新高中物理 第十九章 原子核 678 核裂变核聚变粒子和宇宙导学案 新人教版选修35Word格式文档下载.docx

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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U＋n→Ba＋Kr＋3n.

3．链式反应

由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应．

4．链式反应的条件

（1）铀块的体积大于临界体积或铀块的质量大于临界质量．

（2）有足够数量的慢中子．

二、核电站

1．核电站是利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成：

（1）燃料：

铀棒．

（2）慢化剂：

铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水作慢化剂；

（3）控制棒：

采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子的能力很强的特性，控制链式反应的速度．

2．工作原理

核燃料裂变释放能量，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循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却．

4．核污染的处理

在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线．核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下．

三、裂变过程中核能的分析与计算

重核裂变为什么能释放核能？

人们获得核能的途径有哪些？

通过图1说明．

图1

答案　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A分裂成原子序数小一些的核B和C，会有质量亏损，放出巨大的核能．

获得核能的主要途径：

一是重核裂变，二是轻核聚变．

铀核裂变释放核能的计算

1．首先算出裂变反应中的质量亏损Δm.

2．根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能

计算时要注意Δm与ΔE单位的对应关系：

若Δm用kg做单位，则ΔE用J做单位；

若Δm用u做单位，则ΔE用MeV做单位，1u相当于931.5MeV的能量．

3．若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核（设为n），则铀块裂变释放的核能E＝nΔE.

四、轻核聚变

1．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．聚变反应又称为热核反应．

2．聚变方程

H＋H→He＋n＋17.6MeV.

3．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10－15m，这要克服电荷间强大的库仑斥力作用，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，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文以上的高温．

4．重核裂变与轻核聚变的区别

　　反应方式

比较项目　　

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

燃料储量情况

聚变燃料储量丰富

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

五、粒子

1．“基本粒子”不基本

直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来人们发现了光子、电子、质子、中子，并把它们叫做“基本粒子”．

2．发现新粒子

1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等．

3．夸克模型

1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．

一、对重核裂变的理解及核能的计算

例1　关于重核的裂变，下列说法正确的是（　　）

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的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少

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

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．因而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，中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则链式反应就不会发生．在裂变反应中核子数是不会减少的，如U裂变为Sr和Xe的核反应，其核反应方程为：

U＋n→Sr＋Xe＋10n

查阅相关资料可得其中各粒子质量分别为

mU＝235.0439u，mn＝1.00867u

mSr＝89.9077u，mXe＝135.9072u

质量亏损为Δm＝（mU＋mn）－（mSr＋mXe＋10mn）≈0.1510u

可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此选项A、B、C错误．重核裂变为中等质量的原子核时，由于核子平均质量减小，发生质量亏损，从而释放出核能．

综上所述，选项D正确．

答案　D

例2　用中子轰击铀核（92U），其中的一个可能反应是分裂成钡（56Ba）和氪（Kr）两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：

mU＝390.3139×

10－27kg，mn＝1.6749×

10－27kg；

mBa＝234.0016×

10－27kg，mKr＝152.6047×

10－27kg.

试写出核反应方程，求出反应中释放的核能．

解析　根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒就可以写出核反应方程．

铀核裂变方程为n＋92U→56Ba＋Kr＋3n，

根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能．

则核反应前后的质量亏损为

Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.3578×

ΔE＝Δmc2＝0.3578×

10－27×

（3×

108）2J

＝3.2202×

10－11J.

答案　n＋92U→56Ba＋Kr＋3n　3.2202×

10－11J

二、对轻核聚变的理解及核能计算

例3　据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置（又称“人造太阳”）已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是（　　）

A．“人造太阳”的核反应方程是H＋H→He＋n

B．“人造太阳”的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n

C．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多

D．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同

解析　H＋H→He＋n是氢核聚变方程，故A项正确；

根据氢核聚变特点，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确．

答案　AC

例4　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．（已知质子质量为mH＝1.0073u，氦核质量为mHe＝4.0015u，电子质量为me＝0.00055u）

（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×

1026J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？

解析　

（1）由题意可得核反应方程应为

4H→He＋2e.

（2）反应前的质量m1＝4mH＝4×

1.0073u＝4.0292u，反应后的质量m2＝mHe＋2me＝4.0015u＋2×

0.00055u＝

4．0026u，Δm＝m1－m2＝0.0266u，由质能方程得，释放能量ΔE＝Δmc2＝0.0266×

931.5MeV≈24.78MeV.

（3）由质能方程ΔE＝Δmc2得太阳每秒减少的质量

Δm＝＝kg≈4.22×

109kg.

答案　

（1）4H→He＋2e　

（2）24.78MeV

（3）4.22×

109kg

重核的裂变核聚变

1．（对重核裂变的理解）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．铀核裂变时还能同时释放数目不等的中子

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

答案　BC

解析　铀核受到中子的冲击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况比较多，也有的分裂成多块，并放出数目不等的中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1MeV以上的中子时才能引起裂变，且裂变的几率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故B、C正确．

2．（一种重核裂变的核能计算）一个铀235吸收一个中子后发生的一种核反应方程是23592U＋n→13654Xe＋Sr＋10n，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

答案　C

解析　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E＝Δmc2＝（M－9m－m1－m2）c2.

3．（对轻核聚变的理解）某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为H＋C→N＋Q1，H＋N→C＋X＋Q2.

方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：

原子核

H

He

C

N

质量

/u

1.0078

3.0160

4.0026

12.0000

13.0057

15.0001

以下推断正确的是（　　）

A．X是He，Q2＞Q1B．X是He，Q2＞Q1

C．X是He，Q2＜Q1D．X是He，Q2＜Q1

答案　B

解析　由核反应过程必须遵守的质量数守恒和电荷数守恒知X是He.放出热量分别为Q1和Q2的两个核反应中质量亏损分别为0.0021u和0.0053u，故Q2＞Q1.

4．（对轻核聚变的核能计算）一个氘核（H）和一个氚核（H）结合成一个氦核（He），同时放出一个中子，已知氘核质量为m1＝2.0141u，氚核质量为m2＝3.0160u，氦核质量为m3＝4.0026u，中子质量为m4＝1.008665u，求：

（1）写出聚变的核反应方程；

（2）此反应过程中释放的能量为多少？

平均每个核子释放出多少核能？

答案　

（1）H＋H→He＋n

（2）17.5MeV　3.5MeV

解析