第15.3節(jié) 核能及其應用（原卷版）

第十五章原子核15.3核能及其應用??目標導航學問要點難易度1.核力和四種相互作用2.原子核的比結合能越大，核越穩(wěn)定。比結合能由小變大，釋放能量3.質量虧損和質能方程4.裂變和鏈式反應5.聚變和可控核聚變★★★★

★★★★★★★??學問精講一、核力1.定義：原子核內肯定有一種比庫侖斥力更強的吸引力，使得核子彼此吸引并緊密地結合在一起的作用力。2.性質：(1)質子和質子、質子和中子以及中子和中子之間都存在核力。(2)核力大小是相同的，與核子是否帶電無關。(3)短程力：作用范圍大約在1.4×10-15m(大約相當于質子的半徑)以內，超出這一范圍，快速減小為零。所以核力只發(fā)生在鄰近的少數(shù)核子之間，核力比庫侖力強100倍以上，即強相互作用。3.四種相互作用：引力相互作用，電磁相互作用，強相互作用，弱相互作用。萬有引力、重力是引力相互作用；彈力、摩擦力本質上是電磁相互作用力；質子和中子之間的相互作用就是強相互作用；原子核β衰變是弱相互作用。例1．（多選）關于原子內的相互作用力說法正確的是()A．原子核與電子之間的作用力主要是電磁力B．中子和質子間的作用力主要是核力C．質子與質子間的核力，在2.0×10－15m的距離內遠大于它們相互間的庫侖力D．原子核與電子之間的萬有引力大于它們之間的電磁力二、原子核的結合能和平均結合能1.原子核分解需要吸取能量，核子結合成原子核放出能量。要使一個核子脫離原子核，外界必需克服核力做功。因此，將原子核分解成彼此分別的核子，全部核子的能量之和比未分別的原子核能量大。例如，用能量為2.22MeV的γ粒子照射氘核，會發(fā)生如下的核反應：反之，在中子和質子結合成核的過程中會放出一個能量為2.22MeV的γ粒子。這表明，原子核分解成核子需要吸取肯定的能量，核子結合成原子核時則放出同樣大的能量。2.原子核的結合能：原子核各個核子彼此分別時的總能量與該原子核能量之差稱為原子核的結合能。一般來說，原子核的核子數(shù)越多，結合能越大。3.比結合能：是指原子核中每個核子結合能的平均值，也稱平均結合能。比結合能越大，原子核中核子結合得越堅固，原子核越穩(wěn)定。（通俗理解，吸引得越緊）比結合能-原子序數(shù)的圖像如下：假如核反應從比結合能小的原子核變成比結合能大的原子核，分解所需能量小于結合釋放能量，總體釋放能量。從上圖可知，中等質量數(shù)的核比結合能較大，所以重核裂變或輕核聚變都會釋放能量。4.質量虧損和質能方程①質量虧損：原子核的質量小于組成原子核的全部核子的總質量，兩者之差稱為質量虧損。②質能方程：物體的能量與它的質量的關系是：E＝mc2。③質量虧損?m與原子核的結合能E之間的關系符合愛因斯坦提出的質能方程：深化理解：(1)所謂質量虧損，并不是質量消逝，而是削減的質量在核子結合成核的過程中以能量的形式輻射出去了。反之，把原子核分裂成核子，總質量要增加，總能量也要增加，增加的能量要由外部供應。(2)依據(jù)質能方程，物體的總能量與其質量成正比。物體質量增加，則總能量隨之增加；質量削減，總能量也隨之削減，這時質能方程也寫作ΔE＝Δmc2。(3)運用質能方程時單位常用“原子質量單位”(u)和“兆電子伏特”(MeV)，即1u=931.5MeV。

例2．原子核的比結合能曲線如圖所示。依據(jù)該曲線，下列推斷正確的有（）A．核的結合能約為14MeV B．兩個核結合成核時釋放能量C．核比核更穩(wěn)定 D．U核中核子的平均結合能比Kr核中的大例3．21.質子、中子和氘核的質量分別為m1、m2和m3，真空中光速為c，當質子和中子結合成氘核時，放出的能量是（）A.m3c2B(m1+m2)c2C.(m3-m2-m1)c2D.(m1+m2-m3)c2三、原子核的裂變1.核裂變：重核受到中子轟擊后分裂成中等質量的原子核，同時放出能量的核反應。2.典型的裂變方程(1)eq\o\al(235,

92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,

54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n(2)eq\o\al(235,

92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,

56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n3.鈾235裂變的液滴模型：例4．一個EQ\S(235,92)U原子核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應，其裂變方程為EQ\S(235,92)U+EQ\S(1,0)n→X+EQ\S(94,38)Sr+2EQ\S(1,0)n，則下列敘述正確的是（）(A)X原子核中含有86個中子(B)X原子核中含有141個核子(C)由于裂變時釋放能量，依據(jù)E=mc2，所以生成物的總質量數(shù)增加(D)由于裂變時釋放能量，消滅質量虧損，所以生成物的總質量數(shù)削減四、鏈式反應1.定義：當一個中子引起一個重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且由重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代連續(xù)下去的過程，這種反應叫核裂變的鏈式反應。2.鏈式反應的條件:①有足夠濃度的鈾235②有足夠數(shù)量的慢中子③發(fā)生裂變物質的體積大于臨界體積或裂變物質的質量大于臨界質量。3.原子彈利用重核的裂變反應制成的,高純度的鈾或钚超過臨界體積時發(fā)生鏈式反應,在極短時間內能夠釋放大量核能，發(fā)生猛裂爆炸。例5．鏈式反應中，重核裂變時放出的可以使裂變不斷進行下去的粒子是()A．質子B．中子C．β粒子 D．α粒子五、核裂變反應堆1.核反應堆的主要組成：（1）核燃料。用濃縮鈾（能吸取慢中子的鈾235占3%~4%）。核燃料：鈾235和钚239。（2）減速劑。用石墨或重水（使裂變中產生的中子減速，以便被鈾235吸取）。（3）把握棒。用鎘做成（鎘吸取中子的力量很強）。（4）冷卻劑。用水或液態(tài)鈉（把反應堆內的熱量傳輸出去用于發(fā)電，同時使反應堆冷卻，保證平安）。（5）水泥防護層。用來屏蔽裂變產物放出的各種射線。2.核電站：利用反應堆工作時釋放的熱能使水汽化以推動汽輪發(fā)電機發(fā)電，這就是核電站。大亞灣核電站，秦山核電站。例6．（多選）如圖是核電站工作流程圖，關于核能，下列說法正確的是（）A．核反應堆可以把核能直接轉化為電能B．核反應堆利用的是原子核衰變過程產生的能量C．核反應生成物的比結合能大于反應物的比結合能D．水泥防護層的作用是屏蔽裂變產物放出的各種射線六、原子核的聚變1.定義：兩個輕核結合成質量較大的核，這樣的核反應叫做核聚變。2.核聚變方程：13.人工熱核反應：氫彈首先由化學炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸。核反應方程：1反應過程具有不行控性。4.宇宙中的核聚變：太陽能是太陽內部的氫核聚變成氦核釋放的核能。5．核聚變與核裂變的比較：(1)優(yōu)點：①輕核聚變產能效率高；②地球上核聚變燃料氘和氚的儲量豐富；③輕核聚變更為平安、清潔；(2)缺點：核聚變需要的溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經受如此高的溫度。6.核反應類型總結類型：①自然?放射現(xiàn)象、衰變、?人工轉變、?裂變、?聚變規(guī)律：核反應方程遵循電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒。例7．（多選）下列說法正確的（）A．是衰變方程B．是核聚變反應方程C．是衰變反應方程D．是原子核的人工轉變方程七、可控核聚變人造小太陽的原理是利用太陽內部的能量產生氣制在地球上制造和利用能量，叫“可控核聚變”。例8．中國的“人造太陽”，又稱東方超環(huán)，全稱是全超導托卡馬克核聚變試驗裝置，是中國新一代先進磁約束核聚變試驗爭辯裝置。2021年5月28日，中國的“人造太陽”實現(xiàn)了可重復的1.2億度101秒等離子體運行，刷新了世界紀錄。所謂“人造太陽”，就是在地球上模擬太陽內部發(fā)生的核聚變反應，為人類供應源源不斷的清潔能源。其內部發(fā)生的一種核聚變反應方程為，下列說法正確的是（）A.反應產物X為B.核聚變后的產物X比結合能小于的比結合能C.可控的人工輕核聚變與核裂變相比更為平安、清潔D.要實現(xiàn)核聚變，需要將輕核加熱到很高的溫度，使它們具有足夠的動能克服核力作用而碰撞結合在一起??考點題型題型01利用比結合能計算核反應的釋放能量例9．如圖所示，圖甲為原子核的比結合能與質量數(shù)關系曲線，圖乙為原子核的平均核子質量與原子序數(shù)的關系曲線，依據(jù)兩曲線，下列說法正確的是（）A．依據(jù)圖甲可知，核的結合能約為7MeVB．依據(jù)圖甲可知，核的結合能比核的結合能更大C．依據(jù)圖乙可知，核D裂變成核E和F的過程中，比結合能減小D．依據(jù)圖乙可知，若A、B能結合成C，結合過程肯定要吸取能量題型02利用質能公式計算核反應釋放的能量例10．一個鈾235吸取一個中子后發(fā)生的一種核反應方程是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n，放出的能量為E，鈾235核的質量為M，中子的質量為m，氙136核的質量為m1，鍶90核的質量為m2，真空中光速為c，則釋放的能量E等于()A．(M－m1－m2)c2 B．(M＋m－m1－m2)c2C．(M－m1－m2－9m)c2 D．(m1＋m2＋9m－M)c2題型03核裂變和核聚變的理解例11．（多選）下列關于聚變的說法中正確的是()A．要使聚變產生，必需克服庫侖斥力做功B．輕核聚變需要幾百萬攝氏度的高溫，因此聚變又叫做熱核反應C．原子彈爆炸能產生幾百萬攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應D．自然界中不存在自然?的熱核反應例12．關于重核的裂變，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，肯定發(fā)生鏈式反應C．重核裂變釋放出大量能量，產生明顯的質量虧損，所以核子數(shù)要削減D．由于重核的核子平均質量大于中等質量核的核子平均質量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|量的核時，要發(fā)生質量虧損，放出核能題型04核反應生成粒子的能量計算例13．用速度幾乎是零的慢中子轟擊靜止的硼核（），產生鋰核（）和粒子。已知中子質量，硼核質量，鋰核質量，粒子質量。（計算結果均保留小數(shù)點后兩位數(shù)字）（1）寫出該反應的核反應方程。（2）求出該反應放出的能量。（3）若核反應中放出的能量全部變成生成核的動能，則鋰核和粒子的動能各是多少？（相當于）??鞏固練習~A組~1.通過百余年核物理的進展和進步，人們已經對原子核有了更進一步的生疏，下列說法正確的是（）A．兩個質子之間，不管距離如何，核力總是大于庫侖力B．原子核的結合能等于使其完全分解成自由核子所需要的能量C．比結合能越小，原子核越穩(wěn)定D．由愛因斯坦質能方程可知，質量和能量可以相互轉化2.（多選）關于原子核的結合能，下列說法正確的是()A．原子核的結合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B．一重原子核衰變成α粒子和另一原子核，衰變產物的結合能之和肯定大于原來重核的結合能C．銫原子核(eq\o\al(133,55)Cs)的結合能小于鉛原子核(eq\o\al(208,82)Pb)的結合能D．比結合能越大，原子核越不穩(wěn)定3.下列說法正確的是（）A. 愛因斯坦質能方程反映了物體的質量就是能量，它們之間可以相互轉化B. 由E=mc2可知，能量與質量之間存在著正比關系，可以用物體的質量作為它所隱藏的能量的量度C. 核反應中發(fā)覺的"質量虧損"是消逝的質量轉變?yōu)槟芰緿. 由于在核反應中能產生能量，有質量的轉化，所以系統(tǒng)中只有質量數(shù)守恒，總能量和總質量并不守恒4.（多選）下列說法正確的是()A．聚變反應中有質量虧損，所以必向外界放出能量B．要使核發(fā)生聚變反應，必需使核之間的距離接近到1×10－15m，即接近到核力能夠發(fā)生作用的范圍內C．要使核發(fā)生聚變反應，必需克服核力做功D．熱核反應只有在人工把握下才能發(fā)生5.（多選）關于原子核的變化、核能及核力，下列說法正確的是（）A．核力是一種弱相互作用，只能發(fā)生在原子核內相鄰核子之間B．某原子經過一次衰變和兩次衰變后，核內質子數(shù)不變C．放射性原子核X發(fā)生衰變，衰變產物的結合能之和肯定大于原來X的結合能D．原子核發(fā)生衰變時，不遵循能量守恒定律，但遵循動量守恒定律6．太陽輻射能量主要來自太陽內部的（）A．化學反應 B．放射性衰變 C．裂變反應 D．熱核反應7．當兩個中子和兩個質子結合成一個α粒子時，放出28.3MeV的能量，當三個α粒子結合成一個碳(C)核時，放出7.26MeV的能量，則當6個中子和6個質子結合成一個碳(C)核時，釋放的能量約為()A．21.04MeVB．35.56MeVC．77.64MeVD．92.16MeV8．關于下列核反應說法正確的是（）A．，此反應放出能量，所以結合能降低B．，此反應是核聚變，X是質子C．，此反應是核裂變，質量虧損，放出能量D．，此反應是α衰變，4個原子核經過兩個半衰期后還剩一個原子核9.一個eq\o\al(235,92)U原子核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應的裂變方程為eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→X＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n，則下列敘述正確的是()A．X原子核中含有86個中子B．X原子核中含有141個核子C．由于裂變時釋放能量，依據(jù)E＝mc2，所以裂變后的總質量數(shù)增加D．由于裂變時釋放能量，消滅質量虧損，所以生成物的總質量數(shù)削減10．“軌道電子俘獲”是放射性同位素衰變的一種形式，它是指原子核（稱為母核）俘獲一個核外電子，使其內部的一個質子變?yōu)橹凶?，并放出一個中微子，從而變成一個新核（稱為子核）的過程。中微子的質量遠小于質子的質量，且不帶電，很難被探測到，人們最早就是通過核的反沖而間接證明中微子的存在的，一個靜止的原子核發(fā)生“軌道電子俘獲”，衰變?yōu)樽雍瞬⒎懦鲋形⒆?，下面說法正確的是（）A．母核的質量數(shù)小于子核的質量數(shù)B．子核的動量與中微子的動量大小相同C．母核的電荷數(shù)小于子核的電荷數(shù)D．子核的動能大于中微子的動能11．科學家發(fā)覺在月球上含有豐富的eq\o\al(3,2)He(氦3)．它是一種高效、清潔、平安的核聚變燃料，其參與的一種核聚變反應的方程式為eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(3,2)He→2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(4,2)He.關于eq\o\al(3,2)He聚變，下列表述正確的是()A．聚變反應不會釋放能量B．聚變反應產生了新的原子核C．聚變反應沒有質量虧損D．目前核電站都接受eq\o\al(3,2)He聚變反應發(fā)電12．1個鈾235吸取1個中子發(fā)生核反應時，大約放出196MeV的能量，則1g純鈾235完全發(fā)生核反應放出的能量為(NA為阿伏加德羅常數(shù))()A．NA×196MeV B．235NA×196MeVC．235×196MeV D.eq\f(NA,235)×196MeV13．2020年12月4日14時02分，新一代“人造太陽”裝置——中國環(huán)流器二號M裝置（HL-2M）在成都建成并實現(xiàn)首次放電，標志著中國自主把握了大型先進托卡馬克裝置的設計、建筑和運行技術，其發(fā)生的可控核聚變方程為：+→+X（X表示某種粒子），則下列說法正確的是（）A．X為質子B．核能不屬于清潔能源C．該核反應是我國秦山核電站利用核能的方式D．原子核比原子核穩(wěn)定14．2019年8月我國已經建成了新托卡馬克(EAST)裝置——中國環(huán)流器二號M裝置(HL-2M)，為“人造太陽”制造了條件，其等離子溫度有望超過2億攝氏度，將中國的聚變堆技術提升到了新的高度。設該熱核試驗反應前氘核(H)的質量為m1，氚核(H)的質量為m2，反應后氦核(He)的質量為m3，中子(n)的質量為m4。關于聚變的說法正確的是（）A．核裂變比核聚變更為平安、清潔B．由核反應過程質量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4C．兩個輕核結合成質量較大的核，比結合能較聚變前減小D．HL-2M中發(fā)生的核反應方程式是H＋H→He＋n15．中國“嫦娥五號”在月球采集的約2公斤月壤中含有地球上鮮有的，是地球上很難得到的清潔、平安和高效的核聚變發(fā)電燃料，被科學家們稱為“完善能源”。有關聚變的核反應方程如下：①，②；下列說法正確的是（）A．X為質子，Y為中子B．的比結合能比的比結合能大C．方程①中：質量虧損約為5.9×10-31kgD．方程②中：核子平均釋放的能量約為2.14MeV16．2020年12月4日14時02分，新一代“人造太陽”裝置——中國環(huán)流器二號M裝置（HL-2M）在成都建成并實現(xiàn)首次放電，一個D（氘）核和T（氚）核發(fā)生聚變反應會產生一個中子，下列說法正確的是（）A．該核反應方程式為B．該核反應能夠吸取大量能量C．該反應能夠在常溫下進行D．反應前平均核子質量比反應后大17.（多選）《流浪地球》中描述的行星發(fā)動機為“重元素核聚變發(fā)動機”，通過燃燒石頭獲得能量，所謂“重元素核聚變”指的是兩個比較重（相對氘，氚）的核，產生聚變形成一個更重的核并放出能量的過程。影片中發(fā)動機燃燒石頭指的是石頭里的硅（）聚變生成鐵（），結合下比結合能圖，下列說法正確的是（）A．比結合能越大，原子核越穩(wěn)定B．的比結合能比的比結合能大C．比結合能越大，原子核總的結合能也越大D．從圖中可以看出，輕核聚變會釋放能量，重核裂變不會釋放能量18.（多選）鈾核裂變的一種方程為，已知原子核的比結合能與質量數(shù)的關系如圖所示，下列說法中正確的有（）A．X粒子是中子B．X粒子是質子C．相比，的比結合能最大，最穩(wěn)定D．相比，的質量數(shù)最多，結合能最大19.（多選）如圖是慢中子反應堆的示意圖，對核反應堆的下列說法中正確的是()A．鈾235簡潔吸取快中子發(fā)生裂變反應B．快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量削減，變成慢中子，慢中子簡潔被鈾235俘獲而引起裂變反應C．當反應過于激烈時，使把握棒插入深一些，讓它多吸取一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些D．把握棒插入深一些，使大量快中子和把握棒碰撞，鏈式反應的速度就會快一些20.（多選）我國秦山核電站第