2022-2023學(xué)年人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè) 5.4核裂變與核聚變 學(xué)案（含答案）

2022-2023學(xué)年人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)5.4核裂變與核聚變學(xué)案（含答案）【素養(yǎng)目標(biāo)】1.知道重核的裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)2.會(huì)計(jì)算核裂變釋放的能量3.了解原子彈的原理4.知道聚變反應(yīng)的特點(diǎn)5.了解聚變反應(yīng)的條件【必備知識(shí)】知識(shí)點(diǎn)一、核裂變1．定義：核物理中，把重核被中子轟擊后分裂成兩個(gè)質(zhì)量差不多的新原子核，并放出核能的過程，叫核裂變。2．鈾核的典型裂變方程用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應(yīng)是eq\o\al(235,)92U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,)56Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n.3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)由重核裂變產(chǎn)生的中子使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程。4．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件(1)鈾塊的體積大于臨界體積．(2)鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量．以上兩個(gè)條件滿足一個(gè)，則另一個(gè)條件自動(dòng)滿足．知識(shí)點(diǎn)二、反應(yīng)堆與核電站1.核反應(yīng)堆：通過可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核能釋放的裝置稱為核反應(yīng)堆．2.反應(yīng)堆工作原理(1)熱源：在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，如圖為簡(jiǎn)化的核反應(yīng)堆示意圖：鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)為慢化劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?，便于?35的吸收，發(fā)生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍．反應(yīng)堆示意圖(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反應(yīng)速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應(yīng)速度加快，采用電子儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應(yīng)的劇烈程度．(3)冷卻劑：核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時(shí)通過水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動(dòng)蒸汽機(jī)，使發(fā)電機(jī)發(fā)電．發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些有危險(xiǎn)的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護(hù)層可以防止射線輻射到外面．知識(shí)點(diǎn)三、核聚變1．定義：兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，并釋放出能量的反應(yīng)．2．典型的核聚變方程：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV3．條件在超高溫條件下，劇烈的熱運(yùn)動(dòng)使得一部分原子核具有足夠的動(dòng)能，可以克服庫倫斥力，發(fā)生核聚變。因此，核聚變又叫熱核反應(yīng)。4．優(yōu)點(diǎn)核聚變產(chǎn)能效率高，燃料的儲(chǔ)量豐富，更為安全、清潔。5．實(shí)現(xiàn)困難核聚變需要的溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。為了解決這個(gè)難題，科學(xué)家設(shè)想了兩種方案，即磁約束和慣性約束【課堂檢測(cè)】1．2020年1月10日，黃旭華獲2019年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。黃旭華作為中國(guó)第一代核潛艇總設(shè)計(jì)師，成功研制了我國(guó)第一代核潛艇，為我國(guó)?；肆α繉?shí)現(xiàn)從無到有的歷史性跨越做出了卓越的貢獻(xiàn)。下列關(guān)于核反應(yīng)正確的是（）A．HeHeH為原子核的α衰變，放出的α射線有很強(qiáng)的穿透性B．氪90（Kr）是不穩(wěn)定的，衰變成為鋯90（Zr）需要經(jīng)過2次α衰變C．原子衰變成新核時(shí)，新原子核處于高能級(jí)狀態(tài)不穩(wěn)定，會(huì)向低能級(jí)躍遷，躍遷時(shí)只能放出一些特定頻率的γ射線D．比結(jié)合能越小的原子核越穩(wěn)定【答案】C【詳解】A．HeHeH為輕核的聚變，α射線的電離能力很強(qiáng)，穿透性很弱，A錯(cuò)誤；B．根據(jù)質(zhì)量數(shù)與質(zhì)子數(shù)守恒，結(jié)合β衰變釋放電子，則KrZr+eB錯(cuò)誤；C．因?yàn)樵雍嗽诮?jīng)歷核反應(yīng)后往往處于激發(fā)態(tài)，衰變后產(chǎn)物的新核從激發(fā)態(tài)向較低能級(jí)躍遷，一般以發(fā)射電磁波的形式進(jìn)行，發(fā)射的正是γ射線，C正確；D．比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，D錯(cuò)誤。故選C。2．下列四幅圖涉及不同的物理知識(shí)，其中說法正確的是（）A．圖1：光電效應(yīng)中，光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成正比B．圖2：鈾核裂變中放出新的中子又引起新的裂變，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C．圖3：氫原子能級(jí)是分立的，但原子發(fā)射光子的頻率是連續(xù)的D．圖4：盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出原子核均勻分布在原子內(nèi)的結(jié)構(gòu)模型【答案】B【詳解】A．圖1的光電效應(yīng)中，由愛因斯坦的光電效應(yīng)方程可知變換可得故光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率呈線性關(guān)系，但不成正比，A錯(cuò)誤；B．圖2中，鈾核裂變中放出新的中子又引起新的裂變，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，B正確；C．圖3中：氫原子能級(jí)是分立的，原子發(fā)射光子的頻率也是不連續(xù)的，即原子發(fā)光只能發(fā)出某個(gè)能級(jí)差對(duì)應(yīng)的能量而形成的光子，C錯(cuò)誤；D．圖4中，盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出的是原子的核式結(jié)構(gòu)模型，D錯(cuò)誤。故選B?！舅仞B(yǎng)作業(yè)】1．2020年12月4日，新一代“人造太陽”核聚變實(shí)驗(yàn)裝置－“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M”在四川成都建成并實(shí)現(xiàn)首次放電。這標(biāo)志著我國(guó)自主掌握了大型先進(jìn)托卡馬克裝置的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行技術(shù)，為我國(guó)核聚變堆的自主設(shè)計(jì)與建造打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。下列說法正確的是（）A．目前運(yùn)行的核電站發(fā)電都是采用核聚變反應(yīng)B．托卡馬克內(nèi)部反應(yīng)過程是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C．托卡馬克內(nèi)部核反應(yīng)可能是D．屬于核聚變反應(yīng)【答案】D【詳解】A．目前運(yùn)行的核電站發(fā)電都是采用核裂變反應(yīng)。A錯(cuò)誤；B．托卡馬克內(nèi)部反應(yīng)過程是核聚變反應(yīng)。B錯(cuò)誤；C．該反應(yīng)是核裂變反應(yīng)，托卡馬克內(nèi)部核反應(yīng)不可能是該反應(yīng)。C錯(cuò)誤；D．屬于核聚變反應(yīng)。D正確。故選D。2．已知“人造太陽”核聚變的反應(yīng)方程為。關(guān)于此核聚變，以下說法正確的是（）A．，B．將原子核加熱到幾百萬開爾文時(shí)，原子核具有足夠的動(dòng)能，才能發(fā)生聚變反應(yīng)C．1mol氘核和1mol氚核發(fā)生核聚變，可以放出17.6MeV的能量D．裂變比聚變更安全、清潔【答案】B【詳解】A．根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒可知，故A錯(cuò)誤；B．將原子核加熱到幾百萬開爾文時(shí)，原子核具有足夠的動(dòng)能，才能發(fā)生聚變反應(yīng)，故B正確；C．1個(gè)氘核和1個(gè)氚核發(fā)生核聚變，可以放出17.6MeV的能量，故C錯(cuò)誤；D．輕核聚變產(chǎn)生物為氦核，沒有輻射和污染，所以聚變比裂變更清潔，但聚變更難控制，故D錯(cuò)誤。故選B。3．2021年1月30日，華龍一號(hào)全球首堆中核集團(tuán)福建福清核電5號(hào)機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行，這標(biāo)志著我國(guó)在三代核電技術(shù)領(lǐng)域躋身世界前列。目前核能發(fā)電都是利用核裂變反應(yīng)，下列表示重核裂變的是（）A． B．C． D．【答案】A【詳解】A．該反應(yīng)是重核裂變，選項(xiàng)A正確；B．該反應(yīng)是衰變方程，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；C．該反應(yīng)為原子核的人工轉(zhuǎn)變方程，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；D．該反應(yīng)是輕核聚變反應(yīng)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。故選A。4．鈾核（）是制造核武器的主要材料之一，其中一種核反應(yīng)方程為，下列說法正確的是（）A．該核反應(yīng)在中子的轟擊下發(fā)生，為人工轉(zhuǎn)變B．X原子核中含有86個(gè)中子C．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量D．因?yàn)榱炎儠r(shí)釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少【答案】B【詳解】A．該核反應(yīng)為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，而不是人工轉(zhuǎn)變，故A錯(cuò)誤。B．根據(jù)核反應(yīng)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可計(jì)算出，X原子核中含有86個(gè)中子，故B正確。C．核裂變釋放的能量大于它俘獲中子時(shí)得到的能量，故C錯(cuò)誤。D．因?yàn)榱炎冡尫拍芰?，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以裂變后的總質(zhì)量減少，但總質(zhì)量數(shù)不變，故D錯(cuò)誤。故選B。5．下列說法正確的是（）A．若使放射性物質(zhì)的溫度升高，其半衰期將減小B．發(fā)生α衰變時(shí)，生成核與原來的核相比，中子數(shù)減少了4C．太陽輻射的能量主要來自太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)D．按照玻爾理論，氫原子核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道時(shí)，電子的動(dòng)能減小，電勢(shì)能增大，原子的總能量不變【答案】C【詳解】A．半衰期與放射性物質(zhì)的溫度無關(guān)。A錯(cuò)誤；B．發(fā)生α衰變時(shí)，生成核與原來的核相比，中子數(shù)減少了2個(gè)。B錯(cuò)誤；C．太陽輻射的能量主要來自太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)。C正確；D．按照玻爾理論，氫原子核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道時(shí)，電子的動(dòng)能減小，電勢(shì)能增大，原子的總能量增大。D錯(cuò)誤。故選C。6．在太陽內(nèi)部發(fā)生的典型核反應(yīng)方程是4→He+2X，下列說法正確的是（）A．核電站利用此反應(yīng)來獲得核能B．該核反應(yīng)屬于聚變反應(yīng)C．方程中的X為電子（e）D．該核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒，因而反應(yīng)前后總質(zhì)量保持不變【答案】B【詳解】A．核電站利用核裂變來獲得核能，A錯(cuò)誤；B．該核反應(yīng)屬于聚變反應(yīng)，B正確；C．根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，此X為正電子，C錯(cuò)誤；D．該核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒，釋放了核能，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程可知反應(yīng)過程產(chǎn)生了質(zhì)量虧損，D錯(cuò)誤。故選B。7．輕核聚變的一個(gè)核反應(yīng)方程為：H＋H→He＋X，若已知H的質(zhì)量為m1，H的質(zhì)量為m2，He的質(zhì)量為m3，X的質(zhì)量為m4，則下列說法中正確的是（）A．H和H在常溫下就能夠發(fā)生聚變B．X是質(zhì)子C．這個(gè)反應(yīng)釋放的核能為ΔE＝（m1＋m2－m3－m4）c2D．我國(guó)大亞灣核電站是利用輕核的聚變釋放的能量來發(fā)電的【答案】C【詳解】A．H和H只能在極高溫度下才能夠發(fā)生聚變，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；B．根據(jù)核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，X的質(zhì)量數(shù)為1，電荷數(shù)為0，是中子，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；C．根據(jù)質(zhì)能方程可知，這個(gè)反應(yīng)釋放的核能為ΔE＝（m1＋m2－m3－m4）c2選項(xiàng)C正確；D．我國(guó)大亞灣核電站是利用重核裂變釋放的能量來發(fā)電的，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。故選C。8．太陽內(nèi)部發(fā)生的核反應(yīng)模式之一是質(zhì)子—質(zhì)子循環(huán)，即四個(gè)結(jié)合生成一個(gè)，并釋放出大量能量，其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)方程