人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案1：5 4核裂變與核聚變

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊(cè)PAGEPAGE15.4核裂變與核聚變〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1．知道核裂變與核聚變及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的基本概念，了解原子彈、核反應(yīng)堆、聚變反應(yīng)條件的內(nèi)容。2.掌握鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及核聚變釋放能量的計(jì)算，理解核電站的工作原理，掌握輕核聚變的條件，提高分析、解決問(wèn)題的能力。3.通過(guò)對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的探究，理解原子彈、核反應(yīng)堆的原理，體會(huì)熱核反應(yīng)的條件。4.學(xué)習(xí)科學(xué)家們研究問(wèn)題的方法，堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，體驗(yàn)其工作的艱辛，激發(fā)探索未來(lái)科學(xué)的熱情?！贾R(shí)梳理〗一、核裂變1．核裂變的發(fā)現(xiàn)(1)核裂變重核被中子轟擊后分裂成兩個(gè)質(zhì)量差不多的新原子核，并放出核能的過(guò)程。(2)鈾核裂變用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應(yīng)是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)n。(3)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)當(dāng)一個(gè)中子引起一個(gè)重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且能不斷繼續(xù)下去，這種由重核裂變產(chǎn)生的中子使核裂變反應(yīng)一代一代繼續(xù)下去的過(guò)程，叫作核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。(4)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于臨界體積或裂變物質(zhì)的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量。2．反應(yīng)堆與核電站(1)核能釋放的控制通過(guò)可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核能釋放的裝置稱為核反應(yīng)堆。(2)慢化劑反應(yīng)堆中，為了使裂變產(chǎn)生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，常用的慢化劑有石墨、重水和普通水(也叫輕水)。(3)控制棒為了控制反應(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)，反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí)，可將其插入深一些，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。(4)能量輸出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。說(shuō)明：核裂變是可以控制的，如核電站的建立和應(yīng)用。二、核聚變1．定義兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變。2．舉例eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV。3．條件(1)輕核的距離要達(dá)到10－15m以內(nèi)。(2)需要加熱到很高的溫度，因此又叫熱核反應(yīng)。4．優(yōu)點(diǎn)(1)輕核聚變產(chǎn)能效率高。(2)地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富。(3)輕核聚變更為安全、清潔。5．約束方法磁約束和慣性約束。小試牛刀1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)鈾核的裂變是一種天然放射現(xiàn)象。 ()(2)鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)才能不停地進(jìn)行下去。 ()(3)核聚變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量比裂變時(shí)小一些。 ()2．(多選)關(guān)于重核的裂變，以下說(shuō)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(guò)時(shí)，一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，但核子數(shù)不變D．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時(shí)，放出核能3．(多選)下列關(guān)于聚變的說(shuō)法中正確的是()A．要使聚變產(chǎn)生，必須克服庫(kù)侖斥力做功B．輕核聚變需要幾百萬(wàn)攝氏度的高溫，因此聚變又叫作熱核反應(yīng)C．原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬(wàn)攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)D．自然界中不存在天然的熱核反應(yīng)〖課堂探究〗一、對(duì)核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的理解思考1如圖所示為重核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。試探究：(1)什么是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)？(2)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中的臨界體積指什么？1．鈾核的裂變和裂變方程(1)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。(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(shí)放出2或3個(gè)中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會(huì)不斷地進(jìn)行下去，釋放出越來(lái)越多的核能。(3)常見的裂變方程：①eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(235,92)U→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n②eq\o\al(235,95)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(94,38)Sr＋eq\o\al(139,54)Xe＋3eq\o\al(1,0)n。2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件(1)鈾塊的體積大于臨界體積。(2)鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量。以上兩個(gè)條件滿足一個(gè)即可。例1(多選)2017年11月17日，“中國(guó)核潛艇之父”——黃旭華獲評(píng)全國(guó)道德模范。下列有關(guān)核反應(yīng)的說(shuō)法正確的是()A．目前核潛艇是利用重核裂變提供動(dòng)力B．重核裂變反應(yīng)前后一定有質(zhì)量虧損C．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)U＋eq\o\al(94,38)Sr＋deq\o\al(1,0)n式中d＝1D．鈾核裂變后的新核比鈾核的比結(jié)合能小規(guī)律歸納對(duì)重核裂變的兩點(diǎn)理解(1)重核裂變是中子轟擊質(zhì)量數(shù)較大的原子核，使之分裂成中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)釋放大量的能量，放出更多的中子的過(guò)程。(2)重核的裂變是放能核反應(yīng)，原因是核反應(yīng)前后質(zhì)量有虧損，根本原因是重核的比結(jié)合能相比中等質(zhì)量的核的比結(jié)合能要小。所以在重核分解為兩個(gè)中等質(zhì)量核的過(guò)程中要釋放能量，而且釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時(shí)得到的能量。二、核電站與核反應(yīng)堆思考2如圖是慢中子反應(yīng)堆的示意圖。試探究：(1)鈾235是容易吸收快中子還是慢中子后發(fā)生裂變反應(yīng)？(2)如何控制裂變反應(yīng)的激烈程度？1．核電站的主要組成核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆，反應(yīng)堆用的核燃料是鈾235，它的主要部件列表如下：部件名稱慢化劑控制棒熱循環(huán)介質(zhì)保護(hù)層采用的材料石墨、重水或普通水(也叫輕水)鎘水或液態(tài)鈉很厚的水泥外殼作用降低中子速度，便于鈾235吸收吸收中子，控制反應(yīng)速度把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去屏蔽射線，防止放射性污染2．反應(yīng)堆工作原理(1)熱源：在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，如圖為簡(jiǎn)化的核反應(yīng)堆示意圖：鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2～4%)制成，石墨、重水或普通水為慢化劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶樱阌阝?35的吸收，發(fā)生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍。反應(yīng)堆示意圖(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反應(yīng)速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應(yīng)速度加快，采用電子儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應(yīng)的劇烈程度。(3)冷卻劑：核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時(shí)通過(guò)水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動(dòng)蒸汽機(jī)，使發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些有危險(xiǎn)的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護(hù)層可以防止射線輻射到外面。3．核電站發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)(1)消耗的核燃料少。(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲(chǔ)量大。(3)對(duì)環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小。例2每晝夜消耗220g鈾235的原子能發(fā)電站，如果效率為25%，它能產(chǎn)生的電功率為多大？(每個(gè)鈾核裂變時(shí)放出的能量是200MeV)三、對(duì)核聚變的理解思考3據(jù)報(bào)道，中科院離子物理所經(jīng)過(guò)八年的艱苦奮斗努力，終于率先建成了世界上第一個(gè)全超導(dǎo)的托克馬克試驗(yàn)裝置并調(diào)試成功。這種裝置被稱為“人造太陽(yáng)”(如圖所示)，它能夠承受上億攝氏度高溫且能夠控制等離子態(tài)的核子發(fā)生聚變并穩(wěn)定持續(xù)地輸出能量，就像太陽(yáng)一樣為人類提供無(wú)限清潔的能源。問(wèn)題探究：(1)請(qǐng)寫出此核聚變的方程式；(2)請(qǐng)說(shuō)出核聚變能源的優(yōu)點(diǎn)。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(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，就要給它們加熱，使物質(zhì)達(dá)到幾百萬(wàn)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(gè)放能反應(yīng)。3．核聚變的特點(diǎn)(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，輕核聚變比重核裂變釋放出更多的能量。(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(jìn)行下去。(3)普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆。4．核聚變的應(yīng)用(1)核武器——?dú)鋸棧阂环N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?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探索階段。5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別比較項(xiàng)目重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個(gè)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(gè)核子放出的能量大約要大3～4倍燃料儲(chǔ)量情況聚變?nèi)剂蟽?chǔ)量豐富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)容易得多例3氘核(eq\o\al(2,1)H)和氚核(eq\o\al(3,1)H)結(jié)合成氦核(eq\o\al(4,2)He)的核反應(yīng)方程如下：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV(1)這個(gè)核反應(yīng)稱為________。(2)要發(fā)生這樣的核反應(yīng)，需要將反應(yīng)物質(zhì)的溫度加熱到幾百萬(wàn)開爾文。式中17.6MeV是核反應(yīng)中________(選填“放出”或“吸收”)的能量，核反應(yīng)后生成物的總質(zhì)量比核反應(yīng)前物質(zhì)的總質(zhì)量________(選填“增加”或“減少”)了________kg(保留一位有效數(shù)字)。規(guī)律歸納(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(jì)算關(guān)鍵是要求出核反應(yīng)過(guò)程中的質(zhì)量虧損，然后代入ΔE＝Δmc2進(jìn)行計(jì)算。〖課堂達(dá)標(biāo)〗1．下列方程中，表示核裂變的是()A．eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(92))U→eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(90))Th＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))HeB．eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(139),\s\do1(56))Ba＋eq\o\al(\s\up1(94),\s\do1(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))nC．eq\o\al(\s\up1(30),\s\do1(15))P→eq\o\al(\s\up1(30),\s\do1(14))Si＋eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(1))eD．eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(7))N＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He→eq\o\al(\s\up1(17),\s\do1(8))O＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H2．下列方程中屬于核聚變的是()A．eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H＋eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H→eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))nB．eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n＋eq\o\al(\s\up1(24),\s\do1(12))Mg→eq\o\al(\s\up1(24),\s\do1(11))Na＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))HC．eq\o\al(\s\up1(60),\s\do1(27))Co→eq\o\al(\s\up1(60),\s\do1(28))Ni＋eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(－1))eD．eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(137),\s\do1(55))Cs＋eq\o\al(\s\up1(88),\s\do1(37))Rb＋11eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n3．(多選)重核裂變和輕核聚變是人們獲得核能的兩個(gè)途徑，下列說(shuō)法中正確的是()A．裂變過(guò)程質(zhì)量增加 B．裂變過(guò)程質(zhì)量虧損C．裂變過(guò)程和聚變過(guò)程都有質(zhì)量增加 D．聚變過(guò)程有質(zhì)量虧損4．(多選)關(guān)于鈾核裂變，下列說(shuō)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，最好用鈾235而不用鈾238D．鈾塊的體積對(duì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無(wú)影響

▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁小試牛刀1．×√×2．〖答案〗CD〖解析〗核裂變釋放的能量來(lái)源于裂變過(guò)程的質(zhì)量虧損，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過(guò)程，其能量遠(yuǎn)大于俘獲中子時(shí)吸收的能量，A錯(cuò)誤，D正確；發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有條件的，鈾塊的體積必須大于其臨界體積，否則中子從鈾塊中穿過(guò)時(shí)，可能碰不到原子核，則不會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，B錯(cuò)誤；重核裂變時(shí)，核子數(shù)守恒，C正確。3.〖答案〗ABC〖解析〗輕核聚變時(shí)，必須使輕核之間距離達(dá)到10－15m以內(nèi)，所以必須克服庫(kù)侖斥力做功，A正確；原子核必須有足夠的動(dòng)能，才能使它們接近到核力能發(fā)生作用的范圍，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，原子核必須處在幾百萬(wàn)攝氏度下才有這樣的能量，這樣高的溫度通常利用原子彈爆炸獲得，B、C正確；在太陽(yáng)內(nèi)部或其他恒星內(nèi)部都進(jìn)行著熱核反應(yīng)，D錯(cuò)誤?！颊n堂探究〗思考1〖答案〗(1)重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過(guò)程叫鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。(2)能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫臨界質(zhì)量。例1〖答案〗AB〖解析〗目前核潛艇是利用重核裂變提供動(dòng)力，選項(xiàng)A正確；重核裂變要釋放核能，則反應(yīng)前后一定有質(zhì)量虧損，選項(xiàng)B正確；根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，該核反應(yīng)中的d＝2，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；鈾核不如裂變后生成的新核穩(wěn)定，可知鈾核的比結(jié)合能比裂變后生成的新核的比結(jié)合能小，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。思考2〖答案〗(1)慢中子。(2)控制棒由鎘做成，當(dāng)反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí)，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些，反之，應(yīng)使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)快一些。例2〖解析〗一晝夜消耗的鈾所能產(chǎn)生的核能為：ΔE＝200×eq