新教材高中物理選擇性學(xué)案第5章第4節(jié)核裂變和核聚變第5節(jié)核能的利用與環(huán)境保護(hù)

第4節(jié)核裂變和核聚變第5節(jié)核能的利用與環(huán)境保護(hù)學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[物理觀念]知道核裂變的概念，知道重核裂變中能釋放出巨大的能量．2.[物理觀念]知道什么是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．3.[科學(xué)思維]會(huì)計(jì)算重核裂變過(guò)程中釋放出的能量．4.[物理觀念]知道什么是核反應(yīng)堆，了解常用裂變反應(yīng)堆的類(lèi)型．5.[科學(xué)思維]知道聚變反應(yīng)的特點(diǎn)及其條件，并能計(jì)算核聚變釋放的能量．6.[科學(xué)態(tài)度與責(zé)任]了解可控?zé)岷朔磻?yīng)及其研究和發(fā)展前景．7.[科學(xué)態(tài)度與責(zé)任]了解核電站的構(gòu)造和基本原理，了解核武器的種類(lèi)．8.[科學(xué)態(tài)度與責(zé)任]了解核能利用的優(yōu)勢(shì)、危害及其防護(hù)措施．一、重核裂變1．重核的裂變(1)核裂變：用中子轟擊鈾核，鈾核分裂成質(zhì)量相近的兩部分，并釋放出能量的核反應(yīng)過(guò)程叫作核裂變．(2)裂變能：核裂變釋放出的能量稱(chēng)為裂變能，也稱(chēng)核能或原子能．核裂變是釋放核能的方法之一．(3)鈾核裂變的產(chǎn)物多種多樣，其中有代表性的有：eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(235,92)U→eq\o\al(95,38)Sr＋eq\o\al(139,54)Xe＋2eq\o\al(1,0)neq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(235,92)U→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n．2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(1)定義：在eq\o\al(235,92)U核裂變釋放出巨大能量的同時(shí)，平均每次可以放出2～3個(gè)中子，這些中子稱(chēng)為第1代中子，如果其中至少有一個(gè)繼續(xù)轟擊eq\o\al(235,92)U，使之發(fā)生裂變，就能產(chǎn)生第2代中子，這樣不斷繼續(xù)下去，中子會(huì)不斷增加，裂變反應(yīng)就會(huì)不斷加強(qiáng)，就形成了裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積叫作臨界體積．(2)條件：發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)必須具備兩個(gè)條件：a．鈾核的體積達(dá)到臨界體積；b．必須存在持續(xù)不斷的中子源．二、裂變反應(yīng)堆1．核反應(yīng)堆：能維持和控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度的裝置．2．核反應(yīng)堆的構(gòu)成：堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和防護(hù)層等部分．(1)堆芯：由燃料棒、減速劑和冷卻劑組成．(2)中子反射層：反射核裂變中產(chǎn)生的中子，使其進(jìn)一步參加鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．(3)控制棒：用能吸收慢中子的鎘或硼鋼制成，以控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度．三、輕核聚變與可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)1．輕核聚變采用輕核聚變成較重核引起結(jié)合能變化的方式可獲得核能，這樣的核反應(yīng)稱(chēng)為輕核聚變．2．太陽(yáng)內(nèi)部核聚變的反應(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．3．核子聚變的條件要使核子發(fā)生聚變，必須使核子接近核力能發(fā)生作用的范圍．4．物質(zhì)第四態(tài)——等離子態(tài)在高溫下，原子已完全電離，形成了物質(zhì)第四態(tài)——等離子態(tài)．高溫等離子體的密度及高溫維持時(shí)間達(dá)到一定值時(shí)才能實(shí)現(xiàn)聚變．5．約束等離子體的三種方式引力約束、磁約束、慣性約束．四、核能的利用及環(huán)境保護(hù)1．核電站：將核反應(yīng)堆釋放的核能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電廠．工作流程：將反應(yīng)堆釋放的核能轉(zhuǎn)化為蒸汽的內(nèi)能，再利用蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能．燃料：反應(yīng)堆以eq\o\al(235,92)U為燃料．2．核武器：原子彈和氫彈是眾所周知的兩種核武器．3．核能的優(yōu)勢(shì)(1)核能發(fā)電比燃煤發(fā)電的成本低．(2)核電站對(duì)環(huán)境的污染比燃煤發(fā)電小得多．4．核能利用存在的危害(1)核廢料的高輻射性．(2)放射性物質(zhì)泄漏，產(chǎn)生核污染．(3)核武器威力巨大，不僅能摧毀生命，而且會(huì)使生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞．1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)原子核釋放粒子的過(guò)程也是核裂變的過(guò)程． (×)(2)用中子轟擊重核使之分裂實(shí)現(xiàn)核裂變． (√)(3)利用不可控的快中子轟擊超過(guò)臨界體積的鈾塊產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)制成原子彈． (√)(4)太陽(yáng)自身強(qiáng)大的引力把高溫等離子體約束在一起，維持了其內(nèi)部的熱核反應(yīng)的進(jìn)行． (√)(5)磁壓縮裝置中的環(huán)形線(xiàn)圈通電后可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，將等離子體約束在環(huán)形真空室內(nèi)． (√)2．(多選)關(guān)于原子核反應(yīng)堆，下面哪種說(shuō)法是正確的()A．鎘棒是核燃料，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)堆的溫度和輸出熱量BD[核燃料即為用濃縮鈾制成的鈾棒，鈾棒裂變時(shí)釋放核能；鎘棒具有很強(qiáng)的吸收慢中子的能力，通過(guò)控制鎘棒插入的深度來(lái)控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，即可控制反應(yīng)堆的功率；石墨的作用是使裂變產(chǎn)生的快中子減速成為慢中子；冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱量．則B、D正確，A、C錯(cuò)誤．]3．(多選)以下說(shuō)法正確的是()A．聚變是裂變的逆反應(yīng)B．如果裂變釋放能量，則聚變反應(yīng)必定吸收能量C．聚變須將反應(yīng)物加熱至數(shù)百萬(wàn)度以上高溫，所以聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)D．裂變反應(yīng)速度可以實(shí)現(xiàn)人工控制，但卻不容易控制輕核聚變反應(yīng)速度CD[聚變是輕核聚合成次輕核，裂變是重核分裂成中等質(zhì)量的核，二者無(wú)直接關(guān)系，故A錯(cuò)誤；聚變和裂變?cè)谀芰苛飨蛏弦矡o(wú)直接關(guān)系，故B錯(cuò)誤；核聚變反應(yīng)是熱核反應(yīng)，需數(shù)百萬(wàn)度的高溫，但聚變反應(yīng)一旦開(kāi)始所釋放的能量就遠(yuǎn)大于所吸收的能量，因此聚變反應(yīng)還是釋放能量的，故C正確；現(xiàn)在已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)裂變反應(yīng)速度的人工控制，但除氫彈外，還不能實(shí)現(xiàn)輕核聚變的人工控制，故D正確．]鈾核裂變及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(1)鈾核裂變是如何發(fā)生的？(2)鈾核裂變?cè)谧匀唤缰心茏园l(fā)進(jìn)行嗎？提示：(1)①核子受激發(fā)：當(dāng)中子進(jìn)入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核，復(fù)核中由于核子的激烈運(yùn)動(dòng)，使核變成不規(guī)則的形狀．②核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時(shí)放出中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．(2)重核的裂變只能發(fā)生在人為控制的核反應(yīng)中，在自然界中不會(huì)自發(fā)地發(fā)生．鈾核裂變不會(huì)自發(fā)地進(jìn)行，要使鈾核裂變，首先要利用中子轟擊鈾核，使鈾核分裂，分裂產(chǎn)生更多的中子，這些中子繼續(xù)與其他鈾核發(fā)生反應(yīng)，再引起新的裂變，這樣就形成了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．1．裂變的解釋?zhuān)褐睾吮恢凶愚Z擊后，與中子復(fù)合成一個(gè)處在高激發(fā)態(tài)的同位素，這種重核的同位素要發(fā)生形變，從一個(gè)接近球形的核變?yōu)橐粋€(gè)拉長(zhǎng)的橢球形的核，核子間的距離增大，核力減小到不足以抵消質(zhì)子間的庫(kù)侖斥力而恢復(fù)原狀，最后分裂成兩部分，同時(shí)放出中子．2．裂變過(guò)程核能的計(jì)算：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n．已知m(eq\o\al(235,92)U)＝235.0439u，mn＝1.0087u，m(eq\o\al(141,56)Ba)＝140.9139u，m(eq\o\al(92,36)Kr)＝91.8973u，且1u質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量為931.56MeV．裂變前：m1＝(235.0439＋1.0087)u＝236.0526u．裂變后：m2＝(140.9139＋91.8973＋3×1.0087)u＝235.8373u．質(zhì)量虧損：Δm＝0.2153u釋放能量：ΔE＝0.2153×931.5MeV＝200.55MeV．3．重核裂變的條件(1)要有足夠濃度的鈾235．(2)要有足夠數(shù)量的慢中子．(3)鈾塊的體積要大于臨界體積．【例1】現(xiàn)有的核電站比較廣泛采用的核反應(yīng)之一是：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(143,60)Nd＋Zr＋3eq\o\al(1,0)n＋8eq\o\al(0,－1)e＋ν．(1)核反應(yīng)方程中的ν是中微子，它不帶電，質(zhì)量數(shù)為零．試確定生成物鋯(Zr)的電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù)．(2)已知鈾(U)核的質(zhì)量為235.0439u，中子質(zhì)量為1.0087u，釹(Nd)核質(zhì)量為142.9098u，鋯核質(zhì)量為89.9047u．又知1u＝1.6606×10－27kg，試計(jì)算，1kg鈾235大約能產(chǎn)生的能量是多少？[解析](1)根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，可得Zr的電荷數(shù)Z＝92－60＋8＝40，質(zhì)量數(shù)A＝236－143－3×1＝90．(2)方法一：質(zhì)量虧損Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.212u，一個(gè)鈾核裂變釋放能量ΔE＝Δm×931.5MeV＝0.212×931.5MeV≈197.5MeV1kg鈾核含有的原子核數(shù)為n＝eq\f(1000,235)×6.02×1023個(gè)≈2.562×1024個(gè)，1kg鈾核產(chǎn)生的能量E總＝n·ΔE＝2.562×197.5×1024MeV，≈5.06×1026MeV＝5.06×1026×106×1.6×10－19J≈8.1×1013J．方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.212u＝0.212×1.6606×10－27kg≈3.5×10－28kg，ΔE＝Δmc2＝3.5×10－28×(3×108)2J＝3.15×10－11J，n＝eq\f(1000,235)×6.02×1023個(gè)≈2.562×1024個(gè)，E總＝nΔE＝2.562×1024×3.15×10－11J≈8.1×1013J．[答案](1)4090(2)8.1×1013J計(jì)算重核裂變釋放的核能常用方法(1)根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程計(jì)算．用裂變反應(yīng)中質(zhì)量虧損(Δm)的千克數(shù)乘以真空中的光速(c＝3×108m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2．(2)根據(jù)1原子質(zhì)量單位u相當(dāng)于931.5MeV能量計(jì)算．用裂變反應(yīng)中質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5MeV．(3)由核能的轉(zhuǎn)化量計(jì)算．[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．下面是鈾核裂變反應(yīng)中的一個(gè)：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n．已知鈾235的質(zhì)量為235.0439u，中子的質(zhì)量為1.0087u，鍶90的質(zhì)量為89.9077u，氙136的質(zhì)量為135.9072u，則此核反應(yīng)中質(zhì)量虧損Δm＝________u，釋放的核能ΔE＝________MeV．[解析]質(zhì)量虧損Δm＝235.0439u＋1.0087u－135.9072u－89.9077u－10×1.0087u＝0.1507u．由ΔE＝Δmc2可求得釋放的核能ΔE＝Δm×931.5MeV＝0.1507×931.5MeV＝140.3771MeV．[答案]0.1507140.3771重核裂變的應(yīng)用1964年10月16日，中國(guó)第一顆原子彈在羅布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相當(dāng)于1.8萬(wàn)噸TNT炸藥．爆炸時(shí)安放原子彈的鋼塔全部熔化，在半徑400m的范圍內(nèi)，沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質(zhì)，半徑1600m范圍內(nèi)所有動(dòng)植物全部死亡．(1)巨大的核能是從哪里來(lái)的？(2)在利用重核裂變制成的原子彈中，需不需要用鎘制成的控制棒？提示：(1)鈾核的裂變．(2)不需要．1．核電站發(fā)電的主要原理：核燃料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(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去．反應(yīng)堆放出的熱使水變成水蒸氣，這些高溫高壓的蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電．這一部分的工作原理和火力發(fā)電相同．2．核反應(yīng)堆——核電站的心臟：裂變反應(yīng)堆是核電站的心臟，它是一種人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置，可以使核能較平緩地釋放出來(lái)，裂變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)和工作原理見(jiàn)下表：組成部分材料作用裂變材料(核燃料)濃縮鈾(eq\o\al(235,92)U)提供核燃料慢化劑(減速劑)石墨、重水或普通水使裂變產(chǎn)生的快中子減速控制棒鎘吸收減速后的中子，控制反應(yīng)速度反射層石墨阻止中子逃逸熱交換器水產(chǎn)生高溫蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電防護(hù)層金屬套和鋼筋混凝土防止射線(xiàn)對(duì)人體及其他生物體的侵害3．核反應(yīng)堆與原子彈爆炸的比較：原子彈爆炸時(shí)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度是無(wú)法控制的，為了用人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使核能比較平緩地釋放出來(lái)，人們制成了核反應(yīng)堆(核電站的核心設(shè)施)．核反應(yīng)堆是人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置．【例2】在所有能源中，核能具有能量密度大，地區(qū)適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在核電站中，核反應(yīng)堆釋放的核能被轉(zhuǎn)化為電能．核反應(yīng)堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量核能．(1)核反應(yīng)方程式eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)中的一種，eq\o\al(1,0)n為中子，X為待求粒子，a為X的個(gè)數(shù)，則X為_(kāi)_______，a＝________．以mU、mBa、mKr分別表示eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr核的質(zhì)量，mn、mp分別表示中子、質(zhì)子的質(zhì)量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應(yīng)過(guò)程中放出的核能ΔE是多少？(2)有一座發(fā)電能力為P＝1.00×106kW的核電站，核能轉(zhuǎn)化為電能的效率η＝40%，假定反應(yīng)堆中發(fā)生的裂變反應(yīng)全是本題(1)中的核反應(yīng)，已知每次核反應(yīng)過(guò)程放出的核能ΔE＝2.78×10－11J，核的質(zhì)量mU＝390×10－27kg，求每年(1年＝3.15×107s)消耗的eq\o\al(235,92)U的質(zhì)量．[解析](1)由反應(yīng)方程可知：X為eq\o\al(1,0)n，a為3，釋放的能量為ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2．(2)因電站發(fā)電效率為40%，故電站消耗eq\o\al(235,92)U的功率為P′＝eq\f(P,40%)＝eq\f(106,40%)kW＝2.5×106kW，電站每年消耗eq\o\al(235,92)U的能量為W＝P′t＝2.5×109×3.15×107J＝7.875×1016J．每年消耗eq\o\al(235,92)U的質(zhì)量為M＝eq\f(W,ΔE)mU＝eq\f(7.875×1016×390×10－27,2.78×10－11)kg＝1105kg．[答案](1)eq\o\al(1,0)n3(mU－mBa－mKr－2mn)c2(2)1105kg[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．落在日本廣島上的原子彈，相當(dāng)于2萬(wàn)噸TNT炸藥放出的能量．原子彈放出的能量約8.4×1013J，試問(wèn)有多少個(gè)eq\o\al(235,92)U原子核進(jìn)行分裂？該原子彈中含eq\o\al(235,92)U的質(zhì)量最小限度為多少千克？(一個(gè)eq\o\al(235,92)U原子核分裂時(shí)所產(chǎn)生的能量約為200MeV)[解析]一個(gè)eq\o\al(235,92)U原子核分裂時(shí)所產(chǎn)生的能量約為200MeV＝200×106eV＝2.0×108×1.6×10－19J＝3.2×10－11J．設(shè)共有n個(gè)eq\o\al(235,92)U核發(fā)生裂變：n＝eq\f(8.4×1013,3.2×10－11)個(gè)≈2.6×1024個(gè)，鈾的質(zhì)量m＝235×10－3×eq\f(2.6×1024,6.02×1023)kg≈1.015kg．[答案]2.6×1024個(gè)1.015kg對(duì)輕核聚變的理解大海航行靠舵手，萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)．沒(méi)有太陽(yáng)，地球上就不可能有姿態(tài)萬(wàn)千的生命現(xiàn)象，當(dāng)然也不會(huì)孕育出作為智能生物的人類(lèi)．(1)太陽(yáng)是靠什么為地球生命提供巨大的能量呢？(2)使輕核合成質(zhì)量較大的核的難點(diǎn)是什么？提示：(1)太陽(yáng)輻射的能量是在氫聚變成氦的過(guò)程中產(chǎn)生的．(2)要使兩個(gè)輕核接近到10－15m內(nèi)，核力才能發(fā)生作用，但進(jìn)入這樣的范圍需克服很大的庫(kù)侖斥力，使輕核具有足夠的能量是難點(diǎn)之一．1．核聚變的特點(diǎn)(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量．(2)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)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去．(3)普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆．2．核聚變的應(yīng)用(1)核武器——?dú)鋸棧阂环N不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置．它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸．(2)可控?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探索階段．3．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(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個(gè)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(gè)核子放出的能量要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡(jiǎn)單得多原料的蘊(yùn)藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽?chǔ)量有限，尤其用于核裂變的鈾235在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲(chǔ)量非常豐富．1L海水中大約有0.03g氘，如果用來(lái)進(jìn)行熱核反應(yīng)，放出的能量約與燃燒300L汽油相當(dāng)可控性速度比較容易進(jìn)行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應(yīng)釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它【例3】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)氦核同時(shí)放出兩個(gè)正電子的熱核反應(yīng)，這個(gè)核反應(yīng)釋放出的大量能量就是太陽(yáng)的能源．(1)寫(xiě)出這個(gè)核反應(yīng)方程．(2)這一核反應(yīng)能釋放多少能量？(3)已知太陽(yáng)每秒釋放的能量為3.8×1026J，則太陽(yáng)每秒減少的質(zhì)量為多少？(mp＝1.0073u，mHe＝4.0026u，me＝0.00055u)[解析](1)核反應(yīng)方程4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋nX，而nX是2個(gè)正電子．因此核反應(yīng)方程應(yīng)為4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e．(2)反應(yīng)前的質(zhì)量m1＝4mp＝4×1.0073u＝4.0292u．反應(yīng)后的質(zhì)量m2＝mHe＋2me＝4.0026u＋2×0.00055u＝4.0037u．質(zhì)量虧損Δm＝m1－m2＝0.0255u．由質(zhì)能方程得，釋放能量ΔE＝0.0255×931.5MeV＝23.7533MeV．(3)由質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2得每秒減少的質(zhì)量Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(3.8×1026,3×1082)kg≈4.2×109kg．[答案](1)4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e(2)23.7533MeV(3)4.2×109kg對(duì)核反應(yīng)的兩個(gè)認(rèn)識(shí)誤區(qū)(1)誤認(rèn)為聚變就是裂變的逆反應(yīng)．產(chǎn)生這種誤區(qū)的原因是對(duì)聚變和裂變的本質(zhì)沒(méi)有理解透，裂變時(shí)重核分裂成中等核，而聚變是輕核聚合成為次輕核，無(wú)直接關(guān)聯(lián)，并非互為逆反應(yīng)．(2)不能正確判斷聚變、裂變、衰變及人工轉(zhuǎn)變的方程．核聚變是輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，也會(huì)放出中子；重核裂變時(shí)鈾核捕獲中子裂變?yōu)閮蓚€(gè)或更多個(gè)中等質(zhì)量的核，并放出幾個(gè)中子；人工核轉(zhuǎn)變常用α粒子或中子去轟擊原子核，產(chǎn)生新原子核并放出一個(gè)或幾個(gè)粒子；衰變是原子核自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核，并向外輻射出α粒子或β粒子的反應(yīng)，衰變根據(jù)向外輻射粒子的不同分為α衰變和β衰變兩種．[跟進(jìn)訓(xùn)練]3．氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放巨大的能量，該反應(yīng)方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋X，式中x是某種粒子，已知：eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H、eq\o\al(4,2)He和粒子X(jué)的質(zhì)量分別為2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u；1u＝931.5MeV/c2，c是真空中的光速．由上述反應(yīng)方程和數(shù)據(jù)可知，粒子X(jué)是________，該反應(yīng)釋放出的能量為_(kāi)_______MeV(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)．[解析]根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，不難推算粒子X(jué)是eq\o\al(1,0)n(中子)．根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2知，該反應(yīng)釋放出的能量為ΔE＝(2.0141＋3.0161－4.0026－1.0087)×931.5MeV＝17.6MeV．[答案]eq\o\al(1,0)n(中子)17.6核能的利用與環(huán)境保護(hù)1967年6月17日，我國(guó)第一顆氫彈爆炸成功．從第一顆原子彈爆炸成功到第一顆氫彈爆炸成功，我國(guó)僅用了兩年零八個(gè)月．蘇聯(lián)用了四年，美國(guó)用了七年．原子彈和氫彈的裝置有何不同？提示：(1)原子彈是一種沒(méi)有減速劑、不加控制的爆炸性鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裝置．(2)氫彈是一種靠慣性約束、不需人工控制而實(shí)現(xiàn)聚變的反應(yīng)裝置．1．核能利用核原料提供的能量巨大，1kg鈾釋放的全部能量大約相當(dāng)于2700t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒放出的能量．地球上的常規(guī)能源一般都無(wú)法跟核能相比．除鈾外，釷也是一種裂變材料，它比鈾更豐富，如果能把釷利用起來(lái)，核電的發(fā)展前景將更為廣闊．熱核反應(yīng)所需的氘更是儲(chǔ)量豐富．核原料的運(yùn)輸和儲(chǔ)存方便，如：一座100萬(wàn)千瓦核電站一年所需原料鈾，只需6輛卡車(chē)就可全部運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)．核電站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成溫室效應(yīng)或酸雨的氣體及煙塵，有利于環(huán)境保護(hù)．2．環(huán)境保護(hù)核電站為防止放射性物質(zhì)的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化鈾陶瓷體燃料芯塊滯留裂變產(chǎn)物，外面密封鋯合金包殼，第三道是壓力邊界，第四道是安全殼．這些措施大大提高了核能利用的安全性．3．廢料處理對(duì)核廢料先回收利用，剩下的廢料就很少了，將其中低放射性廢料進(jìn)行瀝青固化或水泥固化后，儲(chǔ)存在地下淺層廢料庫(kù)，對(duì)高放射性的廢料采用玻璃固化后，埋藏在深層廢料庫(kù)．加之實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等措施都降低了對(duì)環(huán)境污染的可能性．4．核電站(1)原理原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是在人工控制下進(jìn)行．釋放的核能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，再由蒸汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，使核能為人類(lèi)和平建設(shè)服務(wù)．(2)優(yōu)點(diǎn)①核能發(fā)電比燃煤發(fā)電的成本低，一座百萬(wàn)千瓦級(jí)的核電站，一年只消耗濃縮鈾30t左右，而同樣功率的燃煤發(fā)電站每年要消耗250萬(wàn)噸優(yōu)質(zhì)煤．②核電站對(duì)環(huán)境的污染要比燃煤發(fā)電小得多．【例4】我國(guó)自行研制了可控?zé)岷朔磻?yīng)實(shí)驗(yàn)裝置“超導(dǎo)托卡馬克”(英文縮寫(xiě)：EAST，俗稱(chēng)“人造太陽(yáng)”)．設(shè)可控?zé)岷藢?shí)驗(yàn)反應(yīng)前氘核(eq\o\al(2,1)H)的質(zhì)量為m1，氚核(eq\o\al(3,1)H)的質(zhì)量為m2，反應(yīng)后氦核(eq\o\al(4,2)He)的質(zhì)量為m3，中子(eq\o\al(1,0)n)的質(zhì)量為m4．光速為c．下列說(shuō)法不正確的是()A．這種裝置中發(fā)生的核反應(yīng)方程式是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB．由核反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4C．核反應(yīng)放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2D．這種裝置與我國(guó)大亞灣核電站所使用的核裝置的核反應(yīng)原理不相同B[可控?zé)岷朔磻?yīng)裝置中發(fā)生的核反應(yīng)方程式是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n，故A正確；核反應(yīng)過(guò)程中存在質(zhì)量虧損，因此m1＋m2≠m3＋m4，故B錯(cuò)誤；核反應(yīng)過(guò)程中的質(zhì)量虧損Δm＝m1＋m2－m3－m4，釋放的核能ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C正確；這種裝置的核反應(yīng)是核聚變，我國(guó)大亞灣核電站所使用的核裝置的核反應(yīng)是核裂變，它們的核反應(yīng)原理不相同，故D正確．][跟進(jìn)訓(xùn)練]4．(多選)為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高清潔能源的比重，我國(guó)制定了優(yōu)先選擇核能，其次加快發(fā)展風(fēng)電和再生能源的政策，在《核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中要求2020年核電運(yùn)行裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到4000萬(wàn)千瓦的水平，請(qǐng)根據(jù)所學(xué)物理知識(shí)判斷，下列說(shuō)法正確的是()A．核能發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染比火力發(fā)電要小B．所有核電站都只利用重核裂變釋放大量的原子能C．所有核電站既有重核裂變，又有輕核聚變釋放大量的原子能D．如果核電站能實(shí)現(xiàn)可控輕核聚變發(fā)電，其核廢料處理更簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境污染更小ABD[目前核電站都用核裂變，其原料是鈾，且核能是比較清潔的能源，故A、B正確，C錯(cuò)誤；如果核電站能實(shí)現(xiàn)可控輕核聚變發(fā)電，其核廢料處理起來(lái)比鈾核裂變廢料更容易，對(duì)環(huán)境污染也更小，D正確．]1．(多選)關(guān)于重核的裂變，以下說(shuō)法正確的是()A．核裂變釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時(shí)得到的能量B．鈾核裂變?cè)谧匀唤缰袝?huì)自發(fā)地產(chǎn)生C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少D．由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時(shí)，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能AD[根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變釋放能量的原理分析可知，裂變時(shí)因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過(guò)程，因而釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時(shí)吸收的能量；重核裂變只能發(fā)生在人為核反應(yīng)中；在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會(huì)減少的，因此A正確，B、C錯(cuò)誤；重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)，由于平均質(zhì)量減小，必然發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能，所以D正確．]2．(多選)1938年哈恩用中子轟擊鈾核，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中有原子核鋇(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射線(xiàn)．下列關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)的說(shuō)法中正確的是()A．這個(gè)實(shí)驗(yàn)的核反應(yīng)方程是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)nB．這是一個(gè)核裂變過(guò)程，反應(yīng)后粒子質(zhì)量之和大于反應(yīng)前粒子質(zhì)量之和C．實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的γ射線(xiàn)穿透能力極強(qiáng)D．這個(gè)反應(yīng)中釋放出的能量可以用愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程來(lái)計(jì)算ACD[根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，鈾核裂變的核反應(yīng)方程應(yīng)為：eq\o\al(