高中物理第5章核能与社会52裂变及其应用53聚变与受控热核反应54核能利用与社会发展沪科版35.docx

高中物理第5章核能与社会52裂变及其应用53聚变与受控热核反应54核能利用与社会发展沪科版35.docx

《高中物理第5章核能与社会52裂变及其应用53聚变与受控热核反应54核能利用与社会发展沪科版35.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理第5章核能与社会52裂变及其应用53聚变与受控热核反应54核能利用与社会发展沪科版35.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高中物理第5章核能与社会52裂变及其应用53聚变与受控热核反应54核能利用与社会发展沪科版35

学案2　裂变及其应用

学案3　聚变与受控热核反应

学案4　核能利用与社会发展

[学习目标定位]1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义及发生条件.3.会判断和书写核裂变、核聚变方程，能计算核反应释放的能量.4.了解核能的优越性，核电站的安全性能及核废料的处理．

1．核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒．

2．核能运算：

ΔE＝Δmc2.

（1）若Δm单位为kg，则ΔE的单位为J；

（2）若Δm单位为u，则ΔE的单位为MeV，可直接利用ΔE＝Δm×931.5MeV计算核能．

3．重核的裂变

（1）核裂变：

重核被中子轰击后分裂成质量差不多的两部分，同时放出几个中子，并放出核能的过程．

（2）链式反应：

铀核裂变时，通常会放出2到3个中子，这些中子可以作为新的“炮弹”轰击其它的铀核，使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫做链式反应．

（3）发生链式反应的条件：

发生裂变物质的体积大于等于临界体积或发生裂变物质的质量大于等于临界质量．

4．裂变反应堆

（1）裂变反应堆是核电站的心脏．它是一种用人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来．

（2）裂变反应堆的基本结构

①裂变材料：

铀棒；

②慢化剂：

铀235容易捕获慢中子而发生反应，通常用石墨、重水或普通水（也叫轻水）作慢化剂；

③控制棒：

用镉或硼钢制成，用来吸收减速后的中子，控制反应强度；

④反射层：

一般用石墨做材料，阻止中子逃逸；

⑤热交换器：

利用水循环，把反应堆中的热量传输出去；

⑥防护层：

由金属套、防止中子外逸的水层以及1～2m厚的钢筋混凝土构成．

5．裂变反应堆的常见类型

（1）重水堆：

采用重水做慢化剂的反应堆．

（2）高温气冷堆：

采用石墨为慢化剂、氦为冷却剂的反应堆．

（3）快中子增殖反应堆：

以铀－235作为主要裂变材料的反应堆．其最大特点是可以合理利用有限的铀资源，使核燃料增殖．

6．核电站的工作模式

以核反应堆为能源，用它产生高压蒸汽，取代发电厂的锅炉，从而进行发电．

7．核聚变

（1）定义：

使平均结合能小的轻核聚合成一个较重的原子核，同时释放核能．

（2）核反应举例：

H＋H→He＋n＋17.6MeV.

（3）聚变的条件：

必须使原子核的距离达到10－15m以内，为此必须有几千万开以上的高温才行，所以，聚变又叫热核反应．

8．受控热核反应

（1）“托卡马克”：

是一种利用强磁场约束等离子体的环流器．

（2）激光聚变的构想：

1964年，我国著名物理学家王淦昌与苏联科学家各自独立地提出了激光聚变的构想，即用高功率的激光束打在氘、氚的靶丸上，产生高温使核燃料发生核聚变．

9．核能的优越性

（1）核燃料提供的能量巨大．

（2）核燃料的储量丰富．

（3）核燃料的运输和储存方便．

（4）清洁卫生，对环境的污染小．

10．核安全性与核废料处理

（1）核电站的安全性能：

为了防止放射性物质的泄漏，核电站设置了4道安全屏障．

①第一道屏障：

二氧化铀陶瓷体燃料芯块．

②第二道屏障：

锆合金包壳．

③第三道屏障：

由反应堆压力容器和冷却回路构成的压力边界．

④第四道屏障：

安全壳．

（2）核废料的处理：

我国对核废料采用后处理技术，即先回收铀、钚等，然后处理剩下的放射性废料和其他途径产生的核废料.

一、核裂变和链式反应

[问题设计]

阅读课本“铀核的裂变”，说明：

（1）铀核裂变是如何发生的？

（2）重核裂变在自然界中能自发进行吗？

答案　

（1）铀核裂变的发生

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2～3个中子，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）不能．重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，自然界不会自发地发生．铀核裂变不会自发地进行，要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这样形成了链式反应．

[要点提炼]

1．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，其中两种典型的反应是：

U＋n→Ba＋Kr＋3n；U＋n→Xe＋Sr＋10n.

2．链式反应的条件

（1）铀块的体积大于等于临界体积或铀块的质量大于等于临界质量．

（2）中子的“再生率”要大于1.

例1

　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

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，也有的裂变成多块，并放出几个中子，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．

答案　BC

二、裂变过程中核能的分析与计算

[问题设计]

重核裂变为什么能释放核能？

人们获得核能的途径有哪些？

答案　用中子轰击铀核时，使该核变成处于激发状态的复核，从而重核裂变成两个原子核，并释放能量．获得核能的主要途径：

一是重核裂变，二是轻核聚变．

[要点提炼]

铀核裂变释放核能的计算

1．首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm.

2．根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能．

计算时注意Δm与ΔE单位的对应关系，若Δm用kg做单位，ΔE用J做单位；若Δm用u做单位，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），从而得出铀块裂变释放的核能E＝nΔE.

例2

　现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：

U＋n→Nd＋Zr＋3（n）＋8（e）＋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）核的质量为235.0493u，中子质量为1.0087u，钕（Nd）核质量为142.9098u，锆核质量为89.9047u．又知1u相当于931.5MeV，试计算一次核裂变中释放的核能；

（3）试计算1kg铀235大约能产生的能量．

解析　

（1）根据核反应中质量数和电荷数守恒知，锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－143－3＝90，核反应方程式中应用符号Zr表示．

（2）核反应前后的质量亏损为

Δm＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn＝0.2174u

ΔE＝Δmc2＝0.2174×931.5MeV＝202.5081MeV

（3）1kg铀235中的铀核数为n＝×6.02×1023个＝2.56×1024个

1kg铀235完全裂变产生的能量

E＝nΔE＝2.56×1024×202.5081MeV

＝5.18×1026MeV＝8.29×1013J

答案　

（1）40　90　

（2）202.5081MeV

（3）5.18×1026MeV（或8.29×1013J）

三、核聚变发生的条件及特点

[要点提炼]

1．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．

2．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，使物质达到几千万开尔文以上的高温．

3．重核裂变与轻核聚变的区别

重核裂变

轻核聚变

放能原理

重核分裂成两个或多个①中等质量的原子核，放出核能

两个轻核结合成②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③大3～4倍

核废料

处理难度

聚变反应的核废料的处理要比裂变反应的处理④简单得多

例3

　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3.8×1026J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？

（mp＝1.0073u，mHe＝4.0015u，me＝0.00055u）

解析　

（1）核反应方程4H→He＋X，而X只能是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＝4×1.0073u＝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得每秒减少的质量

Δm＝＝kg＝4.2×109kg.

答案　

（1）4H→He＋2e　

（2）24.78MeV

（3）4.2×109kg

裂变聚变

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

答案　D

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．因而其释放的能量是远大于其俘获中子时吸收的能量的．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须不小于其临界体积．如果体积小，中子从铀块中穿过时，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

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均错误．重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，还会再发生质量亏损，从而释放出核能．综上所述，选项D正确．

2．关于聚变，以下说法正确的是（　　）

A．两个氘核可以聚变成一个中等质量的原子核，同时释放出能量

B．同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多

C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积

D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能

答案　BD

3．为了直接验证爱因斯坦狭义相对论中著名的质能方程E＝mc2，科学家用中子轰击硫原子，分别测出原子捕获中子前后质量的变化以及核反应过程中放出的能量，然后进行比较，精确验证了质能方程的正确性，设捕获中子前的原子质量为m1，捕获中子后的原子质量为m2，被捕获的中子质量为m3，核反应过程放出的能量为ΔE，则这一实验需验证的关系式是（　　）

A．ΔE＝（m1－m2－m3）c2

B．ΔE＝（m1＋m3－m2）c2

C．ΔE＝（m2－m1－m3）c2

D．ΔE＝（m2－m1＋m3）c2

答案　B

解析　反应前的质量总和为m1＋m3，质量亏损Δm＝m1＋m3－m2，核反应释放的能量ΔE＝（m1＋m3－m2）c2，选项B正确．

4．一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH＝1.0073u，中子质量mn＝1.0087u，氚核质量m＝3.0180u.

（1）写出聚变方程；

（2）求释放出的核能；

（3）求平均每个核子释放的能量．

答案　

（1）H＋2n→H　

（2）6.24MeV

（3）2.08MeV

解析　

（1）聚变方程H＋2n→H.

（2）质量亏损Δm＝mH＋2mn－m＝（1.0073＋2×1.0087－3.0180）u＝0.0067u，

释放的核能ΔE＝0.0067×931.5MeV＝6.24MeV

（3）平均每个核子放出的能量为

E＝MeV＝2.08MeV

[基础题]

1．现已建成的核电站的能量来自于（　　）

A．天然放射性元素衰变放出的能量

B．人工放射性同位素放出的能量

C．重核裂变放出的能量

D．化学反应放出的能量

答案　C

2．下列核反应中，属于核裂变反应的是（　　）

A.5B＋n→Li＋He

B.U→Th＋He

C.7N＋He→8O＋H

D.U＋n→Ba＋Kr＋3n

答案　D

解析　由核裂变反应的特点知，D正确．

3．核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由哪四部分组成（　　）

A．核燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统

B．核燃料、减速剂、发热系统和传热系统

C．核燃料、调速剂、碰撞系统和传热系统

D．核燃料、中子源、原子能聚存系统和输送系统

答案　A

解析　核反应堆主要由核燃料、中子减速剂、控制棒和热交换器组成．因此A选项正确．

4．一个氘核（H）与一个氚核（H）发生聚变，产生一个中子和一个新核，并出现质量亏损．该聚变过程中（　　）

A．吸收能量，生成的新核是He

B．放出能量，生成的新核是He

C．吸收能量，生成的新核是He

D．放出能量，生成的新核是He

答案　B

5．在核反应方程式92U＋n→Sr＋54Xe＋kX中（　　）

A．X是中子，k＝9B．X是中子，k＝10

C．X是质子，k＝9D．X是质子，k＝10

答案　B

解析　设X的电荷数是Z，质量数是A，根据题意设核反应的关系式，由电荷数守恒得92＋0＝38＋54＋kZ解得kZ＝0，

由质量数守恒得235＋1＝90＋136＋kA解得kA＝10.

综合解得k≠0，Z＝0，可知X是中子；

A＝1，k＝10，可知选项B正确．

6．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是（　　）

A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多

B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量大

C．聚变反应中粒子的平均结合能变小

D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量变大

答案　B

[能力题]

7．（2014·北京·14）质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3.当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是（c表示真空中的光速）（　　）

A．（m1＋m2－m3）c

B．（m1－m2－m3）c

C．（m1＋m2－m3）c2

D．（m1－m2－m3）c2

答案　C

解析　由质能方程ΔE＝Δmc2，其中Δm＝m1＋m2－m3

可得ΔE＝（m1＋m2－m3）c2，选项C正确．

8．1994年3月，中国科学院等研制成功了比较先进的HT－7型超导托卡马克．如图1所示，托卡马克（Tokamak）是研究受控核聚变的一种装置，这个词是torodal（环形的），kamera（真空室），magnit（磁）的头两个字母以及katushka（线圈）的第一个字母组成的缩写词．

图1

根据以上信息，下列判断中可能正确的是（　　）

A．核反应原理是氘原子核在装置中聚变成氦核，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氘核等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，使聚变能缓慢而稳定地发生

答案　ABD

解析　可控核聚变在实验阶段已有大的进展，原料是氘或其同位素等轻核，A对．由于聚变温度太高，没有什么容器能够耐这么高的温度，但磁场可以把它们约束在一个小范围内，因此B对．我国秦山、大亚湾核电站的核反应为裂变，而不是聚变，所以C错．这种反应人们在实验室里可以人为控制反应速度，不过离实用阶段还有一段距离，所以D对．

9．1964年10月16日，我国在新疆罗布泊沙漠成功地进行了第一颗原子弹试验，结束了中国无核时代．

（1）原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量，由于裂变物质的体积超过临界体积而爆炸．

①完成核裂变反应方程式：

92U＋n→（　　）Xe＋Sr＋2n＋200MeV

②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么？

产生这种反应的条件必须是什么？

（2）为了防止铀核裂变的产物放出的各种射线危害人体和污染环境，需采取哪些措施？

（举两种）

答案　

（1）①54　②链式反应　中子再生率大于1

（2）核反应堆外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线；放射性核废料要装入特制的容器，深埋地下．

10．在氢弹爆炸中发生的核聚变方程为H＋H→He＋n，已知H的质量为2.0136u，H的质量为3.0166u，He的质量为4.0026u，n的质量为1.0087u，阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023mol－1，求此氢弹爆炸中当合成1kg的氦时所释放的能量．

答案　2.65×1027MeV

解析　由题意可知，当一个H核与一个H核发生反应合成一个He核时放出的能量为

ΔE＝Δmc2＝（2.0136＋3.0166－4.0026－1.0087）u＝0.0189×931.5MeV＝17.6MeV

而1kg氦中含有的原子数目为N＝×6.02×1023＝1.505×1026（个）

所以合成1kg氦核时所放出的总能量为E＝NΔE＝2.65×1027MeV.

[探究与拓展题]

11．一个原来静止的锂核（Li）俘获一个速度为7.7×104m/s的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103m/s，方向与中子的运动方向相反．

（1）试写出核反应方程．

（2）求出氦核的速度大小．

（3）若让一个氘核和一个氚核发生聚变时，可产生一个氦核同时放出一个中子，求这个核反应释放出的能量．（已知氘核质量为mD＝2.014102u，氚核质量为mT＝3.016050u，氦核质量为mHe＝4.002603u，中子质量为mn＝1.008665u，1u＝1.6606×10－27kg）

答案　

（1）Li＋n→H＋He　

（2）2×104m/s

（3）2.82×10－12J

解析　

（1）Li＋n→H＋He

（2）由动量守恒定律得：

mnv0＝－mTv1＋mHev2

v2＝＝m/s

＝2×104m/s

（3）质量亏损为

Δm＝mD＋mT－mHe－mn

＝（2.014102＋3.016050－4.002603－1.008665）u

＝0.018884u＝3.136×10－29kg

根据爱因斯坦质能方程得

ΔE＝Δmc2＝3.136×10－29×（3×108）2J＝2.82×10－12J