核裂變與核聚變+高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

第4節(jié)

核裂變與核聚變第五章人教版（2019）選擇性必修三CONTENTS目錄核裂變的發(fā)現(xiàn)01反應(yīng)堆與核電站02核聚變03學(xué)以致用提高練習(xí)041945年8月6日美軍向日本廣島投放“小男孩”原子彈新課導(dǎo)入知識(shí)講解課堂小結(jié)隨堂練習(xí)布置作業(yè)思考與討論：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(guò)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？核電站原子彈新課導(dǎo)入知識(shí)講解課堂小結(jié)隨堂練習(xí)布置作業(yè)核子平均質(zhì)量隨電荷數(shù)的變化〓聚變〓裂變比結(jié)合能大的原子核，其核子平均質(zhì)量小。核能計(jì)算?E=?mc2釋放核能新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)一、核裂變的發(fā)現(xiàn)

1938年底，德國(guó)物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾核的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，生成物中有原子序數(shù)為56的元素鋇。奧地利物理學(xué)家邁特納和弗里施對(duì)此做出了解釋?zhuān)櫤嗽诒恢凶愚Z擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊。弗里施借用細(xì)胞分裂的生物學(xué)名詞，把這類(lèi)核反應(yīng)定名為核裂變。哈恩邁特納1.核裂變：物理學(xué)中把重核分裂成兩個(gè)較輕的核時(shí)，釋放出核能的反應(yīng)叫做核裂變。新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)2.核裂變的產(chǎn)物多種多樣1947年我國(guó)著名物理學(xué)家錢(qián)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。三分裂概率四分裂概率

（最典型的一種核反應(yīng)方程式）二分裂新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)視頻演示：核裂變新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)⑴定義：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(guò)程，這種反應(yīng)叫核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)（2）臨界體積和臨界質(zhì)量：使裂變物質(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。

鈾塊的大小是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能否進(jìn)行的重要因素。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(guò)時(shí)，就有可能不到鈾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。

發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量，或者鈾塊的體積大于臨界體積。新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)視頻演示：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)4.核裂變釋放大量的能量已知鈾核裂變的反應(yīng)為：(1)求：一個(gè)鈾核裂變釋放的能量。質(zhì)量虧損：Δm=(mu+mn)-(mBa+mKr+3mn)=0.3578×10－27kg一個(gè)鈾核裂變釋放的能量：?E=?mc2=3.2022×10-11J=201MeV(2)求：1kg鈾235全部裂變時(shí)所釋放的能量(3)求：1噸優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)釋放的能量為E1=

3×1010J,計(jì)算1kg鈾235全部裂變時(shí)所釋放的能量相當(dāng)于多少?lài)崈?yōu)質(zhì)煤?新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)

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!新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)拓展學(xué)習(xí)-原子彈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(guò)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。原子彈的結(jié)構(gòu)有“內(nèi)爆式”和“槍式”兩種。1964年10月16日下午15時(shí)，中國(guó)第一顆原子彈（內(nèi)爆式）在新疆羅布泊核武器試驗(yàn)基地爆炸成功。新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)“兩彈一星”元?jiǎng)?/p>

歷史將永遠(yuǎn)記住他們新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)二、反應(yīng)堆與核電站

原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也可以在人工控制下進(jìn)行。這樣，釋放的核能就可以為人類(lèi)的和平建設(shè)服務(wù)。其實(shí)，在第一個(gè)原子彈制成以前，科學(xué)家們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了核能的可控釋放。1942年，美籍意大利物理學(xué)家費(fèi)米就主持建立了世界上第一個(gè)稱(chēng)為“核反應(yīng)堆”的裝置，首次通過(guò)可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)了核能的釋放。1.反應(yīng)堆：通過(guò)可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)來(lái)釋放核能的裝置。①鈾棒：由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，它是核反應(yīng)堆的燃料。②石墨(或重水)：石墨(或重水)作為慢化劑，附著在鈾棒周?chē)狗磻?yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?，便于被?35“捉”住，發(fā)生核裂變。③鎘棒：主要作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以叫作控制棒。④水泥防護(hù)層：屏蔽射線，防止放射性污染。新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)反應(yīng)堆核心設(shè)施：濃縮鈾制成的鈾棒減速劑：石墨、重水或普通水，

用于減小中子的速度。控制棒：鎘棒，用于吸收中子，

控制核反應(yīng)的快慢?！盁嶂凶樱凶樱焙朔磻?yīng)堆示意圖水泥防護(hù)層控制棒——鎘棒燃料棒—鈾棒減速劑新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)2.核電站

第一回路中的水被泵壓入反應(yīng)堆，通過(guò)堆芯時(shí)核反應(yīng)放出的熱使水的內(nèi)能增加，水溫升高，進(jìn)入熱交換器后，把熱量傳給第二回路的水，然后又被泵壓回反應(yīng)堆里。在熱交換器內(nèi)，第二回路中的水被加熱生成高溫高壓蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。建造核電站時(shí)需要特別注意防止放射線和放射性物質(zhì)的泄漏，以避免射線對(duì)人體的傷害和放射性物質(zhì)對(duì)水源、空氣和工作場(chǎng)所造成放射性污染。

為此，在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來(lái)屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線。核反應(yīng)堆中的核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)視頻演示：核反應(yīng)堆新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)三、核聚變1.核聚變：兩個(gè)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。

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:新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)2.核聚變條件：使原子核間的距離達(dá)到10-15m(原子核需要很大的動(dòng)能才會(huì)“撞”在一起)3.實(shí)現(xiàn)的方法：

⑴用加速器加速原子核⑵對(duì)物質(zhì)加熱到很高的溫度108～109K4.核聚變應(yīng)用：氫彈普通炸藥Ｕ235氘、氚爆炸裂變聚變

1967年6月17日，我國(guó)首枚氫彈爆炸成功不可控！新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)5.天然核聚變：太陽(yáng)的核燃燒恒星太陽(yáng)聚變反應(yīng)熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)和很多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)107K以上，因而在那里進(jìn)行著激烈的熱核反應(yīng)，不斷向外界釋放著巨大的能量。6.核聚變的優(yōu)點(diǎn)：（1）輕核聚變產(chǎn)能效率高，也就是說(shuō)，相同質(zhì)量的核燃料，反應(yīng)中產(chǎn)生的能量比較多；（2）地球上核聚變?nèi)剂想碗皟?chǔ)量豐富；（3）輕核聚變更為安全、清潔。7.實(shí)現(xiàn)可控核聚變的困難：核聚變需要的溫度太高，地球上沒(méi)有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)8.解決可控核聚變的兩種方案：（1）磁約束：帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中會(huì)由于洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場(chǎng)來(lái)約束參加反應(yīng)的物質(zhì)，這就是磁約束。（2）慣性約束：利用核聚變物質(zhì)的慣性進(jìn)行約束。在慣性約束下，可以用高能量密度的激光或X射線從各個(gè)方向照射參加反應(yīng)物質(zhì)，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。由于核聚變反應(yīng)的時(shí)間非常短，被“擠”在一起的核聚變物質(zhì)因自身的慣性還來(lái)不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)。慣性約束示意圖新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)視頻演示：核聚變新課導(dǎo)入知識(shí)講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)四、學(xué)以致用提高練習(xí)1.（多選）關(guān)于鈾核裂變，下列說(shuō)法正確的是（）A.鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，但只能裂變成兩種不同的核B.鈾核裂變時(shí)還能同時(shí)釋放2~3個(gè)中子C.為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易進(jìn)行，最好用鈾235D.鈾塊的體積對(duì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無(wú)影響【答案】BC隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識(shí)講解課堂小結(jié)布置作業(yè)2.關(guān)于核反應(yīng)堆,下列說(shuō)法不正確的是()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【答案】C隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識(shí)講解課堂小結(jié)布置作業(yè)3.（多選）關(guān)于核聚變，下列說(shuō)法正確的是（）A.兩個(gè)輕核只有聚變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)才放出能量B.同樣質(zhì)量的輕核發(fā)生聚變時(shí)放出的能量比同樣質(zhì)量的重核裂變時(shí)釋放的能量大好多倍C.聚變反應(yīng)的條件是聚變物質(zhì)的體積達(dá)到臨界體積D.發(fā)生聚變反應(yīng)時(shí)的原子核必須有足夠大的動(dòng)能【答案】BD隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識(shí)講解課堂小結(jié)布置作業(yè)4.我國(guó)物理學(xué)家錢(qián)三強(qiáng)、何澤慧夫婦，1946年在法國(guó)巴黎發(fā)現(xiàn)了鈾的三分裂和四分裂，這是我國(guó)科學(xué)家在核物理研究中做出的貢獻(xiàn)，這是將中子打入鈾核后所發(fā)生的核反應(yīng)，它屬于（）A．人工核轉(zhuǎn)變 B．重核的裂變 C．鈾核的衰變 D．輕核的聚變【答案】B隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識(shí)講解課堂小結(jié)布置作業(yè)5.關(guān)于核反應(yīng)的相關(guān)知識(shí)，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A．過(guò)量放射性輻射對(duì)人體組織有破壞作用，所以輻射強(qiáng)度應(yīng)嚴(yán)格控制在安全劑量?jī)?nèi)B．核電站反應(yīng)堆中需要用鎘棒控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度C．核反應(yīng)堆中存在核反應(yīng)方程為的核反應(yīng)D．核裂變反應(yīng)中，反應(yīng)物的結(jié)合能之和大于生成物的結(jié)合能之和【答案】D隨堂練習(xí)新課導(dǎo)