人教版 (2019)选择性必修 第三册第五章 原子核4 核裂变与核聚变导学案

5.4核裂变与核聚变

知识梳理

知识点一　核裂变的发现

1．核裂变：重核被    轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反应。

2．铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多样的，其中一种典型的铀核裂变是U＋n―→Ba＋Kr＋        。

3．链式反应：由重核裂变产生的中子使核裂变反应           继续下去的过程叫核裂变的链式反应。

4．临界体积和临界质量：把核裂变物质能够发生链式反应的最     体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。

5．核裂变的能量：1 kg铀235全部发生核裂变放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能。

知识点二　反应堆与核电站

1．核反应堆：控制链式反应的核心设施是         ，它主要由以下几部分组成：

(1)燃料：        。

(2)慢化剂：铀235容易捕获          发生反应，采用                         做慢化剂。

(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些         。镉的

       能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入        一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度会慢一些，这种镉棒叫做控制棒。

2．核电站——利用核能发电的装置

(1)工作原理：        释放的能量，使反应区温度升高。

(2)能量输出：利用                等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的     传输出去，用于发电。同时也使反应堆冷却。

(3)核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的      ，用来屏蔽      放出的各种射线，核废料具有很强的      ，需要装入特制的容器，深埋地下。

知识点三　核聚变

1．核聚变(1)定义：两个轻核结合成       的核，并释放出     的反应。

(2)举例：H＋H―→     ＋n＋17.6 MeV。

(3)条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到     以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的       ，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达     开尔文，因此聚变又叫       。

(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是     ，需要用     爆炸产生的高温高压引发核爆炸。

(5)太阳能：太阳的主要成分是        ，太阳中心温度可达1.5×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部      释放的核能。

2．受控热核反应

(1)聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高。第二：地球上聚变燃料的储量丰富。第三：轻核聚变更为安全、清洁，控制温度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理。

(2)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。

(3)控制方法①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是      。

②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用         从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。

随堂练习

[例1] (多选)关于重核裂变的说法正确的是(　　)

A．重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多

B．只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应

C．为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子

D．裂变过程中释放能量，质量亏损

[例2] 如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法正确的是(　　)

A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应

B．快中子跟慢化剂的原子核碰撞后的能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应

C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些

D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些

[例3] （多选）下列说法正确的是(　　)

A．H＋H→He＋n是聚变           B．U＋n→Xe＋Sr＋2n是裂变

C．Ra→Rn＋He是α衰变        D．Na→Mg＋e是裂变

[例4] (多选)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是(　　)

A．核聚变比核裂变更为安全、清洁

B．任何两个原子核都可以发生聚变

C．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加

D．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加

课后巩固

1．链式反应中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是(　　)

A．质子           B．中子          C．β粒子        D．α粒子

2．铀核可以发生衰变和裂变，铀核的(　　)

A．衰变和裂变都能自发发生                 B．衰变和裂变都不能自发发生

C．衰变能自发发生而裂变不能自发发生       D．衰变不能自发发生而裂变能自发发生

3．原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等。在下列核反应中，属于核裂变反应的是(　　)

A．B＋n→Li＋He            B．U→Th＋He

C．N＋He→O＋H           D．U＋n→Ba＋Kr＋3n

4．关于重核的裂变，以下说法正确的是(　　)

A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量

B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应

C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少

D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能

5．(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是(　　)

A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能     B．镉棒的作用是控制反应堆的功率

C．石墨的作用是吸收中子             D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能

6．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．核聚变反应方程可能为H＋H→He＋2n

B．铀核裂变的核反应方程可能为U＋n→Xe＋Sr＋2n

C．发生β衰变时原子核放出电子，说明电子是原子核的组成部分

D．中子和质子结合成氘核，若该过程质量亏损为Δm，则氘核的结合能为Δmc2

7．(多选)核反应堆利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。U＋n→Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，X是某种粒子， a是X粒子的个数，用mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量， mX表示X粒子的质量，c为真空中的光速，以下说法正确的是(　　)

A．X为中子，a＝2

B．X为中子，a＝3

C．上述核反应中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2

D．上述核反应中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－3mX)c2

8．一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个γ光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法正确的是(　　)

A．核反应方程是H＋n→H＋γ                B．聚变反应中的质量亏损Δm＝m3－m1－m2

C．辐射出的γ光子的能量E＝(m3－m1－m2)c     D．γ光子的波长λ＝

9．1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏伽德罗常数)(　　)

A．NA×196 MeV        B．235NA×196 MeV      

C．235×196 MeV       D．×196 MeV

10．当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时，放出28.30 MeV 的能量，当三个α粒子结合成一个碳(C)核时，放出7.26 MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳(C)核时，释放的能量约为(　　)

A．21.78 MeV          B．84.9 MeV       C．77.64 MeV        D．92.16 MeV

11．某核电站发电功率为5×105 kW，用U作为核燃料，已知U核裂变主要是按如下方程进行的：U＋n―→Ba＋Kr＋3n。已知mU＝235.043 9 u，mn＝1.008 7 u，mBa＝140.913 9 u，mKr＝91.897 3 u，且1 u质量对应的能量为931 MeV。设释放的核能全部转化为电能，则该核电站每天消耗多少U?

第4节核裂变与核聚变答案

知识点一　核裂变的发现

1．中子     2． U＋n―→Ba＋Kr＋3n    3．一代接一代  4．小

知识点二　反应堆与核电站

1．核反应堆 (1)铀棒 (2) 慢中子 石墨、重水或普通水  (3) 镉棒   吸收中子    深

2．核电站——利用核能发电的装置

(1)核燃料裂 (2) 水或液态的金属钠   热量 (3)水泥层、裂变反应、放射性

知识点三　核聚变

1．质量较大      能量  (2)举例：H＋H―→He＋n＋17.6 MeV。(3) 10－15、库仑斥力、几百万、热核反应

(4)氢弹、原子弹 (5) 氢   聚变    (3)环流器、激光

随堂练习

[例1] 答案　AD

解析　重核裂变为两个中等质量的核时，会产生两到三个中子，因而分裂后的中子数减小，选项A正确；链式反应的发生是有条件的，铀块的体积必须大于其发生链式反应的临界体积，链式反应一旦发生，中子轰击铀核裂变产生的中子再次引起其他铀核的裂变，且能不断继续下去，选项B、C错误；重核裂变时质量发生亏损，总能量减小，减小的能量对外释放，选项D正确。

[例2] 答案　B

解析　快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，选项C、D都错误。

[例3] 答案　ABC

解析　A选项中两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核，是聚变反应，故选项A正确；B选项中的核反应是铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子，是裂变反应，故选项B正确；在C选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了α粒子，是α衰变，选项C正确；而D选项应是β衰变，选项D不正确。

[例4] 答案　AD

解析　核聚变的最终产物是氦气无污染，而核裂变会产生固体核废料，因此核聚变更加清洁和安全，A正确；发生核聚变需要在高温高压下进行，重核不能发生核聚变，故B错误；核聚变反应会放出大量的能量，根据质能关系可知反应会发生质量亏损，故C错误；因聚变反应放出能量，因此反应前的比结合能小于反应后的比结合能，故D正确。

课后巩固

1．答案　B

解析　根据重核裂变的核反应方程，使裂变不断进行下去的粒子是中子。

2．答案　C

解析　放射性原子核可以自发放射出粒子及能量后变得较为稳定；而裂变是一些质量非常大的原子核分裂成两个或更多个质量中等的原子核，不能自发发生。比较可知，C项正确。

3．答案　D

解析　属于核裂变反应的是选项D。

4．答案　D

解析　根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量。链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生。在裂变反应中核子数是不会减少的，如U裂变为Sr和Xe的核反应，其核反应方程为U＋n→Sr＋Xe＋10n，

其中各粒子质量分别为mU＝235.043 9 u，mn＝1.008 67 u，mSr＝89.907 7 u，mXe＝135.907 2 u，

质量亏损为Δm＝(mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn)＝0.150 97 u

可见铀核裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此选项A、B、C均错；重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，会发生质量亏损，从而释放出核能。综上所述，选项D正确。

5．答案　ABD

解析　铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故选项A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故选项B正确；慢中子最容易引发核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故选项C错误；水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控制温度，故选项D正确。

6．答案　BD

解析　根据核聚变中质量数守恒和电荷数守恒可知，选项A错误；根据重核裂变中质量数守恒和电荷数守恒可知，选项B正确；β衰变时原子核内部中子衰变为质子并释放出高速电子，电子并不是原子核的组成部分，选项C错误；根据质能关系可知选项D正确。

7．答案　BC

解析　核反应中，质量数守恒、电荷数守恒，则知U＋n→Ba＋Kr＋aX中X为n，a＝3，则A错误，B正确；由ΔE＝Δmc2可得：ΔE＝(mU＋mX－mBa－mKr－3mX)c2＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2，则C正确，D错误。

8．答案　D

解析　此核反应的核反应方程为H＋n→H＋γ，A错误；质量亏损为Δm＝m1＋m2－m3，B错误；由质能方程，γ光子的能量为E＝(m1＋m2－m3)c2，C错误；由E＝h知，波长λ＝，D正确。

9．答案　D

解析　由于1 mol的铀核质量为235 g，1 g铀235的物质的量为，因此1 g铀235释放的能量E＝×196 MeV，故D正确。

10．答案　D

解析　6个中子和6个质子可结合成3个α粒子，放出能量3×28.30 MeV＝84.9 MeV，3个α粒子再结合成一个碳核，放出7.26 MeV能量，故6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放能量为84.9 MeV＋7.26 MeV＝92.16 MeV。

11．答案　527 g

解析　裂变前：m0＝(235.043 9＋1.008 7)u＝236.052 6 u，

裂变后：m′＝(140.913 9＋91.897 3＋3×1.008 7)u＝235.837 3 u，

则质量亏损为Δm＝m0－m′＝0.215 3 u；

释放能量为ΔE＝0.215 3×931 MeV≈200 MeV。

设需要U的质量为m，则由能量守恒可得×NA×ΔE＝Pt，

解得m＝＝ g≈527 g。