新教材2025版高中物理第五章原子核4.核裂變與核聚變學(xué)生用書新人教版選擇性必修第三冊

4.核裂變與核聚變素養(yǎng)目標(biāo)1.知道重核的裂變反應(yīng)和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件．(物理觀念)2．了解裂變反應(yīng)堆的工作原理及核電站和核能利用的優(yōu)缺點(diǎn)．(物理觀念)3．駕馭核聚變的定義及發(fā)生條件．(物理觀念)4．會推斷和書寫核裂變、核聚變方程，能計算核反應(yīng)釋放的能量．(科學(xué)思維)自主落實·必備學(xué)問全過關(guān)一、核裂變1．核裂變?nèi)斯まD(zhuǎn)變的一種重核被________轟擊后分裂成兩個質(zhì)量差不多的新核，并放出核能的過程．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92235依據(jù)試驗事實，不能杜撰核裂變反應(yīng)3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)由重核裂變產(chǎn)生的中子使核裂變反應(yīng)一代接一代接著下去的過程．4．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于________，裂變物質(zhì)的質(zhì)量大于________．鈾塊足夠大，中子才有足夠大的概率打中某個鈾核二、核電站1．核能釋放的限制通過可限制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實現(xiàn)核能釋放的裝置稱為________．原子彈是不行限制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)2．慢化劑反應(yīng)堆中，為了使裂變產(chǎn)生的快中子減速，在鈾棒四周要放“慢化劑”，常用的慢化劑有________、________和________．與慢化劑中的原子核碰撞減速3．限制棒為了限制反應(yīng)速度，還須要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒，它汲取________的實力很強(qiáng)，反應(yīng)過于激烈時，可將其插入________一些，多汲取一些________，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會慢一些，這種鎘棒叫作________．4．能量輸出核燃料發(fā)生________釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度上升，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外________，把反應(yīng)堆內(nèi)的________傳輸出去，用于發(fā)電．5．核能發(fā)電的效益一座百萬千瓦級的核電站，每年只消耗______左右的濃縮鈾，而同樣功率的火電站，每年要燒煤________．現(xiàn)在的全部核電站都是應(yīng)用核裂變發(fā)電6．核污染的處理為避開________對人體的損害和____________對水源、空氣和工作場所造成放射性污染，在反應(yīng)堆外面須要修建很厚的________，用來屏蔽核裂變產(chǎn)物放出的各種射線．核廢料具有很強(qiáng)的________，須要裝入特制的容器，________．三、核聚變1．定義兩個輕核結(jié)合成________的核的反應(yīng)．發(fā)生質(zhì)量虧損2．條件(1)輕核的距離要達(dá)到________以內(nèi)．(2)聚變可能通過________(幾百萬開爾文)來實現(xiàn)，因此又叫熱核反應(yīng)．3．核反應(yīng)舉例(1)目前，熱核反應(yīng)主要應(yīng)用在核武器上，如________.(2)熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進(jìn)行著，太陽就是一個巨大的____________．(3)典型的核聚變：一個氘核和一個氚核的聚變，1該反應(yīng)平均每個核子放出的能量比裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能量大________倍．4．聚變與裂變相比有許多優(yōu)點(diǎn)(1)輕核聚變產(chǎn)能效率________．(2)地球上聚變?nèi)剂系膬α縚_______．(3)輕核聚變更為____________．5．實現(xiàn)核聚變的方法(1)難點(diǎn)：地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受核聚變須要的高溫．(2)方案：科學(xué)家設(shè)想了兩種方案，即________和________，________是目前性能最好的一種磁約束裝置．情境體驗如圖為鈾核裂變示意圖：(1)鈾核裂變是如何發(fā)生的？試寫出一種鈾核裂變的核反應(yīng)方程．(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)嗎？合作探究·實力素養(yǎng)全提升探究一核裂變的原理及應(yīng)用核心歸納1.鈾核的裂變和裂變方程(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，使核變成不規(guī)則的形態(tài)．(2)核子分裂：核子間的距離增大，因而核力快速減弱，使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出兩或三個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進(jìn)行下去，釋放出越來越多的核能．(3)常見的裂變方程①0②02．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．3．裂變反應(yīng)的能量：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假如按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．應(yīng)用體驗題型1裂變的特點(diǎn)及條件例1(多選)關(guān)于鈾核裂變，下列說法正確的是()A．鈾核裂變的產(chǎn)物是多樣的，但只能裂變成兩種不同的核B．鈾核裂變時一般釋放2～3個中子C．為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)簡單進(jìn)行，最好用純鈾235D．鈾塊的體積對產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無影響[試解]題型2裂變核能的計算例2裂變反應(yīng)是目前核能利用中常用的反應(yīng)．以原子核92235U為燃料的反應(yīng)堆中，當(dāng)92235已知中子及有關(guān)原子核的靜止質(zhì)量(以原子質(zhì)量單位u為單位)mU＝235.0439u，mn＝1.0087u，mXe＝138.9178u，mSr＝93.9154u，且1u的質(zhì)量對應(yīng)的能量為931.5MeV，則此裂變反應(yīng)過程中：(1)質(zhì)量虧損為多少？(2)釋放出的能量是多少？[試解]針對訓(xùn)練1.(多選)鈾核裂變是核電站核能的重要來源，其中一種裂變反應(yīng)是92235A．上述裂變反應(yīng)中伴隨著中子放出B．鈾塊體積對鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生無影響C．鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可人工限制D．鈾核的半衰期會受到環(huán)境溫度的影響探究二反應(yīng)堆與核電站核心歸納1.核電站的主要組成核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆，它的主要部件列表如下：部件名稱鈾棒慢化劑限制棒熱循環(huán)介質(zhì)愛護(hù)層采納的材料濃縮鈾235石墨、重水或一般水(也叫輕水)鎘水或液態(tài)鈉很厚的水泥外殼作用核燃料降低中子速度，便于鈾235汲取汲取中子，限制反應(yīng)速度把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去屏蔽射線，防止放射性污染2.反應(yīng)堆的工作原理核反應(yīng)釋放的能量通過水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流淌，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動蒸汽機(jī)，使發(fā)電機(jī)發(fā)電．3．核電站發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)(1)消耗的核燃料少．(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大，所能供應(yīng)的能量大．(3)對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小．應(yīng)用體驗例3如圖是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對該反應(yīng)堆的下列說法正確的是()A．鈾235簡單汲取快中子后發(fā)生裂變反應(yīng)B．快中子跟慢化劑的原子核碰撞后的能量削減，變成慢中子，慢中子簡單被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)C．限制棒由鎘做成，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時，使限制棒插入淺一些，讓它少汲取一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會慢一些D．要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使限制棒插入深一些，使大量快中子碰撞限制棒后變成慢中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會快一些[試解]針對訓(xùn)練2.(多選)關(guān)于核反應(yīng)堆，下列說法正確的是()A．鈾棒是核燃料，裂變時釋放核能B．鎘棒的作用是限制反應(yīng)堆的功率C．石墨的作用是汲取中子D．冷卻劑的作用是限制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱能3．[2024·臨沂高二檢測]核電站是利用反應(yīng)堆釋放出的能量將水變成高溫高壓的水蒸氣來推動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電的．反應(yīng)堆的核反應(yīng)方程式為92235U+01n→54136Xe+X+100A．X原子核中含有中子數(shù)為52B．該反應(yīng)質(zhì)量虧損Δm＝m1－m3－m4C．該反應(yīng)釋放的能量為(m1－10m2－m3－m4)c2D.92235U探究三輕核聚變的理解與計算核心歸納1.聚變發(fā)生的條件、方法(1)條件：要使輕核聚變，必需使輕核接近核力發(fā)生作用的距離為10－15m.(2)方法：把輕核加熱到幾百萬開爾文的高溫．2．核聚變方程123．核聚變的特點(diǎn)(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時，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，就不再須要外界給它能量，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)在宇宙中時時刻刻地進(jìn)行著，太陽就是一個巨大的熱核反應(yīng)堆．4．核聚變的應(yīng)用(1)核武器——?dú)鋸棧阂环N不須要人工限制的輕核聚變反應(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)：目前處于探究階段．5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)分比較項目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大約要大3～4倍燃料儲量狀況聚變?nèi)剂蟽α控S富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)簡單得多應(yīng)用體驗題型4對輕核聚變反應(yīng)的理解例4(多選)下列關(guān)于聚變的說法正確的是()A．要使聚變發(fā)生，必需克服庫侖斥力做功B．輕核聚變須要幾百萬開爾文的高溫，因此聚變又叫作熱核反應(yīng)C．原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬開爾文的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)D．全部恒星中只有太陽內(nèi)部在激烈地進(jìn)行著熱核反應(yīng)[試解]題型2聚變核能的計算例5(多選)太陽的能量來源于輕核的聚變，太陽中存在的主要元素是氫，核聚變反應(yīng)可以看作是4個氫核(11H)結(jié)合成1個氦核同時放出2個正電子的過程．下表中列出了部分粒子的質(zhì)量取(1u＝16粒子名稱質(zhì)子(p)α粒子正電子(e)中子(n)質(zhì)量/u1.00784.00260.00051.0087以下說法正確的是()A．核反應(yīng)方程為41B．4個氫核結(jié)合成1個氦核時的質(zhì)量虧損約為0.0276kgC．4個氫核結(jié)合成1個氦核時的質(zhì)量虧損約為4.6×10－29kgD．聚變反應(yīng)過程中釋放的能量約為4.14×10－12J[試解]題型3核反應(yīng)類型的推斷例6[2024·云南保山龍陵一中高二上月考]對于下列各核反應(yīng)方程，表述正確的是()A.BCD.[試解]針對訓(xùn)練4.[2024·浙江1月](多選)如圖所示是我國全超導(dǎo)托卡馬克核聚變試驗裝置.2024年11月，該裝置實現(xiàn)了1×108℃等離子體運(yùn)行等多項重大突破，為將來和平利用聚變能量邁出了重要一步．關(guān)于核聚變，下列說法正確的是()A．聚變又叫熱核反應(yīng)B．太陽就是一個巨大的熱核反應(yīng)堆C．高溫能使原子核克服核力而聚變D．對相同質(zhì)量的核燃料，輕核聚變比重核裂變產(chǎn)能多學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)1．(多選)下列說法正確的是()A．核聚變比核裂變產(chǎn)能效率高B．在目前條件下，使原子核聚變要比裂變簡單C．氫彈的原理是核裂變反應(yīng)D．核聚變和核裂變發(fā)生后，產(chǎn)生的新核的比結(jié)合能比反應(yīng)前原子核的比結(jié)合能大2.我國自主研發(fā)制造的國際熱核聚變核心部件在國際上領(lǐng)先通過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，這是我國對國際熱核聚變項目的重大貢獻(xiàn)．下列核反應(yīng)方程中屬于裂變反應(yīng)的是()A.BCD.3.[2024·黃山高二檢測](多選)我國最新一代核聚變裝置“EAST”在安徽合肥首次放電，顯示了“EAST”裝置具有良好的整體性能，使等離子體約束時間達(dá)1000s，溫度超過1億攝氏度，這標(biāo)記著我國磁約束核聚變探討進(jìn)入國際先進(jìn)水平，合肥也成為世界上第一個建成此類全超導(dǎo)非圓截面核聚變試驗裝置并能實際運(yùn)行的地方．核聚變的主要原料是氘，在海水中含量極其豐富．已知氘核的質(zhì)量為m1，中子的質(zhì)量為m2，23HeA．兩個氘核聚變成一個23B．兩個氘核聚變成一個23C．兩個氘核聚變成一個23He所釋放的核能為(2m1－m3－m4D．兩個氘核聚變成一個23He所釋放的核能為(2m1－m3－m24．一座發(fā)電實力為P＝1.0×106kW的核電站，核能轉(zhuǎn)化為電能的效率η＝40%.核反應(yīng)堆中發(fā)生的裂變反應(yīng)為92235U+01n―→56141(1)發(fā)生一次核反應(yīng)的質(zhì)量虧損Δm.(2)每年(1年＝3.15×107s)消耗的922354．核裂變與核聚變自主落實·必備學(xué)問全過關(guān)一、1．中子2.304．臨界體積臨界質(zhì)量二、1．核反應(yīng)堆2．石墨重水一般水3．中子深中子限制棒4．核裂變循環(huán)流淌熱量5．30t2.5×106t6．射線放射性物質(zhì)水泥層放射性深埋地下三、1．質(zhì)量較大2．(1)10－15m(2)高溫3．(1)氫彈(2)熱核反應(yīng)堆(3)3～44．(1)高(2)豐富(3)平安、清潔5．磁約束慣性約束環(huán)流器情境體驗提示：(1)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，使核變成不規(guī)則的形態(tài)．核子間的距離增大，因而核力快速減弱，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)一代接一代接著下去，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；92235(2)不是，鈾塊體積還須大于或等于臨界體積．合作探究·實力素養(yǎng)全提升探究一應(yīng)用體驗[例1]解析：鈾核受到中子的轟擊，會引起裂變，裂變的產(chǎn)物是多樣的，具有極大的偶然性，裂變成兩塊的狀況比較多，也有的分裂成多于兩塊，裂變時一般會放出2～3個中子．鈾235受中子的轟擊時，裂變的概率大，而鈾238只有俘獲能量在1MeV以上的中子才能引起裂變，且裂變的概率小，而要引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．需使鈾塊的體積不小于臨界體積．綜上所述，選項B、C正確．答案：BC[例2]解析：192235U裂變成(54139Xe和3894Sr，同時放出中子01n，裂變前后質(zhì)量虧損Δ(2)由愛因斯坦質(zhì)能方程可知ΔE＝Δm×931.5MeV/u≈180.06MeV.答案：(1)0.1933u(2)180.06MeV針對訓(xùn)練1．解析：由核反應(yīng)方程式可以看出鈾核裂變釋放出3個中子，A正確；鈾塊體積需達(dá)到臨界體積才能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，所以鈾塊體積對鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生有影響，B錯誤；鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可以通過限制棒進(jìn)行人工限制，C正確；放射性物質(zhì)的半衰期是元素本身的屬性，與外界物理環(huán)境和化學(xué)環(huán)境均無關(guān)，D錯誤．答案：AC探究二應(yīng)用體驗[例3]解析：快中子簡單與鈾235擦肩而過，快中子跟慢化劑的原子核碰撞后能量削減，變成慢中子，慢中子簡單被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)，故B項正確，A項錯誤；限制棒由鎘做成，鎘汲取中子的實力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時，使限制棒插入深一些，讓它多汲取一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會慢一些，故C、D錯誤．答案：B針對訓(xùn)練2．解析：A對：鈾棒是核燃料，裂變時放出能量．B對：鎘棒汲取中子的實力很強(qiáng)，作用是調(diào)整中子數(shù)目以限制反應(yīng)速度，即限制反應(yīng)堆的功率．C錯：慢中子最簡單引發(fā)鈾核裂變，所以在快中子遇到鈾棒前要進(jìn)行減速，石墨的作用是使中子減速．D對：水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流淌，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，限制溫度．答案：ABD3．解析：依據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可得：X的質(zhì)量數(shù)為A＝235＋1－136－10＝90，電荷數(shù)為Z＝92－54＝38，所以X的中子數(shù)為90－38＝52，故A項正確；質(zhì)量虧損Δm＝m1－9m2－m3－m4，依據(jù)質(zhì)能方程可得釋放的核能，故B、C項錯誤；比結(jié)合能越大原子核越穩(wěn)固，由于核反應(yīng)的過程中釋放熱量，生成物比反應(yīng)物更穩(wěn)固,92235U答案：A探究三應(yīng)用體驗[例4]解析：輕核聚變時，要使輕核之間的距離達(dá)到10－15m以內(nèi)，所以必需克服庫侖斥力做功，選項A正確；在輕核聚變中，原子核必需有足夠的動能，才能克服巨大的庫侖斥力，原子核處在幾百萬開爾文的高溫下可以具有這樣的能量，這樣高的溫度通常利用原子彈爆炸獲得，選項B、C正確；除了太陽，其他恒星內(nèi)部也進(jìn)行著熱核反應(yīng)，選項D錯誤．答案：ABC[例5]解析：由核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)守恒及電荷數(shù)守恒可知，核反應(yīng)方程為411H―→24He＋210e，故選項A正確；反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為Δm＝4mP－mα－2me＝(4×1.0078－4.0026－2×0.0005)u＝0.0276u＝4.6×10－29kg，故選項C