鲁科版高中物理选择性必修第三册·第5章 第4节核裂变和核聚变第5节核能的利用与环境保护（课件PPT）

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第节 4、5核裂变和核聚变核能的利用与环境保护高中物理 选择性必修第三册第5章学习目标1.知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量．　2.知道什么是链式反应．　3.会计算重核裂变过程中释放出的能量．　4.知道什么是核反应堆，了解常用裂变反应堆的类型．　5.知道聚变反应的特点及其条件，并能计算核聚变释放的能量．　6.可控热核反应及其研究和发展前景．　7.了解核电站的构造和基本原理，了解核武器的种类．　8.了解核能利用的优势、危害及其防护措施．引入较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢？物理学中把重核分裂成两个较轻的核时，释放出核能的反应叫做核裂变．1.核裂变一、重核裂变2．核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．3、铀核的裂变（1）发现1938年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。（2）常见的裂变方程：4．裂变过程核能的计算已知m( )＝235.043 9 u，mn＝1.008 7 u，m( )＝140.913 9 u，m( )＝91.897 3 u，且1 u质量对应的能量为931.56 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．1.定义：在235　92U核裂变释放出巨大能量的同时，平均每次可以放出2～3个中子，这些中子称为第1代中子，如果其中至少有一个继续轰击235　92U，使之发生裂变，就能产生第2代中子，这样不断继续下去，中子会不断增加，裂变反应就会不断加强，就形成了裂变的链式反应．能够发生链式反应的铀块的最小体积叫作临界体积．2.条件：发生链式反应必须具备两个条件：（1）铀核的体积达到临界体积；（2）必须存在持续不断的中子源．二、链式反应 三 轻核聚变1.核聚变：2.太阳内部核聚变的反应方程轻核结合成质量较大的原子核的反应叫聚变.思考与讨论：要使氢核发生聚变，必须使原子核间的距离达到 10-15 m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们靠近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量的原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？方法:①用加速器加速原子核 ②原子核加热到很高的温度108～109K2.发生条件：原子核间距离在10-15m范围内,需要高温几百万度，所以聚变又叫热核反应.3. 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．6．实现可控核聚变的方案：引力约束、磁约束和惯性约束。5．核聚变与核裂变相比有很多优点(1)轻核聚变产能效率高；(2)地球上核聚变燃料的储量丰富；(3)轻核聚变更为安全、清洁。4．实例分析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。氢弹，由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。(1)宇宙天体：(2)核武器：1.核反应堆：组成：由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，它是核反应堆的燃料。①铀棒：石墨(或重水)作为慢化剂，附着在铀棒周围，使反应生成的快中子变为慢中子，便于被铀235“捉”住，发生核裂变。②石墨(或重水)：屏蔽射线，防止放射性污染。④水泥防护层：主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫作控制棒。③镉棒： 三 反应堆与核电站2.核电站①消耗的核燃料少②污染小一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30吨左右，而同样功率的火电站每年要消耗煤250万吨。核电站对环境的污染比火电站小。（4）优点：（1）核电站：将核反应堆释放的核能转化为电能的发电厂．（2）工作流程：将反应堆释放的核能转化为蒸汽的内能，再利用蒸汽驱动汽轮机发电转化为电能．（3）燃料：反应堆以____为燃料．1．核能的优势(1)核能发电比燃煤发电的成本低．(2)核电站对环境的污染比燃煤发电小得多．2．核能利用存在的危害(1)核废料的高辐射性．(2)放射性物质泄漏，产生核污染 ．(3)核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏． 四 核能的优势和危害本课小结一.核裂变二.核聚变当堂检测1. ［多选］关于铀核裂变，下列说法正确的是（　　）A.铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B.铀核裂变时还能同时释放2~3个中子C.为了使裂变的链式反应容易进行，最好用铀235D.铀块的体积对产生链式反应无影响BC【解析】　A错，B对：铀核受到中子的轰击，会引起裂变，放出2~3个中子，裂变的产物不唯一，只是裂变成两块的情况多，也有分裂成多块的情况。C对：铀235受慢中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小。D错：要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积。  CD3.［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【解析】A对：铀棒是核燃料，裂变时放出能量。B对：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，即控制反应堆的功率。C错：慢中子最容易引发铀核裂变，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。D对：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。ABD4.［多选］关于核聚变，下列说法正确的是 （　　）A.两个轻核只有聚变为中等质量的原子核时才放出能量B.同样质量的轻核发生聚变时放出的能量比同样质量的重核裂变时释放的能量大好多倍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】A错：两个轻核聚变为较大质量的原子核时可释放能量，但不一定是中等质量的原子核。B对：轻核聚变放出的能量比同样质量的重核裂变释放的能量大得多。C错，D对：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10-15 m，故要求有足够大的动能才能克服原子核间的斥力做功。BD 【解析】裂变是重核变为质量较小的核，②是裂变；衰变有α衰变和β衰变，α衰变的结果是释放氦核，β衰变的结果是释放电子，①是β衰变；聚变是质量较小的核结合成质量较大的核，③是聚变，故C正确。C谢 谢！