1、第五节裂变和聚变核心素养明目标核心素养学习目标物理观念知道核裂变、核聚变及链式反应和热核反应，了解在裂变、聚变中能释放出巨大的能量科学思维掌握核裂变、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，提升计算能力科学探究通过看书和网上查阅，探究核裂变、核聚变的应用和发展前景，学会与他人交流探究成果，相互促进，提升科学探究能力科学态度与责任了解原子弹、氢弹及核反应堆的利用，知道核能的科学利用，能为人类创造幸福，有防止危害的科学责任，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：原子核中的质子数又称为原子序数2核裂变：一个重核分裂成两个较轻的核时，会释放出能量，我们把
2、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核聚变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发生裂变，让核裂变过程自己持续下去，源源不断地将核能释放出来，这样的核反应叫作链式反应典型例子：UnKrBa3n(2)条件：a.要超过临界体积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：HHHen2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，能够克服相互间的库仑斥力，在相互碰撞中接近到可以发生聚变的程
3、度，因此，核聚变又叫作热核反应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，变成慢中子，或称为热中子这种用来使中子减速的物体叫作慢化剂(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，被称为控制棒(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
4、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()答案(1)(2)(3)(4)2(多选)关于原子核反应堆，下面说法正确的有
5、()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BD核燃料即为用浓缩铀制成的铀棒，铀棒裂变时释放核能；镉棒具有很强的吸收慢中子的能力，通过控制镉棒插入的深度来控制链式反应的速度，即可控制反应堆的功率；石墨的作用是使裂变产生的快中子减速成为慢中子；冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热量则B、D正确，A、C错误3(多选)以下说法正确的是()A聚变是裂变的逆反应B如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量C聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，所以聚变反应又叫热核反应D裂变反应速度可以实现人工控制，但却不容易控制轻核聚变
6、反应速度CD聚变是轻核聚合成次轻核，裂变是重核分裂成中等质量的核，二者无直接关系，故A错误；聚变和裂变在能量流向上也无直接关系，故B错误；核聚变反应是热核反应，需数百万度的高温，但聚变反应一旦开始所释放的能量就远大于所吸收的能量，因此聚变反应还是释放能量的，故C正确；现在已经能实现裂变反应速度的人工控制，但除氢弹外，还不能实现轻核聚变的人工控制，故D正确 考点1核裂变与链式反应(1)铀核裂变是如何发生的？(2)铀核裂变在自然界中能自发进行吗？提示(1)核子受激发当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状核子分裂核子间的距离增大，因而核力迅速
7、减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应(2)重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自发地发生铀核裂变不会自发地进行，要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这些中子继续与其他铀核发生反应，再引起新的裂变，这样就形成了链式反应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
8、放出中子2裂变过程核能的计算：UnBaKr3n已知m(U)235.043 9 u，mn1.008 7 u，m(Ba)140.913 9 u，m(Kr)91.897 3 u，且1 u质量对应的能量为931.56 MeV，裂变前：m1(235.043 91.008 7) u236.052 6 u，裂变后：m2(140.913 991.897 331.008 7)u235.837 3 u，质量亏损：m0.215 3 u，释放能量：E0.215 3931.5 MeV200.55 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
9、的核电站比较广泛采用的核反应之一是：UnNdZr3n8e.(1)核反应方程中的是中微子，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1 u1.660 61027 kg，试计算，1 kg铀235大约能产生的能量是多少？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Emc2计算核能(3)要统一使用国际制单位解析(1)根据电荷数和质量数守恒，可得Zr的电荷数Z9260840，质量数A2361433190.
10、(2)方法一：质量亏损m(mUmn)(mNdmZr3mn)0.212 u，一个铀核裂变释放能量Em931.5 MeV，0.212931.5 MeV197.5 MeV，1 kg铀核含有的原子核数为n6.021023个2.5621024个，1 kg铀核产生的能量E总nE2.562197.51024 MeV5.061026MeV5.0610261061.61019 J8.11013 J.方法二：m(mUmn)(mNdmZr3mn)0.212 u0.2121.660 61027 kg3.51028 kg，Emc23.51028(3108)2 J3.151011 J，n6.021023个2.562102
11、4个，E总nE2.56210243.151011 J8.11013 J.答案(1)4090(2)8.11013 J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(m)的千克数乘以真空中的光速(c3108 m/s)的平方，即Emc2.(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Em931.5 MeV.(3)由核能的转化量计算1下面是铀核裂变反应中的一个：UnXeSr10n.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1
12、36的质量为135.907 2 u，则此核反应中质量亏损m_u，释放的核能E_MeV.解析质量亏损m235.043 9 u1.008 7 u135.907 2 u89.907 7 u101.008 7 u0.150 7 u，由Emc2可求得释放的核能Em931.5 MeV0.150 7931.5 MeV140.377 1 MeV.答案0.150 7140.377 1 考点2核聚变的理解大海航行靠舵手，万物生长靠太阳没有太阳，地球上就不可能有姿态万千的生命现象，当然也不会孕育出作为智能生物的人类(1)太阳是靠什么为地球生命提供巨大的能量呢？(2)使轻核合成质量较大的核的难点是什么？提示(1)太阳
13、辐射的能量是在氢聚变成氦的过程中产生的(2)要使两个轻核接近到1015 m内，核力才能发生作用，但进入这样的范围需克服很大的库仑斥力，使轻核具有足够的能量是难点之一1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比较项重核裂变轻
14、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34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【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
15、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；(3)已知太阳每秒释放的能量为3.81026 J，则太阳每秒减少的质量为多少？(mp1.007 3 u，mHe4.002 6 u，me0.000 55 u)思路点拨(1)核反应方程两边电荷数和质量数守恒；(2)用Emc2求能量解析(1)核反应方程4HHenX，而nX是2个正电子因此核反应方程应为4HHe2e.(2)反应前的质量m14mp41.007 3 u4.029 2 u，反应后的质量m2mHe2me4.002 6 u20.000 55 u4.003 7 u，质量亏损mm1m
16、20.025 5 u，由质能方程得，释放能量E0.025 5931.5 MeV23.753 3 MeV.(3)由质能方程Emc2得每秒减少的质量m kg4.2109 kg.答案(1)4HHe2e(2)23.753 3 MeV(3)4.2109 kg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
17、核转变常用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，并向外辐射出粒子或粒子的反应，衰变根据向外辐射粒子的不同分为衰变和衰变两种2氘核和氚核可发生热核聚变而释放巨大的能量，该反应方程为HHHeX，式中X是某种粒子，已知：H、H、He和粒子X的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u931.5 MeV/c2，c是真空中的光速由上述反应方程和数据可知，粒子X是_，该反应释放出的能量为_MeV(结果保留三位有效数字)解析根据质量数守恒、电荷数守恒，不难推算粒子X是n(中子)根据爱因斯坦质能方程Em
18、c2知，该反应释放出的能量为E(2.014 13.016 14.002 61.008 7)931.5 MeV17.6 MeV.答案n(中子)17.6 考点3重核裂变的应用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？提示(1)铀核的裂变(2)不需要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
19、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：组成部分材料作用裂变材料(核燃料)浓缩铀(U)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的侵害3核反应堆与原子弹爆炸的比较：原子
20、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UnBaKraX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n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U、Ba、Kr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
21、出的核能E是多少？(2)有一座发电能力为P1.00106 kW的核电站，核能转化为电能的效率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E2.781011 J，核的质量mU3901027 kg，求每年(1年3.15107 s)消耗的U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)要注意效率的应用解析(1)由反应方程可知：X为n，a为3，释放的能量为E(mUmBamKr2mn)c2.(2)因电站发电效率为40%，故电站消耗U的功率为P kW2.5106 kW，电站每年消耗U的能量为WPt2.51093.15107 J7.8751016
22、J，每年消耗U的质量为M mU kg1 105 kg.答案(1)n3(mUmBamKr2mn)c2(2)1 105 kg3落在日本广岛上的原子弹，相当于2万吨TNT炸药放出的能量原子弹放出的能量约8.41013 J，试问有多少个U原子核进行分裂？该原子弹中含U的质量最小限度为多少千克？(一个U原子核分裂时所产生的能量约为200 MeV)解析一个U原子核分裂时所产生的能量约为200 MeV200106 eV2.01081.61019 J3.21011 J设共有n个U核发生裂变：n个2.61024个，铀的质量m235103kg1.015 kg.答案2.61024 个1.015 kg1物理观念：核裂
23、变、核聚变、链式反应、热核反应及相关的核反应方程2科学思维：核裂变、核聚变、核电站有关能量的计算3科学方法：实验法、观察法、举例法、计算法等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AD根据重核发生裂变的条件和裂变释放能量的原理分析可知，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，因而释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量；重核
24、裂变只能发生在人为核反应中；在裂变反应中核子数是不会减少的，因此A正确，BC错误；重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，必然发生质量亏损，从而释放出核能，所以D正确2(多选)1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些射线下列关于这个实验的说法中正确的是()A这个实验的核反应方程是UnBaKr3nB这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和C实验中产生的射线穿透能力极强D这个反应中释放出的能量可以用爱因斯坦的质能方程来计算ACD根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：UnBaKr3n，选项A正确；铀核裂变过程中产生
25、射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B错误，D正确；核反应中产生的射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项C正确3(多选)关于核能的利用，下列说法正确的是()A核电站的反应堆将释放的核能转化为蒸汽的内能，再转化为电能B采用“内爆法”促使链式反应，做成的原子弹设计难度大，但材料利用率高C核燃料的危害主要是其具有放射性D太阳发光主要来自太阳内部重核裂变产生的核能ABC核电站的能量转化过程为核能到内能再到电能，A正确；“内爆法”难度大，但材料利用率高，B正确；放射性对人体和环境都有危害，C正确；太阳发光主要来自太阳内部轻核聚变反应释放的能量，D错误4(多选)我国
26、在极其困难的情况下，完成了“两弹一星”，长了中国人的志气，打破了西方的讹诈，下列核反应方程中，属于研究两弹的基本核反应方程的是()ANHeOHBUnSrXe10nCUThHeDHHHenBD“两弹”指原子弹和氢弹，原子弹的核反应方程属于铀核裂变，B选项正确；氢弹的核反应方程属于轻核聚变，D选项正确5U受中子轰击时会发生裂变，产生Ba和Kr，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(阿伏伽德罗常数取6.021023 mol1)?解析每天发电的总量E243.61035108 J4.321013 J.要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目n个1.351024 个则对应的质量mMu235103 kg0.527 kg.答案0.527 kg