【同步】物理人教2019版選擇性必修3：第五章原子核4核裂變與核聚變課件

第五章原子核4核裂變與核聚變學(xué)習目標學(xué)法與考法1．知道重核裂變的產(chǎn)物和鏈式反應(yīng)發(fā)生的條件(重點)2．知道核聚變，了解受控聚變反應(yīng)(重點)3．會判斷和書寫核裂變、核聚變方程，能計算核反應(yīng)釋放的能量(重難點)學(xué)法：①通過學(xué)習核裂變，知道鏈式反應(yīng)發(fā)生的條件，了解裂變反應(yīng)堆的工作原理和常用裂變反應(yīng)堆的類型．②通過學(xué)習核聚變，了解聚變反應(yīng)的特點及其條件考法：①對鏈式反應(yīng)、重核裂變的理解及核反應(yīng)方程式的書寫的考查．②對聚變反應(yīng)的特點、條件及核反應(yīng)方程式的書寫的考查．③對核裂變與核聚變釋放核能計算的考查知識導(dǎo)圖

課前?自主預(yù)習核裂變1．重核的裂變(1)核裂變：用________轟擊鈾核，鈾核分裂成質(zhì)量_______的兩部分，并釋放出能量的核反應(yīng)過程叫作核裂變．(2)裂變能：核裂變________出的能量稱為裂變能，也稱核能或原子能．核裂變是釋放核能的方法之一．(3)鈾核裂變的產(chǎn)物多種多樣，其中有代表性的有：中子相近釋放鏈式反應(yīng)最小臨界體積中子源原子核釋放粒子的過程也是核裂變的過程嗎？核裂變的條件是什么？【答案】原子核釋放粒子的過程不是核裂變的過程．核裂變的條件是發(fā)生鏈式反應(yīng)．

(多選)1938年哈恩用中子轟擊鈾核，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中有原子核鋇(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射線．下列關(guān)于這個實驗的說法中正確的是 (

)B．這是一個核裂變過程，反應(yīng)后粒子質(zhì)量之和大于反應(yīng)前粒子質(zhì)量之和C．實驗中產(chǎn)生的γ射線穿透能力極強D．這個反應(yīng)中釋放出的能量可以用愛因斯坦的質(zhì)能方程來計算【答案】ACD核電站1．核電站：利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是_________，它主要由以下幾部分組成：(1)燃料：________．(2)慢化劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng)，采用________、重水或普通水作慢化劑．(3)控制棒：為了控制能量釋放的速度，就要想辦法調(diào)節(jié)中子的數(shù)目，采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法，利用鎘__________的特性，就可以容易地控制鏈式反應(yīng)的速度．反應(yīng)堆鈾棒石墨吸收中子2．工作原理：核燃料________釋放能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高．3．能量輸出：利用水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外_____________，用于發(fā)電．4．核污染的處理：在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的________，用來屏蔽裂變反應(yīng)放出的各種射線，核廢料具有很強的________，需要裝入特制的容器，深埋地下．裂變循環(huán)

流動

水泥層放射性核反應(yīng)堆可以人工控制核反應(yīng)速度嗎？減速劑的作用是使快中子減速變成慢中子嗎？【答案】核反應(yīng)堆可以人工控制核反應(yīng)速度．減速劑的作用是使快中子減速變成慢中子，從而使更多的鈾核產(chǎn)生鏈式反應(yīng)，不是為了減慢裂變速度，而是為了提高中子的利用率．

(多選)請根據(jù)所學(xué)物理知識，判斷下列說法中正確的是

(

)A．核能發(fā)電對環(huán)境的污染比火力發(fā)電要小B．所有核電站都只利用重核裂變釋放大量的原子能C．所有核電站既有重核裂變，又有輕核聚變釋放大量的原子能D．如果核電站能實現(xiàn)可控輕核聚變發(fā)電，其核廢料處理更簡單，對環(huán)境污染更小【答案】ABD【解析】目前核電站都用核裂變，其原料是鈾，且核能是比較清潔的能源，故A、B正確，C錯誤；如果核電站能實現(xiàn)可控輕核聚變發(fā)電，其核廢料處理起來比鈾核裂變廢料更容易，對環(huán)境污染也更小，D正確．核聚變與受控熱核反應(yīng)1．核聚變(1)定義：兩個輕核結(jié)合成__________的核，并釋放出________的反應(yīng)．質(zhì)量較大能量(3)條件：①輕核的距離要達到__________以內(nèi)．②需要加熱到很高的________，因此又叫____________．10－15m

溫度熱核反應(yīng)(4)應(yīng)用：目前，熱核反應(yīng)主要用在核武器上，那就是________，需要用_________爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)核爆炸．(5)太陽能：太陽的主要成分是氫，太陽中心溫度可達1.5×107K，在此高溫下，氫核聚變成氦核的反應(yīng)不停地進行著，太陽能就來自于太陽內(nèi)部_________釋放的核能．氫彈原子彈核聚變2．受控熱核反應(yīng)(1)聚變的優(yōu)點：①輕核聚變產(chǎn)能效率高；②地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富；③輕核聚變更為安全、清潔，控制溫度，可控制反應(yīng)，而且生成的廢物數(shù)量少、易處理．(2)聚變的難點：地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受熱核反應(yīng)的高溫．(3)控制方法．①磁約束：利用磁場約束參加反應(yīng)的物質(zhì)，目前最好的一種磁約束裝置是_________．②慣性約束：聚變物質(zhì)因自身的慣性，在極短時間內(nèi)來不及擴散就完成了核反應(yīng)，在慣性約束下，用________從各個方向照射反應(yīng)物，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)．環(huán)流器激光輕核發(fā)生聚變反應(yīng)需要什么條件？太陽中發(fā)生的是可控熱核聚變反應(yīng)嗎？【答案】輕核發(fā)生聚變反應(yīng)需要高溫．太陽中發(fā)生的是不能實現(xiàn)人工控制的輕核聚變．

(2023年徐州期末)如圖所示為氘核與氚核的核聚變示意圖．下列說法正確的是(

)A．目前核電站主要利用核聚變來發(fā)電B．與輕核聚變相比，重核裂變更安全、更清潔C．要使氘核與氚核接近到可以聚變的距離，需要給它們提供足夠的動能D．要使核聚變持續(xù)發(fā)生，需要外界持續(xù)不斷的提供能量【答案】C【解析】目前我國核電站還主要是利用重核裂變釋放的能量來發(fā)電，A錯誤；輕核聚變與重核裂變相比，聚變更為安全、清潔，廢物數(shù)量少，B錯誤；要使氘核與氚核接近到可以聚變的距離，需要給它們提供足夠的動能，C正確；核聚變一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就會使反應(yīng)繼續(xù)下去，D錯誤．課堂?重難探究－探究重核裂變反應(yīng)1．鈾核的裂變和裂變方程(1)核子受激發(fā)：當中子進入鈾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動，使核變成不規(guī)則的形狀．(2)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，同時放出2或3個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進行下去，釋放出越來越多的核能．(3)常見的裂變方程：2．鏈式反應(yīng)的條件(1)有慢中子轟擊．(2)鈾塊的體積大于臨界體積，或鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量．以上兩個條件滿足一個，則另一個條件自動滿足．3．裂變反應(yīng)的能量：鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量．一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變放出的能量相當于2800t標準煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產(chǎn)生幾百萬度的高溫．對重核裂變的理解例1關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是 (

)A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量B．中子從鈾塊中通過時，一定發(fā)生鏈式反應(yīng)C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少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，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能【答案】D【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，其釋放的能量遠大于其俘獲中子時吸收的能量．鏈式反應(yīng)是有條件的，即鈾塊的體積必須大于其臨界體積．如果體積小，中子從鈾塊中穿過，碰不到原子核，則鏈式反應(yīng)不會發(fā)生．變式1

(多選)(2023年日照期末檢測)中子的發(fā)現(xiàn)對認識原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個轉(zhuǎn)折點，具有重大的理論意義，也為原子能的利用開辟了道路，可以說中子敲開了人類進入原子能時代的大門．下列核反應(yīng)方程中，X1、X2、X3、X4代表中子的有 (

)【答案】AD裂變中核能的計算(1)核反應(yīng)方程中的ν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)；(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＝1.6606×10－27kg，試計算一個鈾核裂變釋放的能量．解：(1)根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，可得Zr的電荷數(shù)Z＝92－60＋8＝40，質(zhì)量數(shù)A＝236－143－3×1＝90．(2)方法一：質(zhì)量虧損Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.2174u．一個鈾核裂變釋放能量ΔE＝Δm×931.5MeV＝0.2174×931.5MeV≈202.5MeV．方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.2174u＝0.2174×1.6606×10－27kg≈3.6×10－28kg，ΔE＝Δmc2＝3.6×10－28×(3×108)2J＝3.24×10－11J．【答案】B重核裂變中核能的計算方法解答這類問題，一般是先根據(jù)核反應(yīng)方程求出一個重核裂變時發(fā)生的質(zhì)量虧損，由質(zhì)能方程計算出釋放的能量，然后用阿伏加德羅常數(shù)把核能與重核質(zhì)量聯(lián)系起來．另外，在計算過程中要注意單位的統(tǒng)一．－核電站1．核反應(yīng)堆的組成核反應(yīng)堆由堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和防護層等部分組成．其中控制棒用能吸收慢中子的鎘或硼鋼制成，以控制鏈式反應(yīng)的速度．之所以把它叫作“堆”，是因為世界上第一個核反應(yīng)堆是由石墨塊(用以控制反應(yīng)速度)和金屬鈾塊(反應(yīng)燃料)一層一層交替地“堆”起來而構(gòu)成的．2．核反應(yīng)堆與原子彈爆炸的比較原子彈爆炸時鏈式反應(yīng)的速度是無法控制的，為了用人工方法控制鏈式反應(yīng)的速度，使核能比較平緩地釋放出來，人們制成了核反應(yīng)堆(核電站的核心設(shè)施)．核反應(yīng)堆是人工控制鏈式反應(yīng)的裝置．3．核電站發(fā)電的主要原理核燃料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，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去．反應(yīng)堆放出的熱使水變成水蒸氣，這些高溫高壓的蒸汽推動汽輪發(fā)電機發(fā)電．這一部分的工作原理和火力發(fā)電相同．對原子核反應(yīng)堆的理解例3關(guān)于核反應(yīng)堆中用鎘棒控制反應(yīng)速度的原理，下列說法正確的是

(

)A．鎘棒能釋放中子，依靠釋放的多少控制反應(yīng)速度B．用鎘棒插入的多少控制快中子變?yōu)槁凶拥臄?shù)量C．利用鎘棒對中子吸收能力強的特點，依靠插入的多少控制中子數(shù)量D．鎘棒對鈾核裂變有一種阻礙作用，利用其與鈾的接觸面積的大小控制反應(yīng)速度【答案】C【解析】鎘棒不是離子源不會釋放中子，A錯誤，也不是減速劑，不能使快中子變?yōu)槁凶?，B、D錯誤，鎘棒對中子有吸收作用，通過中子強度檢測器檢測，當反應(yīng)太強，鎘棒能自動插入，多吸收中子，反之，自動抽出，少吸收中子，故鎘棒也叫控制棒，C正確．變式3

(多選)如圖是核電站工作流程圖，關(guān)于核能，下列說法正確的是

(

)A．核反應(yīng)堆可以把核能直接轉(zhuǎn)化為電能B．核反應(yīng)堆利用的是原子核衰變過程產(chǎn)生的能量C．核反應(yīng)生成物的比結(jié)合能大于反應(yīng)物的比結(jié)合能D．水泥防護層的作用是屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線【答案】CD【解析】核反應(yīng)堆把核能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，再轉(zhuǎn)化為電能，A錯誤；核反應(yīng)堆利用的是核裂變過程產(chǎn)生的能量，B錯誤；核反應(yīng)堆中發(fā)生核反應(yīng)要放出熱量，則核反應(yīng)生成物的比結(jié)合能大于反應(yīng)物的比結(jié)合能，C正確；水泥防護層的作用是屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線，D正確．－探究核聚變反應(yīng)1．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10－15m，這要克服電荷間強大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能．要使原子核具有足夠大的動能，就要給它們加熱，使物質(zhì)達到幾百萬開爾文的高溫．2．輕核聚變是放能反應(yīng)從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個放能反應(yīng)．3．核聚變的特點(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量．(2)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進行下去．(3)普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應(yīng)堆．4．核聚變的應(yīng)用(1)核武器——氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置．它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸．(2)可控熱核反應(yīng)：目前處于探索階段．5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別核反應(yīng)重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能量要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡單得多核反應(yīng)重核裂變輕核聚變原料的蘊藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢?，尤其用于核裂變的?35在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲量非常豐富．1L海水中大約有0.03g氘，如果用來進行熱核反應(yīng)，放出的能量約與燃燒300L汽油相當可控性速度比較容易進行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應(yīng)釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它對核聚變的理解例4

(多選)下列說法正確的是

(

)A．聚變反應(yīng)中有質(zhì)量虧損，所以必向外界放出能量B．要使輕核發(fā)生聚變反應(yīng)，必須使核之間的距離接近到1×10－15m，也就是接近到核力能夠發(fā)生作用的范圍內(nèi)C．要使核發(fā)生聚變反應(yīng)，必須克服核力做功D．熱核反應(yīng)只有在人工控制下才能發(fā)生【答案】AB【解析】由質(zhì)能方程可知，A正確；輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，必須使輕核間的距離達到核力能發(fā)生作用的范圍，才能使它們緊密地結(jié)合起來，B正確、C錯誤；熱核反應(yīng)必須在很高的溫度下才能發(fā)生，不一定要人工控制，D錯誤．變式4

(2023年寧波檢測)2023年4月12日我國有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置——東方超環(huán)(EAST)創(chuàng)造了新的世界紀錄，成功實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運行403秒，對探索未來的聚變堆前沿物理問題，提升核聚變能源經(jīng)濟性、可行性，加快實現(xiàn)聚變發(fā)電具有重要意義，下列說法正確的是

(

)A．目前人類只能通過裂變利用核能B．核反應(yīng)只有裂變與聚變兩種，α衰變也屬于裂變C．地球上核聚變?nèi)剂想畠α控S富，氚則需要制取D．聚變反應(yīng)中帶正電的2H與3H結(jié)合過程中需通過高溫克服核子間的強相互作用【答案】C【解析】目前人類可以通過裂變和聚變利用核能，A錯誤；核反應(yīng)有裂變、聚變、衰變和人工轉(zhuǎn)變四種，α衰變屬于衰變，B錯誤；地球上核聚變?nèi)剂想畠α控S富，氚則需要制取，C正確；聚變反應(yīng)中帶正電的2H與3H結(jié)合過程需通過高溫克服核子間的強大的庫侖斥力作用，D錯誤．對輕核聚變理解的兩個誤區(qū)1．誤認為聚變就是裂變的逆反應(yīng)．產(chǎn)生這種誤區(qū)的原因是對聚變和裂變的本質(zhì)沒有理解透徹，裂變時重核分裂成中等核，而聚變是輕核聚合成為次輕核，無直接關(guān)聯(lián)，并非互為逆反應(yīng)．2．不能正確判斷聚變、裂變、衰變及人工轉(zhuǎn)變的方程．這是由對以上核反應(yīng)方程的理解不深刻造成的．這四種方程在形式上很相近，因此判斷時容易混淆出錯，要想正確判斷必須抓住它們的實質(zhì)：核聚變是輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，也會放出中子；重核裂變時鈾核捕獲中子裂變?yōu)閮蓚€或更多個中等質(zhì)量的核，并放出幾個中子；人工轉(zhuǎn)變常用α粒子或中子去轟擊原子核，產(chǎn)生新原子核并放出一個或幾個粒子；衰變是原子核自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核，并向外輻射出α粒子或β粒子的反應(yīng)，衰變根據(jù)向外輻射粒子的不同分為α衰變和β衰變兩種．聚變中核能的計算例5一個質(zhì)子和兩個中子聚變?yōu)橐粋€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＝3.018u．(1)寫出聚變方程；(2)釋放出的核能有多大？(3)平均每個核子釋放的能量有多大？(2)質(zhì)量虧損Δm＝mH＋2mn－m＝(1.0073＋2×1.0087－3.018)u＝0.0067u．釋放的核能ΔE＝Δmc2＝0.0067×931.5MeV≈6.24MeV．所以該反應(yīng)釋放出的能量為ΔE＝Δm·c2＝17.6MeV．1．核聚變反應(yīng)和一般的核反應(yīng)一樣，也遵循電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，這是書寫核反應(yīng)方程式的重要依據(jù)．2．核能的計算關(guān)鍵是求出核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損，然后代入ΔE＝Δmc2進行計算．小練?隨堂鞏固1．(多選)關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是 (

)A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量B．中子從鈾塊中通過時，但不一定發(fā)生鏈式反應(yīng)C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減小D．重