2022-2023學(xué)年粵教版（2019）選擇性必修第三冊(cè) 5.5裂變和聚變 課件（34張PPT）

第五章

原子與原子核第五節(jié)

裂變和聚變粵教版（2019）高中物理選擇性必修第三冊(cè)原子核中蘊(yùn)藏著巨大的能量，那么，怎樣才能讓這些能量有效釋放出來(lái)從而造福人類(lèi)呢？原子核中的質(zhì)子數(shù)又稱(chēng)為原子序數(shù)，這是因?yàn)樗c元素周期表中元素的排列序號(hào)一致。一般排在周期表前面的輕核，其質(zhì)子和中子數(shù)相等(N=Z)，例如，氦4的原子核有2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子，硅28各有14個(gè)質(zhì)子和中子.但是大多數(shù)重核是中子多于質(zhì)子，例如，金197有79個(gè)質(zhì)子和118個(gè)中子，鈾238有92個(gè)質(zhì)子和146個(gè)中子排在第83號(hào)元素鉍之后的原子核不穩(wěn)定，它們會(huì)自發(fā)裂變或衰變成更輕的原子核。排在第92號(hào)元素鈾之后的原子核十分不穩(wěn)定，很難在自然狀態(tài)下存在。如第94號(hào)元素钚是人工制造出來(lái)的，主要用于核武器，目前在自然界中尚沒(méi)有找到。一、核裂變與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)由原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)的變化曲線可知，原子核的比結(jié)合能在中等質(zhì)量(A=56，F(xiàn)e元素)處有極大值。這意味著比鐵原子核重的一個(gè)重核分裂成兩個(gè)較輕的核時(shí)，會(huì)釋放出能量，我們把這種核反應(yīng)叫作核裂變。同樣地，比鐵原子核輕的兩個(gè)輕核聚合成一個(gè)較重的核時(shí)，也會(huì)釋放出能量，我們把這種核反應(yīng)叫作核聚變。比結(jié)合能小的重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)較輕的原子核，為什么質(zhì)量會(huì)發(fā)生虧損而釋放能量？討論：【理論·探究】一個(gè)原子核裂變所產(chǎn)生的能量，與日常生活的耗能相比是微不足道的。但由于物質(zhì)所含的核子數(shù)目是十分巨大的，其單位質(zhì)量所放出的能量也就十分驚人。為了使裂變產(chǎn)生的能量可以被利用，必須讓一個(gè)原子核的裂變引發(fā)其他原子核發(fā)生裂變，讓核裂變過(guò)程自己持續(xù)下去，源源不斷地將核能釋放出來(lái)(如圖5-5-1所示)。這樣的核反應(yīng)叫作鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

鈾核裂變時(shí)，同時(shí)放出2~3個(gè)中子，有時(shí)甚至可以放出更多的中子。如果這些中子再引起其他鈾235發(fā)生核裂變，就可使裂變反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。在天然鈾中，主要有兩種同位素，其中99.3%是鈾238，0.7%是鈾235。這兩種鈾跟中子的作用很不相同，鈾235俘獲各種能量的中子時(shí)都可能發(fā)生裂變。鈾238只有俘獲能量大于1MeV的中子才可能發(fā)生裂變。能量低于1MeV的中子跟鈾238基本上只發(fā)生彈性碰撞，不引起核反應(yīng)、因此，為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好是利用高濃度鈾235。鈾塊的體積對(duì)于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也是一個(gè)重要因素。因?yàn)樵雍朔浅Ｐ?，如果鈾塊的體積不夠大，中子從鈾塊中通過(guò)時(shí)，可能還沒(méi)有碰到鈾核就跑到鈾塊外面去了。能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊最小體積叫作它的臨界體積。如果鈾235的體積超過(guò)了它的臨界體積，只要有中子進(jìn)入鈾塊，就會(huì)立即引起鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在極短時(shí)間內(nèi)就會(huì)釋放出大量的核能，發(fā)生猛烈的爆炸，原子彈就是根據(jù)這個(gè)原理制成的。二、核聚變及受控?zé)岷朔磻?yīng)

該過(guò)程約釋放出17.6MeV的結(jié)合能。聚變時(shí)每個(gè)核子平均釋放的結(jié)合能要比重核裂變時(shí)每個(gè)核子平均釋放的結(jié)合能大3~4倍。

人工的熱核反應(yīng)可以通過(guò)原子彈爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫來(lái)達(dá)到，氫彈就是這樣制成的。如果熱核反應(yīng)所釋放的巨大能量不是以爆炸的形式釋放，而是在人工控制下逐漸地釋放出來(lái)并加以利用（例如發(fā)電），這被稱(chēng)為受控?zé)岷朔磻?yīng)。目前，受控?zé)岷朔磻?yīng)是一項(xiàng)正在研究的尖端課題，其應(yīng)用前景十分誘人，可徹底解決人類(lèi)未來(lái)的能源問(wèn)題，因此受到各國(guó)的高度重視。三、核能利用目前，人類(lèi)主要是開(kāi)發(fā)利用核裂變，還無(wú)法有效控制利用核聚變。原子彈爆炸時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度是不加控制的，為了人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使核能平緩地釋放出來(lái)，人們制成了核反應(yīng)堆。如圖5-5-3所示是熱中子反應(yīng)堆示意圖。熱中子反應(yīng)堆用的鈾棒是天然鈾或濃縮鈾(其中鈾235的含量約為3%)。由于裂變產(chǎn)生的是速度很大的快中子，很容易被鈾238俘獲而不發(fā)生裂變，所以必須設(shè)法使中子在碰上鈾238前降低速度。為此在鈾棒的周?chē)派显恿勘容^小又不吸收或很少吸收中子的物體，如石墨、重水，快中子跟這些物體的原子核碰撞后，能量減小，變成慢中子，或稱(chēng)熱中子。這種用來(lái)使中子減速的物體叫作慢化劑。慢中子碰到鈾238時(shí)會(huì)彈射回來(lái)，卻容易被鈾235俘獲而引起裂變。為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒。鎘吸收中子的能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí)，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些；當(dāng)反應(yīng)過(guò)于緩慢，達(dá)不到所需功率時(shí)，將鎘棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度就會(huì)增大。這種鎘棒被稱(chēng)為控制棒。用電子儀器自動(dòng)地調(diào)節(jié)控制棒，就能使反應(yīng)堆保持一定的功率輸出而安全地運(yùn)行。核反應(yīng)堆工作時(shí)，核燃料裂變釋放出的核能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽狗磻?yīng)堆的溫度升高。水、液態(tài)鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，不斷地帶走熱能，輸出的熱能可用于發(fā)電。為了防止鈾核裂變物放出的各種射線對(duì)人體產(chǎn)生危害，在核反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥防護(hù)層，用來(lái)屏蔽射線，不讓它們透射出來(lái)。對(duì)放射性的廢料，也要裝入特制的容器中，埋入深地層來(lái)處理。利用核反應(yīng)堆工作時(shí)釋放出的熱能，可以使水汽化以推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，這就是核電站。核電站消耗的“燃料”很少，一座百萬(wàn)千瓦的核電站，每年只消耗30噸左右濃縮鈾，而同樣功率的火力發(fā)電站，每年卻要消耗250萬(wàn)噸煤。目前，核能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益跟火電站大體相同。為了適應(yīng)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)對(duì)能源日益增長(zhǎng)的需要，我國(guó)已于沿海地區(qū)建成投產(chǎn)多座核電站。把核反應(yīng)堆小型化，可以用于核動(dòng)力潛艇、核動(dòng)力破冰船和核動(dòng)力航空母艦

1.下列說(shuō)法正確的是（）A．結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定B．核聚變又叫熱核反應(yīng)，太陽(yáng)就是一個(gè)熱核反應(yīng)堆C．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)入射光越強(qiáng)，光電子的最大初動(dòng)能越大D．盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型可以解釋原子的穩(wěn)定性，但無(wú)法解釋原子光譜的分立特征B課堂練習(xí)2.2021年12月6日，全球第一臺(tái)“華龍一號(hào)”核電機(jī)組——中核集團(tuán)福建福清核電5號(hào)機(jī)組首個(gè)燃料循環(huán)結(jié)束，開(kāi)始首次換料大修。如圖為普通核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)示意圖，通過(guò)鈾235鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核能的可控釋放。下列說(shuō)法正確的是（）A．鎘棒通過(guò)改變中子的數(shù)量來(lái)控制反應(yīng)速度B．中子速度越快越容易使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生C．正常運(yùn)行的反應(yīng)堆水泥防護(hù)層外會(huì)檢測(cè)到大量α粒子D．鈾核裂變時(shí)釋放能量的多少與產(chǎn)物種類(lèi)無(wú)關(guān)A課堂練習(xí)3.下列說(shuō)法正確的是（）A．氫原子的發(fā)射光譜是連續(xù)譜B．太陽(yáng)輻射的能量主要來(lái)自太陽(yáng)內(nèi)部的核裂變C．目前核電站利用的核反應(yīng)是核聚變，核燃料為氘D．一束光照射到某種金屬上不能發(fā)生光電效應(yīng)，是因?yàn)樵摴獾念l率小于金屬的截止頻率D

4.2021年11月3日上午，清華大學(xué)王大中院士在北京人民大會(huì)堂被授于2020年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，王大中院士領(lǐng)導(dǎo)清華大學(xué)核能研究團(tuán)隊(duì)以提高核能安全性為主要學(xué)術(shù)理念，成功走出了一條以固有安全為主要特征的先進(jìn)核能技術(shù)的發(fā)展之路。下列有關(guān)核反應(yīng)的說(shuō)法，正確的是（）A．鈾核的衰變和裂變都能自發(fā)發(fā)生B．兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的比結(jié)合能增加C．溫度升高，鈾核的半衰期將逐漸減小D．要使重核裂變產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，需用α粒子轟擊重核B5.下列說(shuō)法中正確的是（）A．太陽(yáng)輻射的能量主要來(lái)自太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變反應(yīng)B．幾個(gè)核子結(jié)合成原子核的過(guò)程一定有質(zhì)量虧損，需要吸收能量C．知道氡元素的半衰期我們就能知道一個(gè)氡原子核將何時(shí)發(fā)生衰變D．大量處于n=3能級(jí)的氫原子自發(fā)躍遷，可能輻射2種不同頻率的光A6.1999年9月，日本發(fā)生嚴(yán)重的核泄漏，這是和工廠將核原料（六氟化鈉）提煉成核反應(yīng)材料（二氟化鈾）時(shí)操作失誤造成的，工作人員在一個(gè)加工爐中投入16kg的核原料，大大超過(guò)了規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，從而造成了核泄漏，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是（）A．臨界體積 B．臨界壓強(qiáng)C．臨界溫度 D．由一定的溫度、體積和壓強(qiáng)共同確定A7.2022年3月11日，遼寧省紅沿河核電廠核能供暖項(xiàng)目進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性推進(jìn)階段。該項(xiàng)目提高了地方集中供熱能力和市政基礎(chǔ)配套設(shè)施水平，還將助力地方踐行“雙碳”目標(biāo)，從而為我國(guó)在東北地區(qū)實(shí)施長(zhǎng)距離、大溫差核能供熱提供有力的先行示范。下列說(shuō)法正確的是（）A．核反應(yīng)過(guò)程中原子核的質(zhì)量和質(zhì)量數(shù)均減少B．原子核比結(jié)合能越大，核子的平均質(zhì)量越小，原子核越穩(wěn)定C．紅沿河核電廠的原理是熱核反應(yīng)D．核裂變反應(yīng)中，反應(yīng)物的結(jié)合能之和大于生成物的結(jié)合能之和B8.重核裂變和輕核聚變是人類(lèi)獲得核能的兩種主要途徑，關(guān)于裂變和聚變，下列說(shuō)法正確的是（）A．裂變釋放能量，聚變吸收能量B．裂變過(guò)程有質(zhì)量虧損，聚變過(guò)程無(wú)質(zhì)量虧損C．裂變和聚變都可以釋放出巨大的能量D．太陽(yáng)能來(lái)源于太陽(yáng)內(nèi)部發(fā)生的核裂變C9.2022年1月3日，聯(lián)合國(guó)安理會(huì)5個(gè)常任理事國(guó)美中俄英法罕見(jiàn)發(fā)表聯(lián)合聲明，表達(dá)防止核武器擴(kuò)散決心。關(guān)于核反應(yīng)和核能，下列說(shuō)法正確的是（）A．原子彈和氫彈都能瞬間放出巨大的能量，但原理不同。前者是利用了核聚變，后者是利用核裂變B．核動(dòng)力航空母艦的動(dòng)力裝置是核反應(yīng)堆，常用核反應(yīng)堆中是用鎘棒來(lái)控制核裂變的反應(yīng)速度C．目前核電站是采用核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，當(dāng)鈾塊的體積小于臨界體積時(shí)就會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)放出巨大能量D．原子核在超高溫下才能發(fā)生聚變，說(shuō)明核聚變過(guò)程需要吸收能量B10.2021年5月我國(guó)的“人造太陽(yáng)”工程成功創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子運(yùn)行?！叭嗽焯?yáng)”其實(shí)是一種全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，以上紀(jì)錄的創(chuàng)造標(biāo)志著我國(guó)核聚變能源開(kāi)發(fā)技術(shù)水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列。下列關(guān)于核聚變的說(shuō)法正確的是（）A．我國(guó)的大亞灣核電站采用的是核聚變技術(shù)進(jìn)行發(fā)電的B．任何兩個(gè)原子核都可以發(fā)生聚變C．兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，核子的比結(jié)合能一定增大D．兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，大核的質(zhì)量與兩輕核的質(zhì)量之和相等C課堂小結(jié)

課堂小結(jié)二、反應(yīng)堆與核電站1．核電站：利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是反應(yīng)堆，它主要由以下幾部分組成：(1)燃料：鈾棒。(2)慢化劑：石墨、重水和普通水(也叫輕水)。(3)控制棒：為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒，它吸收中子的能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí)，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些，這種鎘棒叫作控制棒。課堂小結(jié)2．工作原理核燃料發(fā)生核裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻。3．核污染的處理在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來(lái)屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線。核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。課堂小結(jié)

課堂小結(jié)6．核聚變與核裂變的比較(1)優(yōu)點(diǎn)：①輕核聚變產(chǎn)能效率高；②地球上核聚變?nèi)剂想碗暗膬?chǔ)量豐富；③輕核聚變更為安全、清潔。(2)缺點(diǎn)：核聚變需要的溫度太高，地球上沒(méi)有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。解決方案：磁約束和慣性約束。課堂訓(xùn)練1.2019年新中國(guó)成立70周年之際，“兩彈一星”元?jiǎng)壮涕_(kāi)甲被授予“人民科學(xué)家”國(guó)家榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)，程開(kāi)甲曾參與了我國(guó)第一顆原子彈的研制，還參與主持了氫彈、兩彈結(jié)合等多種實(shí)驗(yàn)方式的30多次核試驗(yàn)，在我國(guó)的核事業(yè)發(fā)展上立下累累功勛，被稱(chēng)為中國(guó)“核司令”。關(guān)于核知識(shí)的敘述，下列說(shuō)法不正確的是（）A．太陽(yáng)中的能量主要來(lái)源于氫核的聚變，發(fā)生聚變后產(chǎn)生的新核的比結(jié)合能增大B．大多數(shù)核電站的能量來(lái)源于重核裂變，發(fā)生裂變后產(chǎn)生的新核的比結(jié)合能減小C．核聚變與核裂變都發(fā)生了質(zhì)量的虧損D．原子核的結(jié)合能是指組成原子核的所有核子所具有的能量之和BD課堂訓(xùn)練2.2021年5月28日，中國(guó)在核聚變研究領(lǐng)域獲得重大突破，全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）成功實(shí)現(xiàn)了1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行。關(guān)于核聚變，下列說(shuō)法中正確的是（）A．恒星的內(nèi)部進(jìn)行著核聚變反應(yīng)B．核聚變和核裂變互為逆過(guò)程C．核聚變過(guò)程中質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒D．核聚變過(guò)程中存在質(zhì)量虧損，虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了能量AC課堂訓(xùn)練3.2020年11月27日00時(shí)41分，華龍一號(hào)全球首堆中核集團(tuán)福清核電5號(hào)機(jī)組首次并網(wǎng)成功。如圖所示是原子核的比結(jié)合能與質(zhì)量數(shù)的關(guān)系圖，下列說(shuō)法正確的是（）A．核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒B．華龍一號(hào)的原理是熱核反應(yīng)C．原子核比結(jié)合能越大，核子的平均質(zhì)量越小，原子核越穩(wěn)定D．核裂變反應(yīng)發(fā)生中，反應(yīng)物的結(jié)合能之和大于生成物的結(jié)合能之和AC課堂訓(xùn)練4.2021年10月5日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了分別來(lái)自美國(guó)、德國(guó)、意大利的三位科學(xué)家，其中意大利科學(xué)家喬治·帕里西因發(fā)現(xiàn)了“從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)中無(wú)序和波動(dòng)的相互作用”而獲獎(jiǎng)。下列有關(guān)原子和近代物理的說(shuō)法正確的是（）A．光電效應(yīng)說(shuō)明光具有波動(dòng)性B．α粒子散射實(shí)驗(yàn)說(shuō)明原子具有核式結(jié)構(gòu)C．現(xiàn)有的核電站都是利用核裂變來(lái)發(fā)電的D．β射線是原子核外電子逸出的電子流BC課堂訓(xùn)練5.鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊，這類(lèi)核反應(yīng)被定名為核裂變。1947年我國(guó)科學(xué)家錢(qián)三強(qiáng)、何澤慧在實(shí)驗(yàn)中觀察到鈾核也可以分裂為三部分或四部分。關(guān)于鈾核的裂變，下列說(shuō)法正確的是（）A．裂變的產(chǎn)物不是唯一的B．裂變的同