物理选择性必修 第三册第五节 裂变和聚变导学案

这是一份物理选择性必修 第三册第五节 裂变和聚变导学案，共14页。
2．掌握核裂变、核聚变的特点及其条件，会计算核裂变、核聚变反应中释放的能量，提升计算能力．
3．了解原子弹、氢弹及核反应堆的利用，知道核能的科学利用，树立为人类创造幸福、防止危害的科学责任意识，激发学科学、用科学的兴趣与热情．
知识点一 核裂变与链式反应
1．原子序数：原子核中的__________又称为原子序数．
2．核裂变：一个重核分裂成__________的核时，会释放出能量，我们把这种核反应叫作核裂变．
3．核聚变：两个轻核聚合成一个较重的核时，也会释放出能量，我们把这种核反应叫作__________．
4．链式反应：(1)定义：为了使裂变产生的能量可以被利用，必须让一个原子核的裂变引发其他原子核__________，让核裂变过程自己__________，源源不断地将核能释放出来，这样的核反应叫作__________．
典型例子：
92235U+01n―→3689Kr+ 56144Ba＋________
(2)条件：a．要超过__________
b．必须存在持续不断的中子．
原子弹是利用铀核的链式反应制造的一种核武器．
知识点二 核聚变及受控热核反应
1．核聚变的一个典型方程：
12H+13H―→________＋01n
2．热核反应：物质达到几百万摄氏度以上的高温时，小部分原子核就具有足够的动能，能够克服相互间的__________，在相互碰撞中接近到可以发生聚变的程度，因此，核聚变又叫作__________．
3．热核反应实例：在太阳和许多恒星内部都激烈地进行着热核反应．氢弹也是热核反应．
核聚变反应产能效率高、燃料丰富且污染少，因此受控热核反应前景诱人，各国都很重视．
知识点三 核能利用
1．热中子反应堆．
(1)燃料：铀棒是天然铀或浓缩铀(其中铀235的含量约为3%)
(2)慢中子：裂变产生的是速度很大的快中子，不易被铀棒吸收进一步发生反应，因而用石墨、重水等使快中子与其原子核碰撞后，能量减小，变成__________，或称为热中子．这种用来使中子减速的物体叫作__________．
(3)用镉棒控制核反应速度，这种镉棒易吸收中子，可以改变核反应速度，被称为__________．
(4)核能转变为热能，被输出的热能可用于发电．
(5)在核反应堆的外面用很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线，不让它们透射出来．
(6)对放射性的废料处理：装入特制的容器中，埋入深地层．
2．应用：核电站、核动力潜艇、核动力破冰船和核动力航空母舰等．
人类能控制裂变反应速度，不能控制聚变反应速度，因此核电站都是用裂变反应释放能量．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)原子核释放粒子的过程也是核裂变的过程．( )
(2)用中子轰击重核使之分裂实现核裂变．( )
(3)利用不可控的快中子轰击超过临界体积的铀块产生链式反应制成原子弹．
( )
(4)太阳自身强大的引力把高温等离子体约束在一起，维持了其内部的热核反应的进行．( )
2．(多选)关于原子核反应堆，下面说法正确的有( )
A．镉棒是核燃料，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量
3．如图所示是我国自行研制的“超导托卡马克”可控热核反应实验装置(英文名EAST，俗称人造太阳)．其运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度，使其发生聚变反应，同时产生巨大的能量．关于该实验装置下列说法中正确的是( )
A．这种装置中发生的核反应方程式是12H+13H―→24He+01n
B．该核反应前后的质量和电荷量都是守恒的
C．核反应产生的条件是核聚变的原料要大于一定的体积(即临界体积)
D．该装置与我国浙江秦山核电站的核反应原理相同
1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药．爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡．
(1)巨大的核能是从哪里来的？


(2)在利用重核裂变制成的原子弹中，需不需要用镉制成的控制棒？


核裂变与链式反应
1．裂变的解释
重核被中子轰击后，与中子复合成一个处在高激发态的同位素，这种重核的同位素要发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球形的核，核子间的距离增大，核力减小到不足以抵消质子间的库仑斥力而恢复原状，最后分裂成两部分，同时放出中子．
2．裂变过程核能的计算
92235U+01n―→56141Ba+3692Kr+301n
已知m(92235U)＝235.043 9 u，mn＝1.008 7 u
m(56141Ba)＝140.913 9 u
m(3692Kr)＝91.897 3 u
且1 u质量对应的能量为931.5 MeV
裂变前：m1＝(235.043 9＋1.008 7) u＝236.052 6 u
裂变后：m2＝(140.913 9＋91.897 3＋3×1.008 7)u＝235.837 3 u
质量亏损：Δm＝0.215 3 u．
释放能量：ΔE＝0.215 3×931.5 MeV≈200.55 MeV．
3．重核裂变的条件
(1)要有足够浓度的铀235．
(2)要有足够数量的慢中子．
(3)铀块的体积要大于临界体积．
【典例1】 现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：92235U+01n―→60143Nd+Zr+301n+8-1 0e+ν．
(1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零．试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数．
(2)已知铀(U)核质量为235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u．又知光速c＝3×108 m/s，1 u＝1.660 6×10-27 kg，1 u质量对应的能量为931.5 MeV，试计算，1 kg铀235发生该核反应大约能产生的能量是多少(阿伏伽德罗常量NA＝6.02×1023/ml)?
[思路点拨] (1)核反应方程两边质量数、电荷数守恒．
(2)利用爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能．
(3)要统一使用国际制单位．
[听课记录]










计算重核裂变释放的核能常用方法
(1)根据爱因斯坦质能方程计算．用裂变反应中质量亏损Δm(以千克计)乘以真空中的光速(c＝3×108 m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2．
(2)根据1原子质量单位u相当于931.5 MeV能量计算．用裂变反应中质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV．
(3)由核能的转化量计算．
[跟进训练]
1．下面是铀核裂变反应中的一个：92235U+01n―→54136Xe+3890Sr+1001n．已知铀235的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，锶90的质量为89.907 7 u，氙136的质量为135.907 2 u(1 u的质量亏损相当于释放931.5 MeV的能量)，则此核反应中质量亏损Δm＝______u，释放的核能ΔE＝______MeV．
核聚变的理解
1．核聚变的特点
(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量．
(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去．
(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆．
2．核聚变的应用
(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸．
(2)可控热核反应：目前处于探索阶段．
3．重核裂变与轻核聚变的区别
【典例2】 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源．
(1)写出这个核反应方程；
(2)这一核反应能释放多少能量(1 u的质量亏损相当于释放931.5 MeV的能量)；
(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量为多少？
(mp＝1.007 3 u，mHe＝4.002 6 u，me＝0.000 55 u，光速c＝3×108 m/s)
[思路点拨] (1)核反应方程两边电荷数和质量数守恒．
(2)用ΔE＝Δmc2求能量．
[听课记录]





对核反应的两个认识误区
(1)误认为聚变就是裂变的逆反应．产生这种误区的原因是对聚变和裂变的本质没有理解透，裂变时重核分裂成中等核，而聚变是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应．
(2)不能正确判断聚变、裂变、衰变及人工转变的方程．核聚变是轻核结合成质量较大的核，也会放出中子；重核裂变时铀核捕获中子裂变为两个或更多个中等质量的核，并放出几个中子；人工核转变常用α粒子或中子去轰击原子核，产生新原子核并放出一个或几个粒子；衰变是原子核自发地转变为另一种核，并向外辐射出α粒子或β粒子的反应，衰变根据向外辐射粒子的不同分为α衰变和β衰变两种．
[跟进训练]
2．一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mp＝1.007 3 u，中子质量mn＝1.008 7 u，氚核质量m＝3.018 0 u(已知1 u质量对应931.5 MeV能量)．
(1)写出核聚变方程；
(2)释放出的核能多大？
(3)平均每个核子释放的能量是多大？





重核裂变的应用
1．核电站发电的主要原理
核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高．水或液态的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．反应堆放出的热使水变成水蒸气，这些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电．这一部分的工作原理和火力发电相同．
2．核反应堆——核电站的心脏
裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理见下表：
3．核反应堆与原子弹爆炸的比较
原子弹爆炸时，链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆(核电站的核心设施)．核反应堆是人工控制链式反应的装置．
【典例3】 在所有能源中，核能具有能量密度大、地区适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．
(1)核反应方程式92235U+01n―→56141Ba+3692Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，01n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为________，a＝________．以mU、mBa、mKr分别表示92235U、56141Ba、3692Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE是多少？
(2)有一座发电能力为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%，假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78×10-11 J，核的质量mU＝390×10-27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的 92235U的质量．
[思路点拨] (1)根据核反应方程的规律配平核反应方程．
(2)要注意效率的应用．
[听课记录]





[跟进训练]
3．一颗原子弹放出的能量约8.4×1013 J，试问有多少个 92235U原子核进行分裂？该原子弹中含 92235U的质量最小限度为多少千克？(一个 92235U原子核分裂时所产生的能量约为200 MeV，阿伏伽德罗常量NA＝6.02×1023/ml)





1．(多选)关于重核的裂变，以下说法正确的是( )
A．核裂变释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量
B．铀核裂变在自然界中会自发地产生
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
2．秦山核电站是我国自行设计、建造和运营管理的第一座30万千瓦压水堆核电站．在一次核反应中一个中子轰击92235U变成54136Xe、3890Sr和若干个中子，已知92235U、54136Xe、3890Sr的比结合能分别为7.6 MeV、8.4 MeV、8.7 MeV，则( )
A．该核反应方程为92235U+01n―→54136Xe+3890Sr+901n
B．要发生该核反应需要吸收能量
C．3890Sr比54136Xe更稳定
D．该核反应中质量增加
3．如图所示是当前核电站普遍使用的核反应堆的示意图，关于该反应堆中进行的核反应，下列说法中正确的是( )
A．图示装置中进行的核反应类型是核聚变
B．要使核反应速度减慢，可以将铀棒插入得更深
C．裂变反应的燃料是铀，反应过程质量不守恒
D．石墨起到降低反应温度的作用
4．我国科学家为满足“玉兔号”月球车长时间处于黑夜工作的需要，研制了一种小型核能电池，将核反应释放的核能转变为电能．该电池的设计要求为功率不必太大，但要便于防护其产生的核辐射．请据此猜测“玉兔号”所用核能电池有可能采用的核反应方程是( )
A．13H+12H―→24He+01n
B．92235U+01n―→56141Ba+3692Kr+301n
C．94238Pu―→95238Am+-10e
D．1327Al+24He―→1530P+01n
5．92235U受中子轰击时会发生裂变，产生56139Ba和3694Kr，同时放出 200 MeV的能量，现要建设发电能力是 50万千瓦的核电站，用铀 235作为原子锅炉的燃料，假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天需要纯铀 235的质量为多少 (阿伏伽德罗常量取 6.02×1023 ml-1)？





回归本节知识，自我完成以下问题：
1．写出链式反应的定义及条件？
2．写出核聚变的一个典型方程？
3．现在核电站利用的是核裂变还是核聚变？用什么来控制核反应速度？比较项
重核裂变
轻核聚变
放能原理
重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能
两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
核废料处理难度
聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
原料的蕴藏量
核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%
主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富．1 L海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当
可控性
速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能
目前，除氢弹以外，人们还不能控制它
组成部分
材料
作用
裂变材料(核燃料)
浓缩铀(92235U)
提供核燃料
慢化剂(减速剂)
石墨、重水或普通水
使裂变产生的快中子减速
控制棒
镉
吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层
石墨
阻止中子逃逸
热交换器
水
产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电
防护层
金属套和钢筋混凝土
防止射线对人体及其他生物体造成侵害