高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 核裂变与核聚变导学案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 核裂变与核聚变导学案，共7页。学案主要包含了核裂变，反应堆与核电站，核聚变等内容，欢迎下载使用。


1.知道重核的裂变和链式反应
2.会计算核裂变释放的能量
3.了解原子弹的原理
4.知道聚变反应的特点
5.了解聚变反应的条件
知识点一、核裂变
1．定义：核物理中，把重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程，叫核裂变。
2．铀核的典型裂变方程
用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是eq \\al(235, )92U＋eq \\al(1,0)n―→eq \\al(144, )56Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n.
3．链式反应
由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程。
4．链式反应的条件
(1)铀块的体积大于临界体积．
(2)铀块的质量大于临界质量．
以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足．
知识点二、反应堆与核电站
1.核反应堆：通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆．
2.反应堆工作原理
(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围．
反应堆示意图
(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度．
(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电．
发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面．
知识点三、核聚变
1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应．
2．典型的核聚变方程：eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV
3．条件
在超高温条件下，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库伦斥力，发生核聚变。因此，核聚变又叫热核反应。
4．优点
核聚变产能效率高，燃料的储量丰富，更为安全、清洁。
5．实现困难
核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束
1．2020年1月10日，黄旭华获2019年度国家最高科学技术奖。黄旭华作为中国第一代核潜艇总设计师，成功研制了我国第一代核潜艇，为我国海基核力量实现从无到有的历史性跨越做出了卓越的贡献。下列关于核反应正确的是（ ）
A．HeHeH为原子核的α衰变，放出的α射线有很强的穿透性
B．氪90（Kr）是不稳定的，衰变成为锆90（Zr）需要经过2次α衰变
C．原子衰变成新核时，新原子核处于高能级状态不稳定，会向低能级跃迁，跃迁时只能放出一些特定频率的γ射线
D．比结合能越小的原子核越稳定
【答案】C
【详解】A．HeHeH为轻核的聚变，α射线的电离能力很强，穿透性很弱，A错误；
B．根据质量数与质子数守恒，结合β衰变释放电子，则
KrZr+e
B错误；
C．因为原子核在经历核反应后往往处于激发态，衰变后产物的新核从激发态向较低能级跃迁，一般以发射电磁波的形式进行，发射的正是γ射线，C正确；
D．比结合能越大的原子核越稳定，D错误。
故选C。
2．下列四幅图涉及不同的物理知识，其中说法正确的是（ ）
A．图1：光电效应中，光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
B．图2：铀核裂变中放出新的中子又引起新的裂变，形成链式反应
C．图3：氢原子能级是分立的，但原子发射光子的频率是连续的
D．图4：卢瑟福通过α粒子散射实验，提出原子核均匀分布在原子内的结构模型
【答案】B
【详解】
A．图1的光电效应中，由爱因斯坦的光电效应方程可知
变换可得
故光电子的最大初动能与入射光的频率呈线性关系，但不成正比，A错误；
B．图2中，铀核裂变中放出新的中子又引起新的裂变，形成链式反应，B正确；
C．图3中：氢原子能级是分立的，原子发射光子的频率也是不连续的，即原子发光只能发出某个能级差对应的能量而形成的光子，C错误；
D．图4中，卢瑟福通过α粒子散射实验，提出的是原子的核式结构模型，D错误。
故选B。
1．2020年12月4日，新一代“人造太阳”核聚变实验装置－“中国环流器二号M”在四川成都建成并实现首次放电。这标志着我国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术，为我国核聚变堆的自主设计与建造打下了坚实基础。下列说法正确的是（ ）
A．目前运行的核电站发电都是采用核聚变反应
B．托卡马克内部反应过程是链式反应
C．托卡马克内部核反应可能是
D．属于核聚变反应
【答案】D
【详解】A．目前运行的核电站发电都是采用核裂变反应。A错误；
B．托卡马克内部反应过程是核聚变反应。B错误；
C．该反应是核裂变反应，托卡马克内部核反应不可能是该反应。C错误；
D．属于核聚变反应。D正确。
故选D。
2．已知“人造太阳”核聚变的反应方程为。关于此核聚变，以下说法正确的是（ ）
A．，
B．将原子核加热到几百万开尔文时，原子核具有足够的动能，才能发生聚变反应
C．1ml氘核和1ml氚核发生核聚变，可以放出17.6MeV的能量
D．裂变比聚变更安全、清洁
【答案】B
【详解】A．根据电荷数守恒、质量数守恒可知，
故A错误；
B．将原子核加热到几百万开尔文时，原子核具有足够的动能，才能发生聚变反应，故B正确；
C．1个氘核和1个氚核发生核聚变，可以放出17.6MeV的能量，故C错误；
D．轻核聚变产生物为氦核，没有辐射和污染，所以聚变比裂变更清洁，但聚变更难控制，故D错误。
故选B。
3．2021年1月30日，华龙一号全球首堆中核集团福建福清核电5号机组投入商业运行，这标志着我国在三代核电技术领域跻身世界前列。目前核能发电都是利用核裂变反应，下列表示重核裂变的是（ ）
A．B．
C．D．
【答案】A
【详解】A．该反应是重核裂变，选项A正确；
B．该反应是衰变方程，选项B错误；
C．该反应为原子核的人工转变方程，选项C错误；
D．该反应是轻核聚变反应，选项D错误。
故选A。
4．铀核（）是制造核武器的主要材料之一，其中一种核反应方程为，下列说法正确的是（ ）
A．该核反应在中子的轰击下发生，为人工转变
B．X原子核中含有86个中子
C．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少
【答案】B
【详解】A．该核反应为链式反应，而不是人工转变，故A错误。
B．根据核反应质量数和电荷数守恒可计算出，X原子核中含有86个中子，故B正确。
C．核裂变释放的能量大于它俘获中子时得到的能量，故C错误。
D．因为裂变释放能量，出现质量亏损，所以裂变后的总质量减少，但总质量数不变，故D错误。
故选B。
5．下列说法正确的是（ ）
A．若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减小
B．发生α衰变时，生成核与原来的核相比，中子数减少了4
C．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的热核反应
D．按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，电势能增大，原子的总能量不变
【答案】C
【详解】A．半衰期与放射性物质的温度无关。A错误；
B．发生α衰变时，生成核与原来的核相比，中子数减少了2个。B错误；
C．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的热核反应。C正确；
D．按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，电势能增大，原子的总能量增大。D错误。
故选C。
6．在太阳内部发生的典型核反应方程是4→He+2X，下列说法正确的是（ ）
A．核电站利用此反应来获得核能
B．该核反应属于聚变反应
C．方程中的X为电子（e）
D．该核反应前后质量数守恒，因而反应前后总质量保持不变
【答案】B
【详解】A．核电站利用核裂变来获得核能，A错误；
B．该核反应属于聚变反应，B正确；
C．根据质量数和电荷数守恒，此X为正电子，C错误；
D．该核反应前后质量数守恒，释放了核能，根据爱因斯坦质能方程可知反应过程产生了质量亏损，D错误。
故选B。
7．轻核聚变的一个核反应方程为：H＋H→He＋X，若已知H的质量为m1，H的质量为m2，He的质量为m3，X的质量为m4，则下列说法中正确的是（ ）
A．H和H在常温下就能够发生聚变
B．X是质子
C．这个反应释放的核能为ΔE＝（m1＋m2－m3－m4）c2
D．我国大亚湾核电站是利用轻核的聚变释放的能量来发电的
【答案】C
【详解】A．H和H只能在极高温度下才能够发生聚变，选项A错误；
B．根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为0，是中子，选项B错误；
C．根据质能方程可知，这个反应释放的核能为ΔE＝（m1＋m2－m3－m4）c2
选项C正确；
D．我国大亚湾核电站是利用重核裂变释放的能量来发电的，选项D错误。
故选C。
8．太阳内部发生的核反应模式之一是质子—质子循环，即四个结合生成一个，并释放出大量能量，其链式反应方程为①，②，③，下列说法正确的是（ ）
A．②反应中，释放了γ光子，则②反应为衰变反应
B．循环结果可表示为
C．四个生成一个过程中存在质量亏损
D．核电站中的核反应方式与太阳内部发生的主要核反应方式相同
【答案】C
【详解】A．②反应属于轻核聚变反应，故A错误；
B．循环结果可表示为，故B错误；
C．四个生成一个过程中释放大量能量，存在质量亏损，故C正确；
D．核电站发生的核反应方式是重核裂变，故D错误。
故选C。