【答案】BD
【解析】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，B、D正确，A、C错误．
1．20世纪60年代，我国以国防为主的尖端科技取得了突破性的发展.1964年，我国第一颗原子弹试爆成功；1967年，我国第一颗氢弹试爆成功．关于原子弹和氢弹，下列说法正确的是(　　)A．原子弹和氢弹都是根据核裂变原理研制的B．原子弹和氢弹都是根据核聚变原理研制的C．原子弹是根据核裂变原理研制的，氢弹是根据核聚变原理研制的D．原子弹是根据核聚变原理研制的，氢弹是根据核裂变原理研制的
【答案】C【解析】原子弹是根据重核裂变研制的，而氢弹是根据轻核聚变研制的，C正确，A、B、D错误．
2．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块的质量无关
【答案】C【解析】要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积，但铀核的质量无论怎样，只要组成铀块的体积小于临界体积，则不会发生链式反应，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．如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确．
3．(多选)下列关于聚变的说法正确的是(　　)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】ABC
【解析】轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10-15 m，所以必须克服库仑斥力做功，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，B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误．
4．(多选)如图所示，托卡马克(Tkamak)是研究受控核聚变的一种装置，这个词是tridal(环形的)、kamera(真空室)、magnet(磁)的头两个字母以及ktushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词．根据以上信息，下述判断中可能正确的是(　　)
A．这种装置的核反应原理是轻核发生聚变，同时释放出大量的能量，和太阳发光的原理类似B．线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出C．这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同D．这种装置可以控制热核反应速度，使核聚变缓慢而稳定地进行
【答案】ABD【解析】聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，A正确；线圈通电时产生磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用不飞出，B正确；核电站的原理是裂变，托卡马克的原理是聚变，C错误；该装置使人们可以在实验中控制反应速度，平稳释放核能，D正确．
【答案】(1)核聚变　(2)放出　减少　3×10-29