高中物理 5.25.4 裂變及其應(yīng)用 聚變與受控?zé)岷朔磻?yīng) 核能利用與社會(huì)發(fā)展課件 滬科版選修35.ppt

第5章核能與社會(huì) 5 2 5 4裂變及其應(yīng)用聚變與受控?zé)岷朔磻?yīng)核能利用與社會(huì)發(fā)展 1 知道重核的裂變反應(yīng)和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件 2 掌握核聚變的定義及發(fā)生條件 3 會(huì)判斷和書寫核裂變 核聚變方程 能計(jì)算核反應(yīng)釋放的能量 4 了解核能的優(yōu)越性 核電站的安全性能及核廢料的處理 學(xué)習(xí)目標(biāo)定位 知識(shí)儲(chǔ)備區(qū) 1 質(zhì)量數(shù)電荷數(shù)2 mc2 1 j 2 mev931 5 3 1 質(zhì)量差不多核能 2 中子中子 3 臨界體積臨界質(zhì)量 知識(shí)鏈接 新知呈現(xiàn) 4 1 較平緩 2 鈾 石墨重水普通水 知識(shí)儲(chǔ)備區(qū) 鎘中子 石墨中子逃逸 水 金屬套水層 5 1 重水 2 石墨 3 鈾 235 6 核反應(yīng)堆高壓蒸汽7 1 平均結(jié)合能小較重釋放 2 3 幾千萬開以上熱核 知識(shí)儲(chǔ)備區(qū) 8 1 強(qiáng)磁場(chǎng) 2 王淦昌 9 1 巨大 2 豐富 3 運(yùn)輸儲(chǔ)存 4 小 10 1 二氧化鈾 包殼 壓力邊界 2 后處理 學(xué)習(xí)探究區(qū) 一 核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 二 裂變過程中核能的分析與計(jì)算 三 核聚變發(fā)生的條件及特點(diǎn) 一 核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 問題設(shè)計(jì) 1 閱讀課本 鈾核的裂變 說明 1 鈾核裂變是如何發(fā)生的 答案鈾核裂變的發(fā)生 核子受激發(fā) 當(dāng)中子進(jìn)入鈾235后 便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核 復(fù)核中由于核子的激烈運(yùn)動(dòng) 使核變成不規(guī)則的形狀 核子分裂 核子間的距離增大 因而核力迅速減弱 使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊 同時(shí)放出2 3個(gè)中子 這些中子又引起其他鈾核裂變 這樣 裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去 形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 2 重核裂變?cè)谧匀唤缰心茏园l(fā)進(jìn)行嗎 答案不能 重核的裂變只能發(fā)生在人為控制的核反應(yīng)中 自然界不會(huì)自發(fā)地發(fā)生 鈾核裂變不會(huì)自發(fā)地進(jìn)行 要使鈾核裂變 首先要利用中子轟擊鈾核 使鈾核分裂 分裂產(chǎn)生更多的中子 這樣形成了鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 要點(diǎn)提煉 1 鈾核裂變用轟擊鈾核時(shí) 鈾核發(fā)生裂變 其產(chǎn)物是多種多樣的 其中兩種典型的反應(yīng)是 2 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件 1 鈾塊的體積臨界體積或鈾塊的質(zhì)量臨界質(zhì)量 2 中子的 再生率 要 大于等于 大于等于 大于1 中子 例1關(guān)于鈾核裂變 下列說法正確的是 a 鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的 但只能裂變成兩種不同的核b 鈾核裂變時(shí)還能同時(shí)釋放2 3個(gè)中子c 為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易進(jìn)行 最好用純鈾235d 鈾塊的體積對(duì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無影響 解析鈾核受到中子的沖擊 會(huì)引起裂變 裂變的產(chǎn)物是多種多樣的 具有極大的偶然性 但裂變成兩塊的情況比較多 也有的裂變成多塊 并放出幾個(gè)中子 鈾235受中子的轟擊時(shí) 裂變的概率大 而鈾238只有俘獲能量在1mev以上的中子才能引起裂變 且裂變的幾率小 而要引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 需使鈾塊體積超過臨界體積 故b c正確 答案bc 返回 二 裂變過程中核能的分析與計(jì)算 重核裂變?yōu)槭裁茨茚尫藕四?人們獲得核能的途徑有哪些 答案用中子轟擊鈾核時(shí) 使該核變成處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核 從而重核裂變成兩個(gè)原子核 并釋放能量 獲得核能的主要途徑 一是重核裂變 二是輕核聚變 問題設(shè)計(jì) 要點(diǎn)提煉 鈾核裂變釋放核能的計(jì)算1 首先算出裂變反應(yīng)中發(fā)生的質(zhì)量虧損 m 2 根據(jù)計(jì)算釋放的核能 計(jì)算時(shí)注意 m與 e單位的對(duì)應(yīng)關(guān)系 若 m用kg做單位 e用j做單位 若 m用u做單位 e用mev做單位 1u相當(dāng)于931 5mev的能量 e mc2 3 若計(jì)算一定質(zhì)量的鈾塊完全裂變時(shí)放出的核能 應(yīng)先算出鈾塊中有多少個(gè)鈾核 設(shè)為n 從而得出鈾塊裂變釋放的核能e n e 例2現(xiàn)有的核電站比較廣泛采用的核反應(yīng)之一是 1 核反應(yīng)方程中的 是中微子 它不帶電 質(zhì)量數(shù)為零 試確定生成物鋯 zr 的電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù) 解析根據(jù)核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒知 鋯的電荷數(shù)z 92 60 8 40 質(zhì)量數(shù)a 236 143 3 90 核反應(yīng)方程式中應(yīng)用符號(hào)zr表示 答案4090 2 已知鈾 u 核的質(zhì)量為235 0493u 中子質(zhì)量為1 0087u 釹 nd 核質(zhì)量為142 9098u 鋯核質(zhì)量為89 9047u 又知1u相當(dāng)于931 5mev 試計(jì)算一次核裂變中釋放的核能 解析核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為 m mu mn mnd mzr 3mn 0 2174u e mc2 0 2174 931 5mev 202 5081mev 答案202 5081mev 3 試計(jì)算1kg鈾235大約能產(chǎn)生的能量 解析1kg鈾235中的鈾核數(shù)為n 6 02 1023個(gè) 2 56 1024個(gè)1kg鈾235完全裂變產(chǎn)生的能量e n e 2 56 1024 202 5081mev 5 18 1026mev 8 29 1013j 答案5 18 1026mev 或8 29 1013j 返回 三 核聚變發(fā)生的條件及特點(diǎn) 要點(diǎn)提煉 1 從平均結(jié)合能的圖線看 輕核聚變后平均結(jié)合能增加 因此聚變反應(yīng)是一個(gè)反應(yīng) 2 聚變發(fā)生的條件 要使輕核聚變 必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離m 這要克服電荷間強(qiáng)大的斥力作用 要求使輕核具有足夠大的動(dòng)能 要使原子核具有足夠大的動(dòng)能 就要給它們 使物質(zhì)達(dá)到幾千萬開爾文以上的高溫 放能 10 15 加熱 3 重核裂變與輕核聚變的區(qū)別 中等質(zhì)量 質(zhì)量 較大 大 簡(jiǎn)單 例3太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核同時(shí)放出兩個(gè)正電子的熱核反應(yīng) 這個(gè)核反應(yīng)釋放出的大量能量就是太陽的能源 1 寫出這個(gè)核反應(yīng)方程 解析 答案 2 這一核反應(yīng)能釋放多少能量 解析反應(yīng)前的質(zhì)量m1 4mp 4 1 0073u 4 0292u 反應(yīng)后的質(zhì)量m2 mhe 2me 4 0015u 2 0 00055u 4 0026u m m1 m2 0 0266u 由質(zhì)能方程得 釋放能量 e mc2 0 0266 931 5mev 24 78mev 答案24 78mev 3 已知太陽每秒釋放的能量為3 8 1026j 則太陽每秒減少的質(zhì)量為多少千克 mp 1 0073u mhe 4 0015u me 0 00055u 解析由質(zhì)能方程 e mc2得每秒減少的質(zhì)量 答案 返回 課堂要點(diǎn)小結(jié) 返回 自我檢測(cè)區(qū) 1 2 3 4 1 關(guān)于重核的裂變 下列說法正確的是 a 核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量b 中子從鈾塊中通過時(shí) 一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)c 重核裂變釋放出大量的能量 產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損 所以核子數(shù)減少d 由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量 所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時(shí) 要發(fā)生質(zhì)量虧損 放出核能 1 2 3 4 解析根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變放能的原理分析可知 裂變時(shí)因鈾核俘獲中子即發(fā)生核反應(yīng) 是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程 因而其釋放的能量是遠(yuǎn)大于其俘獲中子時(shí)吸收的能量的 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有條件的 即鈾塊的體積必須不小于其臨界體積 如果體積小 中子從鈾塊中穿過時(shí) 碰不到原子核 則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不會(huì)發(fā)生 在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會(huì)減少的 1 2 3 4 其中各粒子質(zhì)量分別為mu 235 0439u mn 1 00867umsr 89 9077u mxe 135 9072u質(zhì)量虧損為 m mu mn msr mxe 10mn 0 1510u可見鈾裂變的質(zhì)量虧損是遠(yuǎn)小于一個(gè)核子的質(zhì)量的 核子數(shù)是不會(huì)減少的 因此選項(xiàng)a b c均錯(cuò)誤 1 2 3 4 重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí) 由于平均質(zhì)量減小 還會(huì)再發(fā)生質(zhì)量虧損 從而釋放出核能 綜上所述 選項(xiàng)d正確 1 2 3 答案d 4 2 關(guān)于聚變 以下說法正確的是 a 兩個(gè)氘核可以聚變成一個(gè)中等質(zhì)量的原子核 同時(shí)釋放出能量b 同樣質(zhì)量的物質(zhì)發(fā)生聚變時(shí)放出的能量比同樣質(zhì)量的物質(zhì)裂變時(shí)釋放的能量大得多c 聚變反應(yīng)的條件是聚變物質(zhì)的體積達(dá)到臨界體積d 發(fā)生聚變反應(yīng)時(shí)的原子核必須有足夠大的動(dòng)能 1 2 3 bd 4 3 為了直接驗(yàn)證愛因斯坦狹義相對(duì)論中著名的質(zhì)能方程e mc2 科學(xué)家用中子轟擊硫原子 分別測(cè)出原子捕獲中子前后質(zhì)量的變化以及核反應(yīng)過程中放出的能量 然后進(jìn)行比較 精確驗(yàn)證了質(zhì)能方程的正確性 設(shè)捕獲中子前的原子質(zhì)量為m1 捕獲中子后的原子質(zhì)量為m2 被捕獲的中子質(zhì)量為m3 核反應(yīng)過程放出的能量為 e 則這一實(shí)驗(yàn)需驗(yàn)證的關(guān)系式是 1 2 3 4 a e m1 m2 m3 c2b e m1 m3 m2 c2c e m2 m1 m3 c2d e m2 m1 m3 c2 1 2 3 4 解析反應(yīng)前的質(zhì)量總和為m1 m3 質(zhì)量虧損 m m1 m3 m2 核反應(yīng)釋放的能量 e m1 m3 m2 c2 選項(xiàng)b正確 答案b 1 2 3 4 4 一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子聚變?yōu)橐粋€(gè)氚核 已知質(zhì)子質(zhì)量mh 1 0073u 中子質(zhì)量mn 1 0087u 氚核質(zhì)量m 3 0180u 1 寫出聚變方