新教材同步系列2024春高中物理第五章原子與原子核第五節(jié)裂變和聚變課件粵教版選擇性必修第三冊

第五章原子與原子核第五節(jié)裂變和聚變學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)法與考法1．知道重核的裂變產(chǎn)物和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件(重點(diǎn))2．知道核聚變，了解受控聚變反應(yīng)(重點(diǎn))3．會判斷和書寫核裂變、核聚變方程，能計算核反應(yīng)釋放的能量(重難點(diǎn))學(xué)法：①通過學(xué)習(xí)核裂變，知道鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件，了解裂變反應(yīng)堆的工作原理，了解常用裂變反應(yīng)堆的類型．知道核電站的工作模式．②通過學(xué)習(xí)核聚變，了解聚變反應(yīng)的特點(diǎn)及其條件，知道輕核的聚變能夠釋放出很多的能量，如果能加以控制將為人類提供廣闊的能源前景考法：①對鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、重核裂變的理解及核反應(yīng)方程式書寫的考查．②對聚變反應(yīng)的特點(diǎn)、條件及核反應(yīng)方程式書寫的考查．③對核裂變與核聚變釋放核能計算的考查知識導(dǎo)圖課前·

自主預(yù)習(xí)1．重核的裂變(1)核裂變：用________轟擊鈾核，鈾核分裂成質(zhì)量________的兩部分，并釋放出能量的核反應(yīng)過程叫作核裂變．(2)裂變能：核裂變________出的能量稱為裂變能，也稱核能或原子能．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：核裂變與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中子相近釋放鏈?zhǔn)椒磻?yīng)最小臨界體積中子源原子核釋放粒子的過程也是核裂變的過程嗎？核裂變的條件是什么？【答案】原子核釋放粒子的過程不是核裂變的過程．核裂變的條件是發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．微思考(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．下列關(guān)于這個實驗的說法中正確的是 (

)【答案】ACD核聚變與受控?zé)岷朔磻?yīng)質(zhì)量較大能量10-15m溫度熱核反應(yīng)(4)應(yīng)用：目前，熱核反應(yīng)主要用在核武器上，那就是________，需要用________爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)核爆炸．(5)太陽能：太陽的主要成分是氫，太陽中心溫度可達(dá)1.5×107K，在此高溫下，氫核聚變成氦核的反應(yīng)不停地進(jìn)行著，太陽能就來自于太陽內(nèi)部________釋放的核能．氫彈原子彈聚變2．受控?zé)岷朔磻?yīng)(1)聚變的優(yōu)點(diǎn)：①輕核聚變產(chǎn)能效率高；②地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富；③輕核聚變更為安全、清潔，而且生成的廢物數(shù)量少、易處理．(2)聚變的難點(diǎn)：地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受熱核反應(yīng)的高溫．(3)控制方法．①磁約束：利用磁場約束參加反應(yīng)的物質(zhì)，目前最好的一種磁約束裝置是________．②慣性約束：聚變物質(zhì)因自身的慣性，在極短時間內(nèi)來不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)，在慣性約束下，用________從各個方向照射反應(yīng)物，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)．環(huán)流器激光輕核發(fā)生聚變反應(yīng)需要什么條件？太陽中發(fā)生的是可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)嗎？【答案】輕核發(fā)生聚變反應(yīng)需要高溫．太陽中發(fā)生的是不能實現(xiàn)人工控制的輕核聚變．微思考【答案】A【解析】根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，X的電荷數(shù)為1，質(zhì)量數(shù)為1，故其為質(zhì)子，A正確．1．核電站利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是________，它主要由以下幾部分組成．(1)燃料：________．(2)慢化劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng)，采用________、重水或普通水作慢化劑．(3)控制棒：為了控制能量釋放的速度，就要想辦法調(diào)節(jié)中子的數(shù)目，采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法，利用鎘____________的特性，就可以控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度．核能利用反應(yīng)堆鈾棒石墨吸收中子2．工作原理核燃料________釋放能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高．3．能量輸出利用水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外____________，用于發(fā)電．4．核污染的處理在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的____________，用來屏蔽裂變反應(yīng)放出的各種射線，核廢料具有很強(qiáng)的________，需要裝入特制的容器，深埋地下．裂變循環(huán)流動水泥層放射性核反應(yīng)堆可以人工控制核反應(yīng)速度嗎？減速劑的作用是使快中子減速變成慢中子嗎？【答案】核反應(yīng)堆可以人工控制核反應(yīng)速度．減速劑的作用是使快中子減速變成慢中子，從而使更多的鈾核產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，不是為了減慢裂變速度，而是為了提高中子的利用率．微思考(多選)為應(yīng)對能源危機(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4000萬千瓦的水平，請根據(jù)所學(xué)物理知識，判斷下列說法正確的是

(

)A．核能發(fā)電對環(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．如果核電站能實現(xiàn)可控輕核聚變發(fā)電，其核廢料處理更簡單，對環(huán)境污染更小【答案】ABD【解析】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錯誤；如果核電站能實現(xiàn)可控輕核聚變發(fā)電，其核廢料處理起來比鈾核裂變廢料更容易，對環(huán)境污染也更小，D正確．課堂·

重難探究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，同時放出2或3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．探究重核裂變反應(yīng)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．【答案】D變式1為使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)平穩(wěn)進(jìn)行，可采用下列辦法中的 (

)A．鈾塊體積盡量制得小些B．通過慢化劑將產(chǎn)生的中子減速C．用鎘棒作為慢化劑使中子減速D．鈾核裂變釋放的中子直接去轟擊另外的鈾核【答案】B【解析】小于臨界體積的鈾塊不可能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，且即使大于臨界條件，而核反應(yīng)進(jìn)行的快慢和體積無關(guān)，A錯誤；通過慢化劑將產(chǎn)生的中子減速，可以減小鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的快中子數(shù)量，即可進(jìn)一步減慢鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，B正確；裂變核反應(yīng)堆中，通常用慢化劑，比如重水等讓快中子減速，而鎘棒是用于控制中子數(shù)量的，C錯誤；裂變后釋放的中子為快中子，不能直接用來轟擊鈾核，必須用慢化劑減速，D錯誤．裂變中核能的計算例2原子質(zhì)量單位為u，1u相當(dāng)于931.5MeV的能量，真空中光速為c，當(dāng)質(zhì)量分別為m1kg和m2kg的原子核結(jié)合成質(zhì)量為M的原子核時釋放出的能量是 (

)A．(M－m1－m2)u×c2B．(m1＋m2－M)u×931.5JC．(m1＋m2－M)c2D．(m1＋m2－M)×931.5eV【答案】C【解析】在核能計算時，如果質(zhì)量的單位是kg，則用ΔE＝Δmc2進(jìn)行計算，如果質(zhì)量的單位是u，則利用1u相當(dāng)于931.5MeV的能量計算，即ΔE＝Δm×931.5MeV，則該題釋放的能量為ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－M)c2，故選C．重核裂變中核能的計算方法解答這類問題，一般是先根據(jù)核反應(yīng)方程求出一個重核裂變時發(fā)生的質(zhì)量虧損，由質(zhì)能方程計算出釋放的能量，然后用阿伏伽德羅常量把核能與重核質(zhì)量聯(lián)系起來．另外，在計算過程中要注意單位的統(tǒng)一．1．聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變，必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10-15m，這要克服電荷間強(qiáng)大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能．要使原子核具有足夠大的動能，就要給它們加熱，使物質(zhì)達(dá)到幾百萬開爾文的高溫．探究核聚變反應(yīng)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．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．5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別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)簡單得多項目重核裂變輕核聚變原料的蘊(yùn)藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢蓿绕溆糜诤肆炎兊拟?35在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲量非常豐富.1L海水中大約含有0.03g氘，如果用來進(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，人們還不能控制它對核聚變的理解例3

(多選)下列說法正確的是 (

)A．聚變反應(yīng)中有質(zhì)量虧損，所以必向外界放出能量B．要使輕核發(fā)生聚變反應(yīng)，必須使核之間的距離接近到1×10-15m，也就是接近到核力能夠發(fā)生作用的范圍內(nèi)C．要使核發(fā)生聚變反應(yīng)，必須克服核力做功D．熱核反應(yīng)只有在人工控制下才能發(fā)生【答案】AB【解析】由質(zhì)能方程可知，A正確；輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，必須使輕核間的距離達(dá)到核力能發(fā)生作用的范圍，才能使它們緊密地結(jié)合起來，B正確、C錯誤；熱核反應(yīng)必須在很高的溫度下才能發(fā)生，不一定要人工控制，D錯誤．【答案】A對輕核聚變理解的兩個誤區(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)的原因是對聚變和裂變的本質(zhì)沒有理解透徹，裂變時重核分裂成中等核，而聚變是輕核聚合成為次輕核，無直接關(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．這是由對以上核反應(yīng)方程的理解不深刻造成的．這四種方程在形式上很相近，因此判斷時容易混淆出錯，要想正確判斷必須抓住它們的實質(zhì)：核聚變是輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，也會放出中子；重核裂變時鈾核捕獲中子裂變?yōu)閮蓚€或更多個中等質(zhì)量的核，并放出幾個中子；人工轉(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或幾個粒子；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．聚變中核能的計算例4一個質(zhì)子和兩個中子聚變?yōu)橐粋€氚核，已知質(zhì)子質(zhì)量mH＝1.0073u，中子質(zhì)量mn＝1.0087u，氚核質(zhì)量m＝3.018u.(1)寫出聚變方程；(2)釋放出的核能有多大？(3)平均每個核子釋放的能量有多大？1．核聚變反應(yīng)和一般的核反應(yīng)一樣，也遵循電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，這是書寫核反應(yīng)方程式的重要依據(jù)．2．核能的計算關(guān)鍵是求出核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損，然后代入ΔE＝Δmc2進(jìn)行計算．1．核反應(yīng)堆的組成核反應(yīng)堆由堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和防護(hù)層等部分組成．其中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．之所以把它叫作“堆”，是因為世界上第一個核反應(yīng)堆是用石墨塊(用以控制反應(yīng)速度)和金屬鈾塊(反應(yīng)燃料)一層一層交替地“堆”起來而構(gòu)成的．核能利用2．核反應(yīng)堆與原子彈爆炸的比較原子彈爆炸時鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度是無法控制的，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，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．3．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，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．例5

(2023年連云港檢測)關(guān)于核反應(yīng)堆和輕核聚變，下列說法正確的是 (

)A．只要有中子打入鈾塊中就會發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)B．鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)，反應(yīng)激烈時，將鎘棒拔出一些C．普通水能使中子減速D．要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離達(dá)到10-10m以內(nèi)【答案】C【解析】要使鈾塊發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，需要鈾塊達(dá)到臨界體積，A錯誤；鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)，反應(yīng)激烈時，應(yīng)將鎘棒插入一些，B錯誤；反應(yīng)堆中最常使用的慢化劑主要是石墨、重水和普通水，C正確；要使輕核發(fā)生聚變，必須使輕核接近合力發(fā)生作用的距離，需要達(dá)到10-15m以內(nèi)，D錯誤．變式5

(多選)關(guān)于原子核反應(yīng)堆，下面說法正確的是 (

)A．鎘棒是核燃料，裂變時釋放核能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【答案】BD【解析】核燃料即為用濃縮鈾制成的鈾棒，鈾棒裂變時釋放核能；鎘棒具有很強(qiáng)的吸收慢中子的能力，通過控制鎘棒插入的深度來控制鏈?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，B、D正確，A、C錯誤．小練·

隨堂鞏固1．20世紀(jì)60年代，我國以國防為主的尖端科技取得了突破性的發(fā)展.1964年，我國第一顆原子彈試爆成功；1967年，我國第一顆氫彈試爆成功．關(guān)于原子彈和氫彈，下列說法正確的是 (

)A．原子彈和氫彈都是根據(jù)核裂變原理研制的B．原子彈和氫彈都是根據(jù)核聚變原理研制的C．原子彈是根據(jù)核裂變原理研制的，氫彈是根據(jù)核聚變原理研制的D．原子彈是根據(jù)核聚變原理研制的，氫彈是根據(jù)核裂變原理研制的【答案】C【解析】原子彈是根據(jù)重核裂變研制的，而氫彈是根據(jù)輕核聚變研制的，C正確，A、B、D錯誤．2．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)與鈾塊的質(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臨界體積，但鈾核的質(zhì)量無論怎樣，只要組成鈾塊的體積小于臨界體積，則不會發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，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．如果鈾塊的質(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錯誤，C正確．3．(多選)下列關(guān)于聚變的說法正確的是 (

)A．要使聚變產(chǎn)生，必須克服庫侖斥力做