1、2012届高三物理一轮复习学案：第十六章近代物理专题四 核能 核的裂变和聚变考点透析一、本专题考点 核能、质量亏损、爱因斯坦质能方程、重核裂变、轻核聚变、可控热核反应均为类要求。 二、理解和掌握内容 .核能 核力：质子与质子之间、中子与中子之间、中子与质子之间的一种强相互作用核力发生作用的距离很短，范围约为210-15，所以每个核子几乎只跟它相邻的核子发生相互作用 核能：由于核子间存在强大的核力，所以要把原子核拆成一个个核子要提供巨大的能量，同样，当由核子结合成原子核时也要释放巨大的能量核子结合成原子核时释放的能量或原子核分解成核子时吸收的能量称为原子核的结合能，简称核能 质量亏损：组成原子核
2、的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的质量亏损但需注意：核反应中质量数是守恒的，要区分原子核的质量与质量数 质能方程：2 物体的能量与它的质量成正比,当核反应发生质量亏损时要释放能量,上式可写成:2. （或写成1931.5eV ） .重核的裂变：重核俘获一个中子后分裂为两个(或几个)中等质量的核的反应过程称为重核的裂变核裂变发生时，往往是伴随释放大量能量的同时放出几个中子，而这些中子又会引起其它重核的裂变，这样就会形成链式反应例如235的一种裂变反应方程为: 原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时，可能还没碰到铀核时就跑到铀块外面去了能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界
3、体积 .轻核的聚变：某些轻核结合成质量较大的核的反应叫轻核的聚变例如氢核的一种聚变反应方程为: 聚变反应往往会比裂变反应释放更多的核能，但反应条件却很苛刻，一般要在几百万度的高温下进行，所以聚变反应也称为热核反应.正因为如此，和平利用聚变反应释放的核能还处于研究试验阶段到目前为止，世界上所有的核电站利用的全是裂变反应释放的核能. 例题精析例题1 云室处在磁感应强度为的匀强磁场中，一静止的原子核在云室中发生一次衰变而变成一质量为的新核，同时辐射出一频率为的光子已知粒子的质量为，电量为，其运动轨迹在与磁场垂直的平面内现测得粒子运动的轨道半径为，试求衰变前原子核的质量（已知普朗克常数为，不计光子的动
4、量）解析：本题主要考查综合运用力学规律解决微观粒子问题的能力考查的知识点有：带电粒子在磁场中的圆周运动问题；动量守恒定律的应用；爱因斯坦质能方程根据题意，核在衰变过程中释放的核能表现在两个方面：新核及粒子的动能；另外同时辐射出一个光子，这样就会导致衰变过程中发生质量亏损如果算出了，问题也就迎刃而解了，为此我们可先计算粒子和新核的动能 用表示衰变后粒子的速度，根据题意： 用表示粒子的动能，则有： 由以上两式可解得： 用表示剩余核的速度，用表示新核的动能，在考虑衰变过程中系统的动量守恒时，因光子的动量很小可不予考虑，由动量守恒和动能的定义式可知： 由 三式可解得： 用表示衰变过程中的质量亏损，利用
5、爱因斯坦质能方程可得： 如果用表示衰变前核的质量，所以有 例题 太阳现在正处于主序星演化阶段，它主要是由电子和氢核、氦核等原子核组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是核能，这些核能最后转化为辐射能根据目前关于恒星演化理论，若由于聚变反应使太阳中氢核数目从现有数减少10，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星阶段，为了简化，假定目前太阳全部由电子和氢核组成为了研究太阳的演化进程，需知道目前太阳的质量，已知地球半径6.4106，地球质量6.01024kg，日地中心的距离1.51011，地球表面处的重力加速度10/2，年约为3.2107秒，试估算目前太阳的质量已知质子质量p1.672610
6、-27kg，核的质量6.645810-27kg，电子质量e0.910-30kg，光速10/，求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能又已知地球上与太阳光垂直的每平方米截面上，每秒钟通过的太阳辐射能1.3510/，试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命（估算结果只要求一位有效数字）解析：本题的功能主要考查对物理思想、物理方法的掌握程度，同时也考查了分析能力、运算能力等各方面的素质，涉及到的知识点有：“牛顿运动定律”、“万有引力定律”、“圆周运动”及爱因斯坦“质能方程”等，是一道学科内综合题 估算太阳的质量 设为地球绕太阳运动的周期，则有万有引力定律和牛顿运动定律可知： 地球表面处的重
7、力加速度 由以上两式联立解得： 将题中给出数据代入上式得：1030Kg根据质量亏损和质能公式，该核反应每发生一次释放的核能为： (4Pe)c2代入数值解得：4.210-12据题中给出的假定，在太阳继续保持在主序星阶段的时间内，发生题中所述的核反 应的次数为：因此太阳在转入红巨星阶段之前总共能辐射出的能量为: 设太阳辐射是各向同性的，则每秒内太阳向外辐射的总能量为:04r2所以，太阳继续保持在主序星的时间为：由以上各式解得： 将题中所给数据代入，并以年为单位，可得1010年100亿年 例题 原来静止的质量为m0的原子核，放出一个a粒子后转变成质量为m1的原子核，该原子核在运动方向上又放出a粒子，
8、而衰变成静止的另一原子核已知粒子的质量为ma，且假设在全部核反应过程中，没有辐射g射线，求两个粒子的动能及最后新核的质量2 解析：本题的考点主要表现在两个方面，动量守恒定律在微观粒子中的应用；爱因斯坦质能方程因为原子核原来处于静止状态，且发生两次衰变后新核仍处于静止，因此根据动量守恒定律可判断出，先后发生衰变的两个粒子应具有大小相同、方向相反的动量，因而具有相等的动能所以只需计算第一个粒子的动能即可 设发生第一次衰变后粒子的速度为，核的反冲速度为，根据动量守恒有： 用表示粒子的动能，用表示核的动能，则有： 根据题意及爱因斯坦质能方程可得：由以上各式可解得： 设两次衰变质量总亏损为，则根据质能方
9、程有： 所以： 思考与拓宽：上题中先后两次衰变过程中质量亏损相同吗？如果不相同，哪次衰变质量亏损更多一些？ 能力提升知识与技能 关于原子核能及其变化，下列说法中正确的是（ ） 核能是原子的核外电子从高能级态向低能级态跃迁时放出的能量 使原子核分解为单个核子时一定从外界吸收能量，核子的总质量将增加 使原子核分解为单个核子时一定向外释放核能，核子的总质量将减少 以上说法均不对 关于原子核能及其应用，下列说法中错误的是（ ） 原子弹是利用聚变反应制造的核武器 氢弹是利用热核反应制造的一种核武器 实现铀235的链式反应必须使其达到足够的纯度和临界体积 太阳内部的进行的核反应是核聚变反应 3.我国已经建
10、成的秦川和大亚湾两座核电站利用的是（ ） 放射性元素衰变放出的能量 人工放射性同位素衰变放出的能量 重核裂变放出的核能 轻核的聚变放出的核能 关于原子核及核反应，以下说法中正确的是：（ ） 在原子核中，任意两个核子之间都有核力的作用 核聚变时核力表现为引力，核裂变时核力表现为斥力 由于核力的作用，使得核子在组成原子核时一定释放能量 所有的核变化，都将向外释放核能 关于重核的裂变和氢核的聚变，下面说法正确的是（ ）裂变和聚变过程都有质量亏损，因而都能释放大量核能裂变过程有质量亏损，聚变过程质量有所增加裂变和聚变都需要在极高的温度下进行裂变释放大量核能，聚变需从外界吸收能量 下面的四个核反应方程中
11、，都有中子释放出来，其中查德威克研究中子的核反应方程是：（ ） 一个锂核受到一个质子的轰击，变成两个粒子，这一过程的和反应方程式是_，已知一个氢原子的质量是1.673610-27Kg，一个锂原子的质量是11.650510-27Kg，一个氦原子的质量是6.646610-27Kg, 则上述核反应释放的能量为_（最后结果取两位有效数字）能力与素质静止的镭生衰变，释放出的粒子的动能为0，假定衰变时能量全部以动能形式释放出去，则衰变过程中总的质量亏损是（ ） 91956年李政道和扬振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄用放射源进行了实验验证次年李、杨二人为此获得诺贝尔物理奖，的衰变方程是：其中是反
12、中微子，它的电荷数为零，静止质量可认为是零 的核外电子数为_，上述衰变方程中，衰变产物的质量数A等于_，核电荷数Z是_ 在衰变前核静止，根据云室照片可以看出，衰变产物和的运动径迹不在一条直线上如果认为衰变产物只有和，那么衰变过程将违背_守恒定律 10同学们根据中学物理知识讨论“随着岁月的流逝，地球绕太阳公转的周期、日地间的平均距离、地球表面的温度变化趋势”的问题中，有下列结论： 太阳内部进行着剧烈的热核反应，辐射大量光子，根据可知太阳质量在不断减少 根据和可知日、地之间距离将不断增大，地球环绕速度将减小，环绕周期将增大 根据和可知日、地之间距离将不断减小，地球环绕速度将增大，环绕周期将减小 由于太阳质量不断减小，辐射光子的功率将不断减小，辐射到地球表面的热功率也将减小，地球表面的温度将逐渐降低 上述结论中正确的是： 只有 只有 只有 只有11某沿海核电站原子反应堆的功率为104，消耗核燃料为8.75，已知每个铀235裂变时释放出的核能为2108e，煤的燃烧热为3.3107K计算核燃料中铀235所占的百分比，并分析1铀235全部裂变时释放的能量约等于多少千克煤燃烧所释放的热能（阿伏伽德罗常数06.021023个/摩尔）专题四 1B 2A 3C 4C 5A 6B 7 2.8 10-12 8D9 27 60 28 动量 10C11提示百分比(0.44/8.75)100 2.5103K