学年高二物理人教版选修35学案19678 核裂变 核聚变 粒子和宇宙.docx

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学年高二物理人教版选修35学案19678核裂变核聚变粒子和宇宙

6　核裂变

7　核聚变

8　粒子和宇宙

[目标定位]　1.知道重核的裂变产物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．

一、核裂变

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U＋n―→Ba＋Kr＋3n．

3．链式反应：

当一个中子引起一个铀核裂变后，裂变释放的中子再引起其他铀核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应．

4．链式反应的条件：

（1）发生裂变物质的体积大于等于临界体积；

（2）有足够浓度的铀235；

（3）有足够数量的慢中子．

二、核电站

1．核电站：

是利用核能发电，它的核心设施是核反应堆．它主要由以下几部分组成：

（1）燃料：

铀棒

（2）减速剂：

铀235容易捕获慢中子发生反应，可采用石墨、重水、普通水作减速剂．

（3）控制棒：

为控制能量释放的速度，需控制中子的数目，采用镉棒作为控制棒来控制链式反应的速度．

2．工作原理：

核燃料裂变释放的能量，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．

4．核污染的处理：

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

三、核聚变

1．定义：

两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的核反应．

2．举例：

H＋H―→He＋n＋17.6MeV

3．条件：

（1）轻核的距离要达到10－15__m以内．

（2）需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．

4．氢弹原理：

首先由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸．

5．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．

四、粒子和宇宙

1．“基本粒子”不基本

直到19世纪末，人们称光子、电子、质子和中子是基本粒子．

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

上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷量分别为元电荷的＋或－，每种夸克都有对应的反夸克．

一、核裂变和链式反应

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，裂变就会不断地进行下去，形成链式反应．

3．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．一般来说，平均每个核子放出的能量约为1MeV，1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t优质煤燃烧时释放的能量，裂变时能产生几万度的高温．

4．用中子轰击铀核时，铀核裂变的产物是多种多样的，其中两种典型的反应是：

U＋n―→Ba＋Kr＋3n；

U＋n―→Xe＋Sr＋10n

例1

　关于重核的裂变，下列说法正确的是（　　）

A．核裂变时释放的能量等于它俘获中子时得到的能量

B．重核裂变时释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少

C．铀核自发放出α粒子、β粒子时要释放能量，核电站利用的就是这一能量

D．重核的比结合能小于中等质量核的比结合能，所以重核裂变成中等质量核时，要放出核能，有质量亏损

答案　D

解析　核电站利用的是裂变链式反应所放出的核能．原子核的衰变以及人工核反应也要释放核能，但天然衰变进行得非常缓慢，放出的能量也很小，人工无法控制，实用价值不大，原子核的人工转变也放出能量，但作为“炮弹”的粒子击中原子核的机会太少，这种做法得不偿失．所以核能的获取主要是通过裂变或聚变的途径．比结合能是核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量，或原子核拆解成核子时每个核子平均吸收的能量．重核的比结合能小于中等质量核的比结合能，即将重核分成核子时比中等质量核分成核子时每个核子平均吸收的能量小些，可见由重核裂变成两个中等质量的核要放出能量，选项D正确；铀核裂变放出的能量是原子核的核能，而不是中子具有的动能，选项A错误；裂变过程遵守质量数、电荷数守恒规律，B错误；衰变是自发的现象，铀核衰变后的新核仍是重核，而核电站利用的是裂变核能，选项C错误．

借题发挥　重核裂变的实质

（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．

例2

　用中子轰击铀核（U），其中的一个可能反应是分裂成钡（Ba）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．

答案　n＋U―→Ba＋Kr＋3n　3.2202×10－11J

解析　根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒，就可以写出核反应方程．

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．

铀核裂变方程为n＋U―→Ba＋Kr＋3n，

则核反应前后的质量亏损为

Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.3578×10－27kg.

由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为

ΔE＝Δmc2＝0.3578×10－27×（3×108）2J＝3.2202×10－11J.

二、核聚变及核能的计算

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10－15m，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．聚变方程：

H＋H―→He＋n＋γ.

4．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

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

例3

　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开尔文以上的高温，显然是吸收能量

D．裂变与聚变均可释放巨大的能量

答案　D

解析　A选项从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同．裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应；B选项既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量流向上也不必相反；C选项要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量．但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量．因此，总的来说，聚变反应还是释放能量．

例4

　下列说法不正确的是（　　）

A.H＋H―→He＋n是聚变

B.U＋n―→Xe＋Sr＋2n是裂变

C.Ra―→Rn＋He是α衰变

D.Na―→Mg＋e是裂变

答案　D

解析　A选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核，是聚变反应，故A选项正确；B选项的核反应中是铀核捕获中子裂变为两个（或更多）中等质量的核，并放出几个中子，是裂变反应，故B选项正确；在C选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了α粒子，是α衰变，C选项是正确的；而D应是β衰变，不正确；故答案为D.

借题发挥　主要核反应类型有：

（1）衰变：

衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出α或β粒子．

（2）人工转变：

人工转变常用α粒子（也可用中子等）轰击原子核，该核捕获α粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子．

（3）核裂变：

核裂变时铀核捕获中子裂变为两个（或更多）中等质量的核，并放出几个中子．

（4）核聚变：

轻核聚变时也会放出中子．

例5

　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mT＝3.0180u．求：

（1）写出聚变方程；

（2）释放出的核能多大？

（3）平均每个核子释放的能量是多大？

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－mT＝（1.0073＋2×1.0087－3.0180）u＝0.0067u，

释放的核能

ΔE＝Δmc2＝0.0067×931.5MeV＝6.24MeV.

（3）平均每个核子放出的能量为MeV＝2.08MeV.

三、新粒子的发现和夸克模型

1．新粒子的发现

（1）1932年发现正电子，1937年发现μ子，1947年发现K介子和π介子；以后又发现了质量比质子大的粒子叫做超子．

（2）粒子的分类：

按照粒子与各种相互作用的不同关系，可将粒子分为三大类：

强子、轻子和媒介子．

2．夸克模型

强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克，夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷分别为元电荷的＋或－，每种夸克都有对应的反夸克．

例6

　目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的．u夸克带电荷量为e，d夸克的带电荷量为－e，e为元电荷，下列论断中可能正确的是（　　）

A．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成

B．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成

C．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成

D．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成

答案　B

解析　质子H带电荷量为2×e＋＝e，中子n带电荷量为e＋2×＝0.可见B正确．

对核裂变的理解

1．（2013·广东，17）铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应U＋n―→Ba＋Kr＋3n，下列说法正确的有（　　）

A．上述裂变反应中伴随着中子放出

B．铀块体积对链式反应的发生无影响

C．铀核的链式反应可人工控制

D．铀核的半衰期会受到环境温度的影响

答案　AC

解析　从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，A对；铀块体积对链式反应的发生有影响，B错；铀核的链式反应可人工控制，C对；铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，D错．

对核聚变的理解

2．科学家发现在月球上含有丰富的He（氦3），它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为He＋He―→2H＋He，关于He聚变下列表述正确的是（　　）

A．聚变反应不会释放能量

B．聚变反应产生了新的原子核

C．聚变反应没有质量亏损

D．目前核电站都采用He聚变反应发电

答案　B

解析　核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，这是人类利用核能的途径之一．目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电．

3．太阳不断地向外辐射能量，仍保持1千万度以上的高温，其主要原因是太阳内部进行着剧烈的（　　）

A．衰变反应B．人工核反应

C．裂变反应D．热核反应

答案　D

核聚变释放的核能的计算

4．氘核（H）和氚核（H）结合成氦核（He）的核反应方程如下：

H＋H―→He＋n＋17.6MeV

（1）这个核反应称为________．

（2）要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文．式中17.6MeV是核反应中________（填“放出”或“吸收”）的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________（填“增加”或“减少”）了________kg（保留一位有效数字）．

答案　

（1）聚变　

（2）放出　减少　3×10－29

解析　在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由ΔE＝Δmc2，可以求得Δm＝＝3×10－29kg.

（时间：

60分钟）

题组一　对核裂变的理解

1．一个U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U＋n―→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是（　　）

A．X原子核中含有86个中子

B．X原子核中含有141个核子

C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，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　A

解析　X原子核中的核子数为（235＋1）－（94＋2）＝140，B错误；中子数为140－（92－38）＝86，故A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，故C、D错误．

2．关于核反应堆，下列说法正确的是（　　）

A．铀棒是核燃料，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能

答案　ABD

解析　铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确；慢中子最容易引发核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故C错误；水或液态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，控制温度，故D正确．

3．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4000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是（　　）

A．核能发电对环境的污染比火力发电要小

B．核能发电对环境的污染比火力发电要大

C．目前所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能

D．目前既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能

答案　AC

解析　目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A、C正确，B、D错．

4．秦山核电站第三期工程的两个6×105kW发电机组已实现并网发电.发电站的核能来源于92U的裂变，下列说法正确的是（　　）

A．反应堆中核反应速度通常是采用调节92U的体积来控制的

B.92U的一种可能的裂变是92U＋n→54Xe＋Sr＋2n

C.92U是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短

D．一个92U裂变能放出200MeV的能量，合3.2×10－11J

答案　BD

解析　反应堆中核反应速度由控制棒（镉棒）吸收中子的多少来控制，A错；92U裂变有多种可能性，这是其中常见的一种，B对；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温度压强等外界条件无关，C错；通过计算知，D正确．

题组二　对核聚变的理解

5．关于核聚变，以下说法不正确的是（　　）

A．与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁

B．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站

C．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15m以内，核力才能起作用

D．地球聚变燃料的储量十分丰富，从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘核

答案　B

解析　与裂变相比，核聚变有下面的几个优势：

（1）安全、清洁、辐射少；

（2）核燃料储量多；（3）核废料易处理．但核聚变发电还没有投入实际运行．所以B项是不正确的．

6．重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是（　　）

A．裂变过程质量增加，聚变过程质量亏损

B．裂变过程质量亏损，聚变过程质量增加

C．裂变过程和聚变过程都有质量增加

D．裂变过程和聚变过程都有质量亏损

答案　D

解析　重核裂变和轻核聚变都能释放巨大的能量，由爱因斯坦质能方程知两过程均会有质量亏损．

7．下列说法正确的是（　　）

A.N＋H―→C＋He是α衰变方程

B.H＋H―→He＋γ是核聚变反应方程

C.U―→Th＋He是核裂变反应方程

D.He＋Al―→P＋n是原子核的人工转变方程

答案　BD

解析　本题考查了核反应的相关知识，意在考查考生对天然放射现象、重核裂变、轻核聚变、原子核的人工转变等相关知识的记忆及分析判断能力，选项A、D为原子核的人工转变，选项B为轻核聚变，选项C为原子核的衰变，故选项B、D正确．

8．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

He

C

N

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

答案　B

解析　根据核反应中质量数与电荷数守恒容易求得新核X的质量数为4、电荷数为2，即X是He；根据表中提供的数据，可以求得第2个核反应的质量亏损大，根据爱因斯坦质能方程必然有Q1

9．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

答案　AC

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C项正确．

题组三　综合应用

10．在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势，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＝________．

（2）有一座发电能力为P＝1.00×106kW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中放出的核能ΔE＝2.78×10－11J，铀核的质量mU＝390×10－27kg，求每年（1年＝3.15×107s）消耗的U的质量．

答案　

（1）n　3　（mU－mBa－mKr－2mn）c2

（2）1104kg

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）因核电站发电效率为40%，故核电站消耗U的功率为P′＝＝kW＝2.5×106kW.

核电站每年消耗U的能量为

W＝P′t＝2.5×109×3.15×107J＝7.875×1016J

产生这些能量消耗的铀核的数目：

n＝＝＝2.83×1027（个）

每年消耗U的质量为

M＝nmU＝2.83×1027×390×10－27kg＝1104kg.

11．如下一系列核反应是在恒星内部发生的：

p＋C―→N

N―→C＋e＋＋μ

p＋C―→N

p＋N―→O

O―→N＋e＋＋μ

p＋N―→C＋α

其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，μ为一种中微子．已知质子的质量mp＝1.672648×10－27kg，α粒子的质量mα＝6.644929×10－27kg，正电子的质量me＝9.11×10－31kg，中微子的质量可忽略不计．真空中的光速c＝3.00×108m/s.试计算该系列反应完成后释放的能量．

答案　3.95×10－12J

解析　为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的各核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为4p―→α＋2e＋＋2μ.

设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得

4mpc2＝mαc2＋2mec2＋Q，

代入数据可得Q＝3.95×10－12J.

12．一个原来静止的锂核（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mHe＝4.002603u，中子质量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）取中子的运动方向为正方向，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

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