20172018學(xué)年高中物理原子核第6節(jié)核聚變教學(xué)案教科版選修

第6節(jié)核聚變(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書頁(yè)碼P47)、熱核反應(yīng)核聚變輕原子核聚合成較重原子核的反應(yīng)。核聚變較裂變的優(yōu)越性相同質(zhì)量的燃料下，放出的能量更多—不產(chǎn)生放射性廢料。燃料儲(chǔ)量非常豐富。熱核反應(yīng)因?yàn)楹司圩円诟哌_(dá)108_K的溫度下才能發(fā)生，故核聚變反應(yīng)也稱熱核反應(yīng)。熱核反應(yīng)的應(yīng)用目前主要用在核武器上，如氫彈。二、 可控核聚變反應(yīng)托卡馬克是一種環(huán)形磁約束受控?zé)岷朔磻?yīng)裝置，也叫環(huán)流器。超導(dǎo)托卡馬克把超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用在產(chǎn)生托卡馬克強(qiáng)磁場(chǎng)的線圈上。三、 恒星演化中的核反應(yīng)恒星的形成恒星主要是由遍布宇宙中的極其彌散的氣態(tài)塵埃聚集形成的，且內(nèi)部發(fā)生聚變反應(yīng)。恒星的演變恒星內(nèi)部隨聚變反應(yīng)的發(fā)生，核燃料減少經(jīng)慢長(zhǎng)時(shí)間最終將成為殘骸。-(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書頁(yè)碼P47)對(duì)核聚變的理解聚變輕原子核聚合成較重原子核的反應(yīng)叫聚變。例如：2H+3HR4He+0n+17.60MeV。熱核反應(yīng)這種在很高溫度下產(chǎn)生的輕核必須在很高的溫度下相遇才能發(fā)生聚合放出更大的能量,

這種在很高溫度下產(chǎn)生的聚變又叫熱核反應(yīng)。聚變比裂變反應(yīng)放出更多能量的原因平均每個(gè)核子釋放能量較多， 是裂變反應(yīng)的2?3倍。如一個(gè)氚核和一個(gè)氘核結(jié)合成一個(gè)氦核時(shí)放出能量 17.6MeV平均每個(gè)核子放出能量約 3.5MeV而鈾235裂變時(shí)，平均每個(gè)核子放出能量為 1MeV。同樣質(zhì)量的情況下，輕核的核子個(gè)數(shù)多，如氘和氚聚變?yōu)?1kg氦時(shí)放出的能量為△日，則100023E=—-—X6.02X10X17.6MeV433=2.65X10eV。假設(shè)一個(gè)鈾核裂變時(shí)平均放出的能量為 200MeV，貝U1kg鈾核全部裂變時(shí)放出能量為△巳，即卩1000 23 32E=23^X6.02X10X200MeW5.12X10eV,235得:EE得:EE25.2。.下列說(shuō)法中正確的是 ( )聚變反應(yīng)從外界吸收能量聚變反應(yīng)向外界放出能量聚變反應(yīng)可以無(wú)條件地進(jìn)行聚變反應(yīng)必須使核之間的距離接近 10「15m解析：選BD聚變反應(yīng)時(shí)有質(zhì)量虧損，所以會(huì)向外界放出能量。聚變必須使核之間的距離接近10「15m,才能發(fā)生聚變反應(yīng)生成新核，所以是有條件的。重核裂變與輕核聚變的對(duì)比比較項(xiàng)目重核裂變輕核聚變放能原理把重核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的核，并釋放出核能兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，并釋放出核能放能多少聚變反應(yīng)平均每個(gè)核子釋放的核能比裂變反應(yīng)要大得多核廢料的處理難度比較困難比較容易原料的蘊(yùn)藏量?jī)?chǔ)量較少，特別是235U主要原料氘儲(chǔ)量非常豐富可控性比較容易進(jìn)行人工控制，現(xiàn)在的核電目前除氫彈以外，還不能進(jìn)行人工控

站都是用重核裂變釋放核能制?熱核反應(yīng)是一種理想能源的原因是 ( )就每一個(gè)核子平均來(lái)說(shuō)，比重核裂變時(shí)釋放的能量多對(duì)環(huán)境的放射性污染較裂變輕，且較容易處理熱核反應(yīng)的原料在地球上儲(chǔ)量豐富熱核反應(yīng)的速度容易控制解析：選ABC聚變反應(yīng)平均每個(gè)核子比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量要大 3?4倍，且其原料均為氫的同位素，在地球上儲(chǔ)量極為豐富，其放射性污染也較裂變輕。但是，目前只是能夠讓輕核聚變發(fā)生， 還不能控制聚變反應(yīng)、和平利用聚變時(shí)釋放的核能。故正確選項(xiàng)為A、B、Co' (' (對(duì)應(yīng)學(xué)生用書頁(yè)碼P48)Hfp |對(duì)輕核聚變的理解［例1］以下說(shuō)法正確的是( )聚變是裂變的逆反應(yīng)如果裂變釋放能量，則聚變反應(yīng)必定吸收能量聚變必須將反應(yīng)物加熱至數(shù)百萬(wàn)攝氏度以上高溫，顯然是吸收能量裂變與聚變均可釋放巨大的能量［解析］A選項(xiàng)，從形式上看，裂變與聚變似乎是互為逆反應(yīng)，其實(shí)不然，因?yàn)槎叩姆磻?yīng)物與生成物全然不同，裂變是重核分裂成中等質(zhì)量的核， 而聚變則是輕核聚合成為較重的核，無(wú)直接關(guān)聯(lián)，并非互為逆反應(yīng)。 B選項(xiàng)，既然裂變與聚變不是互為逆反應(yīng)，則在能量的流向上也不相反。 C選項(xiàng)，要實(shí)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(wàn)攝氏度高溫，但聚變一旦實(shí)現(xiàn)，所釋放的能量遠(yuǎn)大于所吸收的能量，因此，總的說(shuō)來(lái)，聚變反應(yīng)還是釋放能量，故正確答案為 Do［答案］Dl|E3 \輕核聚變釋放的能量［例2］太陽(yáng)內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核的熱核反應(yīng), 這個(gè)核反應(yīng)釋放出的大量能量就是太陽(yáng)的能源。 (m=1.0073u,m=4.0015u,m=0.00055u)寫出這個(gè)核反應(yīng)方程。這一核反應(yīng)釋放出多少能量？［解析］ ⑴核反應(yīng)方程是4；H—>2He+2?eo（2）這一核反應(yīng)的質(zhì)量虧損是m=4m—ma-2me=0.0266u,2E=△mc=0.0266x931.5MeV=24.78MeV。［答案］⑴見解析⑵24.78MeV寫核聚變反應(yīng)方程與其他核反應(yīng)方程一樣，仍需要遵守質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的原則，放出核能的計(jì)算仍要根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程求解。1.發(fā)生熱核反應(yīng)的辦法有（ ）用中子轟擊保持室溫環(huán)境、增大壓強(qiáng)把物體加熱到幾百萬(wàn)攝氏度以上用丫光子照射解析：選c要發(fā)生熱核反應(yīng)，必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離 10—15m這就要求原子核應(yīng)具有足夠的動(dòng)能，方法是給原子核加熱，使其達(dá)到幾百萬(wàn)攝氏度的高溫。2?關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說(shuō)法正確的是 （ ）—次聚變反應(yīng)一定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)每個(gè)核子釋放的平均能量大聚變反應(yīng)中粒子的比結(jié)合能變小聚變反應(yīng)中由于形成質(zhì)量較大的核，故反應(yīng)后質(zhì)量增加解析：選B在一次聚變反應(yīng)中釋放的能量不一定比裂變反應(yīng)多，但平均每個(gè)核子釋放的能量一定大，故A錯(cuò)誤，B正確；由于聚變反應(yīng)中釋放出巨大能量，則比結(jié)合能一定增加，質(zhì)量發(fā)生虧損，故C、D錯(cuò)誤。3?科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在月球上含有豐富的 2He（氦3），它是一種高效、清潔、安全的核聚變?nèi)剂?，其參與的一種核聚變反應(yīng)的方程式為 ；He+；H—2；H+；He。關(guān)于；He聚變下列表述正確的是（ ）聚變反應(yīng)不會(huì)釋放能量聚變反應(yīng)產(chǎn)生了新的原子核聚變反應(yīng)沒(méi)有質(zhì)量虧損目前核電站都采用聚變反應(yīng)發(fā)電解析：選B聚變反應(yīng)時(shí)將質(zhì)量較小的輕核聚變成質(zhì)量較大的核，聚變過(guò)程會(huì)有質(zhì)量虧損，要放出大量的能量，但目前核電站都采用鈾核的裂變反應(yīng)?，F(xiàn)有三個(gè)核反應(yīng)：24240iiNa—>i2Mg+-ie2925U+in—>^Ba+966Kr+30n1h+1-->lHe+in下列說(shuō)法正確的是()①是裂變，②是3衰變，③是聚變①是聚變，②是裂變，③是 3衰變①是3衰變，②是裂變，③是聚變①是3衰變，②是聚變，③是裂變解析：選C①中的—0e是3粒子，故發(fā)生的是3衰變，②是重核分裂成質(zhì)量較小的核，是裂變，③是典型的聚變，所以 C正確。下列關(guān)于聚變的說(shuō)法中，正確的是 ( )A要使聚變產(chǎn)生，必須克服庫(kù)侖斥力做功輕核聚變需幾百萬(wàn)攝氏度的高溫，因此聚變又叫做熱核反應(yīng)原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬(wàn)攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)太陽(yáng)和許多恒星內(nèi)部都在激烈地進(jìn)行著核裂變反應(yīng)解析：選ABC輕核聚變時(shí)，要使輕核之間距離達(dá)到 10—15m,所以必須克服庫(kù)侖斥力做功，A正確；原子核必須有足夠的動(dòng)能，才能使它們接近到核力能發(fā)生作用的范圍，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，原子核必須處在幾百萬(wàn)攝氏度下才有這樣的能量，這樣高的溫度通常利用原子彈爆炸獲得，故B、C正確；在太陽(yáng)內(nèi)部或其他恒星內(nèi)部都存在著熱核反應(yīng)， D錯(cuò)誤。錢學(xué)森被評(píng)為“2007感動(dòng)中國(guó)十大人物”，他參與了我國(guó)第一顆原子彈和第一顆氫TOC\o"1-5"\h\z彈的研制工作。下列核反應(yīng)方程中屬研究?jī)蓮椀幕竞朔磻?yīng)方程式的是 ( )74N+；He^87g；H235 1 90 136 192U+on^38Sr+54Xe+1Oon238LR2904Th+2He2 3 4 1iH+iH^2He+on解析：選BD“兩彈”指原子彈和氫彈，它們的核反應(yīng)屬于重核的裂變與輕核的聚變，故應(yīng)選B、D。EAST裝置是中國(guó)耗時(shí)8年、耗資2億元人民幣自主設(shè)計(jì)、自主建造而成的，它成為世界上第一個(gè)建成并真正運(yùn)行的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。 已知兩個(gè)氘核聚變生成一個(gè)氦—3和一個(gè)中子的核反應(yīng)方程是2?H—>2He+0n+3.26MeV若有2g氘全部發(fā)生聚變，則釋放的能量是 (2為阿伏加德羅常數(shù))( )0.5X3.26MeV B.3.26MeV0.5NX3.26MeVD.NX3.26MeV解析：選C根據(jù)核反應(yīng)方程可知，兩個(gè)氘核聚變釋放的能量為 3.26MeV，那么2g氘核（即1mol氘核）聚變釋放的能量為0.5gx3.26MeV,所以C正確。&已知一個(gè)氫原子的質(zhì)量為1.6736x10一27kg,一個(gè)鋰原子的質(zhì)量為11.6505x10一27kg,一個(gè)氦原子的質(zhì)量為6.6467x1027kg。一個(gè)鋰核受到一個(gè)質(zhì)子轟擊變?yōu)?個(gè)a粒子，核反應(yīng)方程為1H+3Li——2；He。根據(jù)以上信息，以下判斷正確的是（）題中所給的核反應(yīng)屬于 a衰變題中所給的核反應(yīng)屬于輕核聚變根據(jù)題中信息，可以計(jì)算核反應(yīng)釋放的核能因?yàn)轭}中給出的是三種原子的質(zhì)量，沒(méi)有給出核的質(zhì)量，故無(wú)法計(jì)算核反應(yīng)釋放的核能解析：選C核反應(yīng)類型是人工核轉(zhuǎn)變， A、B兩項(xiàng)均錯(cuò)誤，反應(yīng)前一個(gè)氫原子和一個(gè)鋰原子共有8個(gè)核外電子，反應(yīng)后兩個(gè)氦原子也是共有 8個(gè)核外電子，因此只要將一氫原子和一個(gè)鋰原子的總質(zhì)量減去兩個(gè)氦原子的質(zhì)量， 得到的恰好是反應(yīng)前后核的質(zhì)量虧損， 電子質(zhì)量自然消掉。由質(zhì)能方程 △E=AmC可以計(jì)算釋放的核能，C選項(xiàng)正確。（北京高考）質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為 m、m和m,當(dāng)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核時(shí)，釋放的能量是（c表示真空中的光速）（ ）A.（m+m—m）cB.（m—m—m）c22C.（m+m—m）cD.（m—m—m）c解析：選C根據(jù)質(zhì)量方程AE=Amc知，核反應(yīng)過(guò)程中釋放的能量等于質(zhì)量的減少量與光速c平方的乘積，C正確，A、BD錯(cuò)誤。關(guān)于粒子，下列說(shuō)法正確的是 （ ）電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子強(qiáng)子都是帶電的粒子夸克模型是探究三大類粒子結(jié)構(gòu)的理論夸克模型說(shuō)明電子電荷不再是電荷的最小單位解析：選D由于質(zhì)子、中子是由不同夸克組成的，它們不是最基本的粒子，不同夸克構(gòu)成不同的強(qiáng)子，有的強(qiáng)子帶電，有的強(qiáng)子不帶電，故 A、B錯(cuò)誤；夸克模型是研究強(qiáng)子結(jié)2e構(gòu)的理論，不同夸克帶電不同，分別為+3e和一§等，說(shuō)明電子電荷不再是電荷的最小單位，故C錯(cuò)誤，D正確。我國(guó)自行設(shè)計(jì)并研制的“人造太陽(yáng)”一一托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行獲得重大進(jìn)展， 這標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)邁入可控?zé)岷朔磻?yīng)領(lǐng)域先進(jìn)國(guó)家行列， 如圖3-6-1所示。該反應(yīng)所進(jìn)行的聚變過(guò)程是1H+1卜2；He+in，反應(yīng)原料氘（1H）富存于海水中，而氚（泊）是放射性元素，自然界中不存在，但可以通過(guò)中子轟擊鋰核 （；Li）的人工核轉(zhuǎn)變得到。請(qǐng)把下列用中子轟擊鋰核(；Li)產(chǎn)生一個(gè)氚核(1H)和一個(gè)新核的人工核轉(zhuǎn)變方程填寫完整： +0ni +?Ho在⑴中，每產(chǎn)生1g氚的同時(shí)有多少個(gè)；Li核實(shí)現(xiàn)了核轉(zhuǎn)變？(阿伏加德羅常數(shù)NA取6.0x1023mol「1)一個(gè)氚核和一個(gè)氘核發(fā)生核聚變時(shí)，