新教材人教版高中物理選擇性必修第三冊(cè) 5.4核裂變與核聚變 教學(xué)課件

1、第五章 原子核5.3 核裂變與核聚變1.知道重核的裂變反應(yīng)和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件。2.了解裂變反應(yīng)堆的工作原理及核電站和核能利用的優(yōu)缺點(diǎn)。3.掌握核聚變的定義及發(fā)生條件。4.會(huì)判斷和書寫核裂變、核聚變方程,能計(jì)算核反應(yīng)釋放的能量。學(xué)習(xí)目標(biāo) 較重的核分裂成中等大小的核，較小的核合并成中等大小的核的過程中，都有可能釋放出能量。核電站以及原子彈、氫彈等核武器，利用的就是這些核能。在這些裝置中，核能是怎樣被轉(zhuǎn)化和使用的呢？新課導(dǎo)入核子平均質(zhì)量比結(jié)合能核子的平均結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)的變化z核子結(jié)合成鐵原子核或鐵附近的原子核時(shí)，每個(gè)核子平均放出的能量大 使較重的核分裂成中等大小的核，比結(jié)合能會(huì)增加，發(fā)生質(zhì)量虧損，

2、釋放結(jié)合能。20世紀(jì)30年代，物理學(xué)家的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)改變了人類歷史。原子核在“分裂或聚合”時(shí)，會(huì)釋放出驚人的能量。新課講解一、核裂變的發(fā)現(xiàn)1947年我國(guó)著名物理學(xué)家錢三強(qiáng)、何澤慧夫婦在巴黎首先觀察到中子轟擊鈾核的三分裂和四分裂現(xiàn)象。1、核裂變鈾核的三分裂、四分裂鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，其他裂變方程還有:二分裂2、鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 當(dāng)一個(gè)中子引起一個(gè)重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且能不斷繼續(xù)下去，這種反應(yīng)叫核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。定義鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件鈾礦中子雜質(zhì)雜質(zhì)保證鈾235的純度臨界體積和臨界質(zhì)量：原子核的體積非常小，原子內(nèi)部的空隙很大，如果鈾塊不夠大，中子在鈾塊中通過時(shí)，就有可能不到鈾

3、核而跑到鈾核外面去，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不能繼續(xù)。只有當(dāng)鈾核足夠大時(shí)，裂變產(chǎn)生的中子才有足夠的概率打中某個(gè)核，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行下去。 裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫做它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量。 3、核裂變釋放大量的能量 一個(gè)鈾235核裂變時(shí)釋放的能量如果200MeV估算，1kg鈾235全部裂變時(shí)放出的能量就相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能! 原子彈是利用重核的裂變反應(yīng)制成的,高純度的鈾或钚超過臨界體積時(shí)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng),在極短時(shí)間內(nèi)能夠釋放大量核能，發(fā)生猛裂爆炸。原子彈 為了打破核壟所，最終消滅核武器，1964年10月16日我國(guó)第一顆原子彈爆炸成功。同時(shí)，我國(guó)政府鄭重承諾:中國(guó)在任

4、何時(shí)候、任何情況下，都不首先使用核武器，不對(duì)無核國(guó)家或地區(qū)使用或威脅使用核武器。我國(guó)研制成功原子彈，極大地增強(qiáng)了我國(guó)的國(guó)防力量。二、反應(yīng)堆與核電站通過可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)來釋放核能的裝置。1、反應(yīng)堆：“熱中子（慢中子）”核反應(yīng)堆示意圖水泥防護(hù)層控制棒鎘棒燃料棒鈾棒減速劑燃料：鈾棒 慢化劑：為了使裂變產(chǎn)生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，常用的慢化劑有石墨、重水或普通水。 控制棒：在鈾棒之間插入一些鎘棒，利用鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)來控制反應(yīng)速度。鎘棒插入的越深，吸收的中子就越多，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就越慢，這樣的鎘棒叫控制棒。水泥防護(hù)層：屏蔽射線防止放射性污染。熱中子反應(yīng)堆的核燃料是鈾棒，成分是天然

5、鈾或濃縮鈾（鈾235的含量占2%4%）。中子的速度不能太快，否則會(huì)與鈾235“擦肩而過”，鈾核不能“捉”住它，不能發(fā)生核裂變。實(shí)驗(yàn)證明，速度與熱運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)?shù)闹凶幼钸m于引發(fā)核裂變。這樣的中子就是“熱中子”，或稱慢中子。2、核電站核電站工作流程 第一回路中的水被泵壓入反應(yīng)堆，通過堆芯時(shí)核心反應(yīng)放出的熱使水的內(nèi)能增加，水溫升高。第一回路的水進(jìn)入交換器，把熱量傳給第二回路的水，然后又被泵壓回反應(yīng)堆。 在熱交換器內(nèi)，第二回路中的水被回?zé)嵘筛邷馗邏赫羝?，?qū)動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。核電站工作流程核反應(yīng)堆的防護(hù)措施：由1m多厚的鋼筋混凝土制成，整個(gè)核反應(yīng)堆都裝在安全殼中。第一道屏障耐高溫腐蝕的陶瓷體燃料芯塊可以把9

6、8%以上的裂變產(chǎn)物滯留在芯塊內(nèi)。第二道屏障燃料元件包殼由優(yōu)質(zhì)的鋯合金制成，具有良好的密封性。第三道屏障壓力殼將燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包殼少量射線泄漏。第四道屏障安全殼三、核聚變兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的核反應(yīng)。1、核聚變 一個(gè)氘核與一個(gè)氚核結(jié)合成一個(gè)氦核時(shí)（同時(shí)放出一個(gè)中子），釋放17.6MeV的能量，平均每個(gè)核子放出的能量在3MeV以上，比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量大3-4倍，核反應(yīng)方程：其他聚變反應(yīng)方程:要使輕核發(fā)生核聚變，必須使它們的距離達(dá)到10-15 m以內(nèi)，核力才能起作用。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的庫(kù)侖斥力。也就是說，原子核要

7、有很大的動(dòng)能才會(huì)“撞”到一起。什么辦法能使大量原子核獲得足夠的動(dòng)能而發(fā)生核聚變呢？ 當(dāng)物質(zhì)的溫度達(dá)到幾百萬開爾文時(shí)，劇烈的熱運(yùn)動(dòng)使得一部分原子核具有足夠的動(dòng)能，可以克服庫(kù)侖斥力，碰撞時(shí)十分接近，發(fā)生核聚變。因此，核聚變又叫熱核反應(yīng)。熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就會(huì)使反應(yīng)繼續(xù)下去。對(duì)物質(zhì)加熱到很高的溫度108109K用加速器加速原子核 2、核聚變普遍存在于宇宙中太陽恒星 科學(xué)家估計(jì)，太陽的這種“核燃燒”還能維持90億100億年。當(dāng)然，與人類歷史相比，這個(gè)時(shí)間很長(zhǎng)很長(zhǎng)！ 熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽和很多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)107K以上，因而在那里進(jìn)行著激烈的熱

8、核反應(yīng)，不斷向外界釋放著巨大的能量。 太陽每秒釋放的能量約為3.81026 J，地球只接受了其中的二十億分之一。太陽在“核燃燒”的過程中“體重”不斷減輕。它每秒有億噸原子核參與碰撞，轉(zhuǎn)化為能量的物質(zhì)是400萬噸。 3、核聚變的利用氫彈普通炸藥235氘、氚爆炸裂變聚變1967年6月17日，我國(guó)首枚氫彈爆炸成功 4、可控核聚變的方案磁約束帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)在均勻磁場(chǎng)中受洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場(chǎng)來約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。托卡馬克裝置中國(guó)科學(xué)院的環(huán)流器裝置慣性約束 由于聚變反應(yīng)的時(shí)間非常短，聚變物質(zhì)因自身的慣性還來不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)。在慣性約束下，可以用激光從各個(gè)方向照射參加反應(yīng)的物質(zhì)，

9、使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。慣性約束示意圖1、核裂變的發(fā)現(xiàn)裂變：重核分裂成質(zhì)量較小的核，釋放核能的反應(yīng)的過程鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：鈾的純度和鈾塊大小2、反應(yīng)堆與核電站3、核聚變核聚變：兩個(gè)輕核結(jié)合成一個(gè)質(zhì)量較大的核核聚變的條件：加熱到幾百萬卡爾文（熱核反應(yīng)）核聚變的例子：太陽、氫彈課堂小結(jié)【例題1】(多選)關(guān)于裂變反應(yīng),下列說法正確的是()A.用中子轟擊鈾核發(fā)生裂變,其一定分裂為質(zhì)量差不多的兩部分B.鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核一定釋放能量C.鈾核發(fā)生裂變時(shí)可能分裂成兩部分、三部分或四部分D.所有重核用中子轟擊均能發(fā)生裂變反應(yīng)解析：BD用

10、中子轟擊 等少數(shù)重核元素才能發(fā)生裂變反應(yīng),鈾核裂變時(shí)可能分裂為兩部分、三部分或四部分,但產(chǎn)生兩部分的概率最大,A、D錯(cuò)誤,C正確;鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)一定釋放能量,B正確。典例分析【例題2】鈾核裂變時(shí)的核反應(yīng)方程為：1kg鈾中含有的鈾核數(shù)為：1Kg鈾完全裂變釋放的能量為：1個(gè)U235發(fā)生裂變虧損質(zhì)量：1個(gè)U235發(fā)生裂變釋放的能量： m = (mu+ mn) - (mBa+mKr+3mn)= 0.35781027kg相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤的質(zhì)量為：已知1kg標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒釋放的熱量是2.94107J，則1Kg鈾完全裂變釋放的能量相當(dāng)于多少標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒釋放的熱量？【例題3】(多選)關(guān)于核反應(yīng)堆,

11、下列說法正確的是( )A.鈾棒是核燃料,裂變時(shí)釋放核能B.鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率C.石墨的作用是吸收中子D.冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱能解析：ABD鈾棒是核燃料,裂變時(shí)可放出能量,故A正確;鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng),作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度,即控制反應(yīng)堆功率,故B正確;慢中子最容易引發(fā)核裂變,所以在快中子碰到鈾棒前要進(jìn)行減速,石墨的作用是使中子減速,故C錯(cuò)誤;水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng),把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去,用于發(fā)電,同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻,控制溫度,故D正確?！纠}4】我國(guó)核聚變反應(yīng)研究大科學(xué)裝置“人造太陽”(如圖)2018年獲得重大突破，等離子體中心電

12、子溫度首次達(dá)到1億攝氏度，為人類開發(fā)利用核聚變能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ).下列關(guān)于聚變的說法正確的是（ ）A.核聚變比核裂變更為安全、清潔B.任何兩個(gè)原子核都可以發(fā)生聚變C.兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前增加D.兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的比結(jié)合能增加AD解析：與核裂變相比輕核聚變更為安全、清潔，A正確；自然界中最容易發(fā)現(xiàn)的聚變反應(yīng)是氫的同位素氘與氚的聚變，不是任意兩個(gè)原子核都能發(fā)生核聚變，B錯(cuò)誤；兩個(gè)輕核發(fā)生聚變結(jié)合成質(zhì)量較大的核時(shí)，放出巨大的能量，根據(jù)Emc2可知，聚變反應(yīng)中存在質(zhì)量虧損，則總質(zhì)量較聚變前減少，C錯(cuò)誤；兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的過程中要釋放能量，核子的平均

13、質(zhì)量減少，核子的比結(jié)合能增加，D正確?！纠}4】一個(gè)氘核和一個(gè)氚核經(jīng)過核反應(yīng)后生成一個(gè)氦核和一個(gè)中子，同時(shí)放出一個(gè)光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的質(zhì)量分別為m1、m2、m3、m4，普朗克常量為h，真空中的光速為c。下列說法中正確的是（ ）A.這個(gè)反應(yīng)的核反應(yīng)方程是B.這個(gè)核反應(yīng)既不是聚變反應(yīng)也不是裂變反應(yīng)C.輻射出的光子的能量E(m3m4m1m2)c2A解析：核反應(yīng)方程滿足質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，故A正確；該反應(yīng)為聚變反應(yīng)，故B錯(cuò)誤；聚變反應(yīng)中虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，以光子的形式放出，故光子能量為E(m1m2m3m4)c2，故C錯(cuò)誤；1.我國(guó)新一代可控核聚變研究裝置“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M”（又被稱為“

14、人造太陽”）將在2020年投入運(yùn)行，其所發(fā)生的可控核聚變方程是 已知 、 、 和X的質(zhì)量分別為m1、m2、m3和m4，真空中的光速為c，下列說法正確的是（）AX是質(zhì)子B大亞灣核電站利用核聚變發(fā)電C該核反應(yīng)所釋放的核能為D 和 的結(jié)合能之和大于的結(jié)合能當(dāng)堂小練解析：A根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，X是中子，A錯(cuò)誤；B大亞灣核電站是利用重核裂變來發(fā)電，B錯(cuò)誤；C根據(jù)質(zhì)能方程，該核反應(yīng)所釋放的核能為C正確；D比結(jié)合能大的原子核更穩(wěn)定，一個(gè)氘核與一個(gè)氚核結(jié)合成一個(gè)核時(shí)，釋放能量，則 更穩(wěn)定，比結(jié)合能更大，核子數(shù)守恒，則 和 的比結(jié)合能之和小于 的比結(jié)合能，D錯(cuò)誤。故選C。答案：C2.能源是社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，發(fā)展核能是解決能源問題的途徑之一，下列釋放核能的反應(yīng)方程，表述正確的有（）A 是人工核反應(yīng)B 是核裂變反應(yīng)，該反應(yīng)吸收能量C由于裂變比聚變產(chǎn)能效率高，目前的核電站是利用的裂變，用減速劑把快中