人教版 (新课标)选修36 核裂变复习课件ppt

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一、核聚变的发生条件、特点及其与核裂变的比较
1.从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应.例如21H+31H 10n+42He+17.6 MeV2.聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能.要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温.
4.应用(1)核武器——氢弹.(2)可控热核反应：目前处于探索阶段.
常见的聚变反应：21H+21H 31H+11H+4MeV，21H+31H 42He+10n+17.6 MeV.在这两个反应中，前一反应的材料是氘，后一反应的材料是氘和氚，而氚又是前一反应的产物，所以氘是实现这两个反应的原始材料，而氘是重水的组成部分，在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的.从这个意义上讲，轻核聚变是能源危机的终结者.
【典例1】(2011·长沙高二检测)太阳的能量来自下面的反应：四个质子(氢核)聚变成一个α粒子，同时发射两个正电子，若太阳辐射能量的总功率为P，质子11H、氦核42He、正电子01e的质量分别为mp、mα、me，真空中的光速为c，求：(1)写出核反应方程.(2)核反应所释放的能量ΔE.(3)1 s内参与上述热核反应的质子数目.
【解题指导】解答该题应关注以下几点：
【标准解答】(1)根据质量数守恒和电荷数守恒，可得核反应方程为411H 42He+201e(2)质量亏损Δm=4mp-mα-2me,根据爱因斯坦质能方程：ΔE=Δmc2，核反应释放的能量，ΔE=(4mp-mα-2me)c2(3)设单位时间内参与热核反应的质子数为N，依据能量关系答案：(1)411H 42He+201e (2)(4mp-mα-2me)c2 (3)
【规律方法】 轻核聚变释放核能的计算方法(1)根据质量亏损计算根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中的光速(c=3×108 m/s)的平方，即ΔE=Δmc2. ①(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV,即ΔE=Δm×931.5 MeV ②
注意：式①中Δm的单位为kg，式②中Δm的单位是u,ΔE的单位是MeV.
【变式训练】一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH=1.007 3 u,中子质量mn=1.008 7 u,氚核质量m=3.018 0 u.(1)写出聚变方程；(2)求释放出的核能多大？(3)求平均每个核子释放的能量是多大？
【解析】(1)聚变方程11H+210n 31H.(2)质量亏损Δm=mH+2mn-m=(1.007 3+2×1.008 7-3.018 0)u=0.006 7 u,释放的核能ΔE=Δmc2=0.006 7×931.5 MeV ≈6.24 MeV.(3)平均每个核子放出的能量为 MeV=2.08 MeV.答案：(1)11H+210n 31H(2)6.24 MeV (3)2.08 MeV
【变式备选】我国自行设计、研制的“人造太阳”装置——全超导非圆截面核聚变实验装置(EAST)成为世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的核聚变实验装置.它的建成使我国迈入磁约束核聚变领域先进国家行列.下列关于“人造太阳”的说法正确的是( )A.“人造太阳”的核反应方程是23592U+10n 14156Ba+ 9236Kr+310nB.“人造太阳”的核反应方程是21H+31H 42He+10nC.“人造太阳”核能大小的计算公式是E= mc2D.“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE=Δmc2
【解析】选B、D.“人造太阳”内进行的是核聚变反应，故A错误，B正确.核反应放出的能量应由爱因斯坦质能方程计算，C错误，D正确.
3.夸克模型(1)夸克的提出1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的.(2)夸克的种类上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t).
(3)夸克所带电荷夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的 例如上夸克带的电荷量为+2e/3，下夸克带的电荷量为-e/3.
粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，所以每种夸克都有对应的反夸克.
【典例2】目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的.u夸克带电荷量为 d夸克的带电荷量为 e为元电荷，下列论断中可能正确的是( )A.质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成B.质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成C.质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成D.质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成
【解题指导】题目中给出的信息是u夸克与d夸克的带电荷量，据质子11H带一个元电荷的电荷量及中子10n不带电进行判断.【标准解答】选B.根据质子和中子所带电荷量，经验证：质子11H带电荷量为中子10n带电荷量为 故B正确.
【变式训练】已知π+介子、π-介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克 或反夸克 )组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷.
下列说法正确的是( )A.π+由u和 组成 B.π+由d和 组成C.π-由u和 组成 D.π-由d和 组成【解析】选A、D.因π+介子带有+e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克u带 和反夸克 带+ e合成电荷量为e，那么π+介子就是由夸克u和反夸克 组成的；同理，π-介子由夸克d和反夸克 组成，所以A、D正确.
【典例】(2011·聊城高二检测)两个动能均为1 MeV的氘核发生正面碰撞，引起如下反应：21H+21H 31H+11H.已知：氘核的质量为2.013 6 u，氚核的质量为3.015 6 u，氢核的质量为1.007 3u，1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV.试求(1)此核反应中放出的能量ΔE为多少MeV?(2)若放出的能量全部变为新生核的动能，则新生的氢核所具有的动能为多少MeV？
【解题指导】解答本题应把握以下关键点：(1)应用质能方程求核反应释放的能量.(2)氘核碰撞过程动量守恒.(3)反应过程中能量守恒.氘核初动能与反应放出的能量之和等于新生核的动能.
【标准解答】(1)由质能方程，核反应中放出的能量为：ΔE=Δmc2=(2×2.013 6 u-3.015 6 u-1.007 3 u)×(3×108 m/s)2=4.005 MeV.(2)相互作用过程中动量守恒p1=p2新生的氚核的动能：新生的氢核的动能：
由能量守恒得：代入数据得新生的氢核的动能： =4.5 MeV
一、选择题1.(2011·昆明高二检测)一个氘核(21H)与一个氚核(31H)发生聚变，产生一个中子和一个新核，并出现质量亏损.聚变过程中( )A.吸收能量，生成的新核是42HeB.放出能量，生成的新核是42HeC.吸收能量，生成的新核是32HeD.放出能量，生成的新核是32He【解析】选B.聚变过程中存在质量亏损，应放出能量.由核反应21H+31H 10n+42He，可知新核为42He，B对.
2.关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是( )A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B.聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大C.聚变反应中粒子的比结合能变小D.聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量变大【解析】选B.在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，故C、D错误.
3.(2011·宣武区高二检测)太阳内部持续不断地发生着4个质子(11H)聚变为1个氦核(42He)的热核反应.核反应方程是411H 42He+2X，这个核反应释放出大量核能.已知质子、氦核、X的质量分别为m1、m2、m3，真空中的光速为c.下列说法中正确的是( )A.方程中的X表示中子(10n)B.方程中的X表示电子(0-1e)C.这个核反应中质量亏损Δm=4m1-m2D.这个核反应中释放的核能ΔE=(4m1-m2-2m3)c2
【解析】选D.由质量数守恒和核电荷数守恒知：X为0+1e，A、B均错.该反应中质量亏损Δm=4m1-m2-2m3,C错.ΔE=Δmc2=(4m1-m2-2m3)c2，D对.
4.(2011·吉水高二检测)核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源.近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站.一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子.若已知氘原子的质量为2.014 1 u，氚原子的质量为3.016 0 u，氦原子的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u，1u=1.66×10-27 kg.则这个核反应释放出来的能量为(光速c=3.00×108 m/s，1 u相当于931.5 MeV)( )A.2.8×10-10 J B.2.8×10-12 MeV D.17.5 MeV
【解析】选B、D.核反应释放出来的能量：ΔE=Δmc2，Δm=(m氘+m氚)-(mHe+mn)=0.018 8 u，由计算得：ΔE=2.8× 10-12 J=17.5 MeV，故B、D正确.
5.下列关于聚变的说法中，正确的是( )A.要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B.轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应C.原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D.太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应
【解析】选A、B、C、D.轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10-15 m以内，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度的高温下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，D正确.
6.下列所述正确的是( )A.原子是组成物质的不可再分的最小微粒B.原子是最大微粒C.原子由原子核和核外电子构成，质子和中子组成了原子核D.质子、中子本身也是复合粒子，它们也有着自己复杂的结构
【解析】选C、D.原子由原子核和核外电子构成，是可分的.比原子大的微粒还有分子.质子和中子组成原子核，质子、中子本身也是复合粒子.由此可知，质子、中子不是构成物质的最小微粒.故A、B错误，C、D选项正确.
7.关于聚变，以下说法正确的是( )A.两个氘核可以聚变成一个中等质量的原子核，同时释放出能量B.同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多C.聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积D.发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能
【解析】选B、D.两个轻核聚合为较大质量的原子核就可释放能量，但两个氘核的生成物不是中等质量的核，仍然是轻核,故A错误.聚变反应放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多，这点由聚变反应的特点就可以知道，故B正确.裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积，而聚变反应的条件是原子核间距达到10-15m以内，故要求有足够大的动能克服原子核间的斥力做功，故C错，D正确.
8.根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是( )A.夸克、轻子、胶子等粒子B.质子和中子等强子C.光子、中微子和电子等轻子D.氢核、氘核、氦核等轻核
【解析】选A.宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系.因此A正确，B、C、D错.
二、非选择题9.我国在核聚变研究领域处于世界先进行列，在实验中观察到有下列4种核反应：21H+21H 32He+10n+3.25 MeV;21H+21H 31H+11H+4.00 MeV;21H+31H 42He+10n+17.5 MeV;21H+32He 42He+11H+18.3 MeV.已知在实际发生核聚变时，上述4种反应的概率相同，其原料直接或间接都是氘核，而氘核在地球上的储量非常丰富，每升海水中大约有0.030 g氘，那么1 L海水中的氘全部发生聚变释放的总能量为多少？(NA取6.02×1023/ml)
【解析】由于发生4种反应的概率相同，将4个核反应相加得总反应为621H 242He+210n+211H+43.05MeV1 ml氘全部聚变释放的能量为每升海水中所含的氘为0.030 g,释放的总能量应为答案：1.04×1010J
10.已知氘核的质量为2.013 6 u，中子的质量为1.008 7 u，32He的质量为3.015 0 u.(1)试写出两个氘核聚变生成32He的核反应方程；(2)计算上述反应中释放的核能；(3)若两个氘核以相等的动能0.35 MeV做对心碰撞即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成32He核和中子的动能各是多少？
【解析】(1)21H+21H 32He+10n.(2)核反应中质量亏损Δm=2.013 6 u×2-(3.015 0 u+1.008 7 u) =0.003 5 u释放的核能：ΔE=Δmc2=0.003 5×931.5 MeV=3.26 MeV.
(3)设32He核和中子的质量分别为m1、m2，速度分别为v1、v2，则由动量守恒定律及能量守恒定律得：m1v1-m2v2=0，Ek1+Ek2=2Ek0+ΔE解得：Ek1= (2Ek0+ΔE)= ×(2×0.35+3.26)MeV=0.99 MeVEk2= ×(2Ek0+ΔE)= ×(2×0.35+3.26)MeV=2.97 MeV.答案：(1)21H+21H 32He+10n(2)3.26 MeV (3)0.99 MeV 2.97 MeV
【方法技巧】核反应中的能量守恒问题本题容易出错的地方是列能量守恒定律式时，漏掉碰前两个氘核的动能.原因是对能量转化和转移的途径没有搞清楚，碰前两个氘核的动能应转移到新生核的动能上，而不是凭空消失.