核裂變與核聚變【含答案解析】人教版【知識架構(gòu)+對點訓(xùn)練】 高二物理備課精研提升

5.4核裂變與核聚變基礎(chǔ)導(dǎo)學(xué)要點一、核裂變（一）核裂變的發(fā)現(xiàn)1．核裂變：鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊，這類核反應(yīng)定名為核裂變。2．鈾核裂變：用中子轟擊鈾核時，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,

92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,

56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n。3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：中子轟擊重核發(fā)生裂變后，裂變釋放的中子繼續(xù)與其他重核發(fā)生反應(yīng)，引起新的核裂變，使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去，這樣的過程叫作核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。4．臨界體積和臨界質(zhì)量：核裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫作它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量。（二）反應(yīng)堆與核電站1．核電站：利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是反應(yīng)堆，它主要由以下幾部分組成：(1)燃料：鈾棒；(2)慢化劑：石墨、重水和普通水(也叫輕水)；(3)控制棒：為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒，它吸收中子的能力很強，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會慢一些，這種鎘棒叫作控制棒。2．工作原理核燃料發(fā)生核裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應(yīng)堆冷卻。3．核污染的處理在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線．核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。要點二、核聚變1．定義：兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變。2．核反應(yīng)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＋17.6MeV。3．條件：使輕核的距離達(dá)到10－15m以內(nèi)。4．宇宙中的核聚變：太陽能是太陽內(nèi)部的氫核聚變成氦核釋放的核能。5．人工熱核反應(yīng)：氫彈．首先由化學(xué)炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸。6．核聚變與核裂變的比較：(1)優(yōu)點：①輕核聚變產(chǎn)能效率高；②地球上核聚變?nèi)剂想碗暗膬α控S富；③輕核聚變更為安全、清潔；(2)缺點：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。要點突破突破一：核裂變1．典型的裂變方程(1)eq\o\al(235,

92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,

54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n(2)eq\o\al(235,

92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,

56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n2．核能的釋放由于重核的核子的平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量原子核的核子的平均質(zhì)量，因此，鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時，會發(fā)生質(zhì)量虧損，釋放核能。3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件(1)鈾塊的體積大于或等于臨界體積；(2)有足夠濃度的鈾235；(3)有足夠數(shù)量的慢中子；4．裂變反應(yīng)的能量大小：鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量；一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變放出的能量相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產(chǎn)生幾百萬度的高溫。5．核電站的主要部件及作用組成部分材料作用裂變材料(核燃料)濃縮鈾提供核燃料減速劑(慢化劑)石墨、重水或普通水(也叫輕水)使裂變產(chǎn)生的快中子減速控制棒鎘棒吸收中子，控制反應(yīng)速度熱交換器水或液態(tài)的金屬鈉傳輸熱量防護層厚水泥層防止放射線泄露，對人體及其他生物體造成傷害6.核電站發(fā)電的優(yōu)點(1)消耗的核燃料少；(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采用儲量大，所能提供的能量大；(3)對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小。突破二：核聚變1．聚變發(fā)生的條件：要使輕核發(fā)生聚變，必須使輕核間的距離達(dá)到核力發(fā)生作用的距離10－15m以內(nèi)，這要克服原子核間巨大的庫侖斥力作用，使輕核具有足夠大的動能。要使原子核具有足夠大的動能，有一種方法就是給它們加熱，使物質(zhì)達(dá)到幾百萬開爾文的高溫。2．輕核聚變是放能反應(yīng)：從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個放能反應(yīng)。3．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＋17.6MeV。4．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能量要大3～4倍典例精析題型一：核裂變例一．下列關(guān)于核反應(yīng)方程及描述，正確的是（）A．He+Al→P+n是居里夫婦發(fā)現(xiàn)人工放射性的核反應(yīng)方程B．U→Xe+Sr+n是核聚變方程C．H+H→He+n是α衰變方程D．N+He→O+H是α衰變方程【答案】A【分析】A．該方程是居里夫婦發(fā)現(xiàn)人工放射性的核反應(yīng)方程，找到了放射性的同位素30P，故A正確；B．該方程是核裂變方程，但書寫錯誤，不是核聚變方程，故B錯誤；C．該方程是輕核聚變反應(yīng)，故C錯誤；D．該方程是盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的方程，故D錯誤。故選A。變式遷移1：下列說法正確的是（）A．能量耗散現(xiàn)象不滿足能量守恒定律B．核電站是利用可控的核聚變來發(fā)電的C．來源于太陽能的水能、風(fēng)能、潮汐能等屬于可再生能源D．能量是守恒的，不會憑空消失，所以不會發(fā)生能源危機【答案】C【分析】A．能的轉(zhuǎn)化和守恒定律是普遍規(guī)律，能量耗散不違反能量守恒定律，故A錯誤；B．核電站是利用可控的核裂變來發(fā)電的，故B錯誤；C．水能、風(fēng)能、潮汐能等在自然界中可以不斷再生，屬于可再生能源，故C正確；D．能量的轉(zhuǎn)化是有方向性的，即使能量符合守恒定律，某些能量在短期內(nèi)也無法再生，故D錯誤。故選C。題型二：核聚變例二．能源是社會發(fā)展的基礎(chǔ)，發(fā)展核能是解決能源問題的途徑之一。下列核反應(yīng)方程及其表述都正確的是（）A．He＋Al→P＋H是原子核的人工轉(zhuǎn)變B．F＋H→O＋He是α衰變C．H＋H→He＋γ是核聚變反應(yīng)D．U→Sr＋Xe＋3n是核裂變反應(yīng)【答案】C【分析】A．該方程書寫錯誤，電荷數(shù)兩邊不相等，故A錯誤；B．該方程是人工轉(zhuǎn)變方程，故B錯誤；C．該方程是核聚變反應(yīng)，故C正確；D．該方程書寫錯誤，反應(yīng)物中應(yīng)該有中子，故D錯誤。故選C。變式遷移2：有關(guān)原子結(jié)構(gòu)和原子核的認(rèn)識，下列說法正確的是（）A．γ射線是高速運動的中子流B．氫原子輻射光子后，其繞核運動的電子動能增大C．太陽輻射能量的主要來源是太陽中發(fā)生的重核裂變D．Bi的半衰期是5天，200gBi經(jīng)過10天后還剩下25g【答案】B【分析】A．γ射線是光子流，A錯誤；B．氫原子輻射光子后，從高軌道躍遷到低軌道，電子軌道半徑減小，根據(jù)，聯(lián)立解得所以電子動能增大，B正確；C．太陽輻射能量的主要來源是太陽中發(fā)生的輕核聚變，C錯誤；D．Bi的半衰期是5天，經(jīng)過10天，即經(jīng)過2個半衰期，剩余質(zhì)量D錯誤。故選B。強化訓(xùn)練選擇題1、鈾核裂變時，對于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的重要因素，下列說法中正確的是()A.鈾塊的質(zhì)量是重要因素，與體積無關(guān)B.為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好直接利用裂變時產(chǎn)生的中子C.若鈾235的體積超過它的臨界體積，裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就能夠發(fā)生D.能否發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與鈾的質(zhì)量無關(guān)答案：C解析：要使鈾核裂變產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，鈾塊的體積必須大于或等于臨界體積或鈾塊的質(zhì)量大于或等于臨界質(zhì)量，裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的中子為快中子，這些快中子不能直接引發(fā)新的裂變，鈾塊的質(zhì)量大，則其體積大，若超過臨界體積則發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，由此知A、B、D三項錯誤，C項正確。2、一個?92235U原子核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應(yīng)，其裂變方程為A.X原子核中含有86個中子B.X原子核中含有141個核子C.因為裂變時釋放能量，根據(jù)E=D.因為裂變時釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少答案：A解析：根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒知，X的質(zhì)量數(shù)為140，電荷數(shù)為54，則中子數(shù)為86，核子數(shù)為140，故A項正確，B項錯誤；在裂變的過程中，有能量釋放，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程知，裂變后的總質(zhì)量小于反應(yīng)前的質(zhì)量，但是質(zhì)量數(shù)守恒，故C、D兩項錯誤。3、下列有關(guān)核反應(yīng)方程的說法正確的是（）A．，是核裂變反應(yīng)之一B．鈾核是一種常用的核燃料，若它的原子核發(fā)生如下裂變反應(yīng)，則a+b可能是C．钚238的同位素打造的“核電池”為“玉兔二號”提供保暖，其核反應(yīng)，屬于β衰變D．氫核聚變可以簡化為4個氫核（）聚變生成氦核（），并放出2個X，同時伴隨著產(chǎn)生γ光子，則X是電子【答案】A【解析】A．核反應(yīng)方程是核裂變反應(yīng)之一，A正確；B．核反應(yīng)方程如果a+b是，則不滿足電荷數(shù)守恒，B錯誤；C．核反應(yīng)方程屬于α衰變，C錯誤；D．4個氫核（）聚變生成氦核（），并放出2個X，根據(jù)質(zhì)量守恒與電荷數(shù)守恒，得出X為正電子，D錯誤。故選A。4、如圖為普通使用的“慢中子”核反應(yīng)堆的示意圖，鈾棒是核燃料，一種典型的鈾核裂變方程?92235U+A.鋇核的比結(jié)合能比鈾核的大B.若碰撞前中子的動能為E0，經(jīng)過一次彈性碰撞后中子動能變成C.鎘棒插入深一些可增大鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度D.水泥防護層可用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的射線答案：C解析：該核反應(yīng)的過程中釋放大量的能量，結(jié)合愛因斯坦質(zhì)能方程可知，鋇核的比結(jié)合能比鈾核的比結(jié)合能大，故A項正確，不符合題意；取碰撞前中子的速度方向為正方向，根據(jù)動量守恒定律有mv0=mv1+2mv2，依據(jù)能量守恒定律有12mvA．核反應(yīng)方程中，生成物X的中子數(shù)為128B．鈾235吸收慢中子裂變成中等質(zhì)量原子核的過程中，核子的平均質(zhì)量變大C．一個中子可轉(zhuǎn)化成一個質(zhì)子和一個電子，同時釋放出能量D．在輻射防護中，可以用電磁場來加速、減速以及束縛中子【答案】C【解析】A．由核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)守恒，可知，生成物X的質(zhì)量數(shù)為206，所以中子數(shù)為A錯誤；B．裂變的過程中會釋放能量，質(zhì)量會變小，B錯誤；C．一個中子裂變成一個質(zhì)子和電子，在衰變的過程中，同時會釋放出能量，C正確；D．中子不帶電荷，電磁場不會加速和減速及束縛中子，D錯誤。故選C。6、2021年5月，中國的“人造太陽”，在1.2億攝氏度下，成功“燃燒”101秒。這標(biāo)志著我國核聚變研究又獲得重大突破，也為人類獲得可控核聚變能源奠定了商用的物理和工程基礎(chǔ)。下列關(guān)于核聚變的說法正確的是（

）A．核聚變可以在常溫下發(fā)生B．太陽釋放的巨大能量是核聚變產(chǎn)生的C．聚變反應(yīng)中吸收的能量大于釋放的能量D．是聚變反應(yīng)【答案】B【解析】A．核聚變反應(yīng)屬于熱核反應(yīng)，必須在高溫下進行，A錯誤；B．太陽釋放的巨大能量是核聚變產(chǎn)生的，B正確；C．要實現(xiàn)聚變反應(yīng)，必須使參加反應(yīng)的輕核充分接近，需要數(shù)百萬度高溫。但聚變反應(yīng)一旦實現(xiàn)，所釋放的能量遠(yuǎn)大于所吸收的能量。因此，總的說來，聚變反應(yīng)還是釋放熱量，C錯誤；D．是人工轉(zhuǎn)變，D錯誤。故選B。7、2020年12月4日，新一代“人造太陽”中國環(huán)流二號M裝置（HL-2M）正式建成并實現(xiàn)首次放電，放電溫度達(dá)太陽芯部溫度近10倍?！叭嗽焯枴睂嶒炛械目煽?zé)岷朔磻?yīng)的方程是，海水中富含反應(yīng)原料氘（），氚核（）可以用中子轟擊鋰核（）得到。下列說法正確的是（）A．上述核反應(yīng)前后核子數(shù)相等，生成物的質(zhì)量等于反應(yīng)物的質(zhì)量B．中子轟擊鋰核（）反應(yīng)方程為C．中子轟擊鋰核（）發(fā)生了衰變D．氘核（）和氚核（）的比結(jié)合能均比氦核（）的比結(jié)合能大【答案】B【分析】A．上述核反應(yīng)前后核子數(shù)相等，反應(yīng)過程釋放能量，有質(zhì)量虧損，所以生成物的質(zhì)量小于反應(yīng)物的質(zhì)量，故A錯誤；B．由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得中子轟擊鋰核（）反應(yīng)方程為故B正確；C．衰變是自然狀態(tài)下發(fā)生的，中子轟擊鋰核（）為原子核的人工轉(zhuǎn)變，故C錯誤；D．核反應(yīng)方程式中生成物氦核（）的比結(jié)合能比反應(yīng)物氘核（）和氚核（）的比結(jié)合能都大，故D錯誤。故選B。8、下列核反應(yīng)方程中，屬于輕核聚變的是（）A． B．C． D．【答案】A【分析】A．為輕核聚變，A正確；B．鈾核需要俘獲一個慢中子才能發(fā)生裂變，其中的一種核反應(yīng)方程為，B錯誤；C．是人工轉(zhuǎn)變，C錯誤；D．是人工轉(zhuǎn)變，D錯誤。故選A。9、2020年12月4日在成都，我國核聚變反應(yīng)“人造太陽”已獲得重大突破新一代可控核聚變研究裝置“中國環(huán)流器二號M”（）正式建成并首次放電，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)，核聚變反應(yīng)方程中，X表示（）A．質(zhì)子 B．正電子 C．負(fù)電子 D．中子【答案】D【分析】根據(jù)核反應(yīng)過程中，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，可得出該核聚變的反應(yīng)方程為所以，X表示的是中子。故選D。10、中國“嫦娥五號”在月球采集的約2公斤月壤中含有地球上鮮有的，是地球上很難得到的清潔、安全和高效的核聚變發(fā)電燃料，被科學(xué)家們稱為“完美能源”。有關(guān)聚變的核反應(yīng)方程如下：①，②；下列說法正確的是（）A．X為質(zhì)子，Y為中子B．的比結(jié)合能比的比結(jié)合能大C．方程①中：質(zhì)量虧損約為5.9×10-31kgD．方程②中：核子平均釋放的能量約為2.14MeV【答案】D【解析】A．由電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒守恒可知，X為中子，Y為中子，A錯誤；B．聚變的核反應(yīng)過程放出熱量，則比更穩(wěn)定，所以的比結(jié)合能比的比結(jié)合能小，B錯誤；C．由愛因斯坦質(zhì)能方程方程可得則解得質(zhì)量虧損為代入數(shù)據(jù)，解得C錯誤；D．核子平均釋放的能量約為