全優(yōu)課堂·物理·選擇性必修第三冊(cè)(人教版) 課件 第5章　4 核裂變與核聚變

第五章原子核4核裂變與核聚變

1.知道重核裂變的產(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(huì)判斷和書寫核裂變、核聚變方程，能計(jì)算核反應(yīng)釋放的能量(重難點(diǎn)).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：核裂變中子相近釋放鏈?zhǔn)椒磻?yīng)最小臨界體積中子源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，就可以容易地控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度．核電站反應(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)流水泥層放射性動(dòng)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．氫彈原子彈核聚變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?chǔ)量豐富；③輕核聚變更為安全、清潔，控制溫度，可控制反應(yīng)，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(chǎng)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(shí)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(gè)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(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2或3個(gè)中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會(huì)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)對(duì)重核裂變的理解例1關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是 (

)A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量B．中子從鈾塊中通過時(shí)，一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)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【答案】D【解析】根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變放能的原理分析可知，裂變時(shí)因鈾核俘獲中子即發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程，其釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時(shí)吸收的能量．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有條件的，即鈾塊的體積必須大于其臨界體積．如果體積小，中子從鈾塊中穿過，碰不到原子核，則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不會(huì)發(fā)生．變式1

(多選)中子的發(fā)現(xiàn)對(duì)認(rèn)識(shí)原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，具有重大的理論意義，也為原子能的利用開辟了道路，可以說中子敲開了人類進(jìn)入原子能時(shí)代的大門．下列核反應(yīng)方程中，X1、X2、X3、X4代表中子的有 (

)【答案】AD解：(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)＝0.2174u.一個(gè)鈾核裂變釋放能量ΔE＝Δm×931.5MeV＝0.2174×931.5MeV≈202.5MeV.方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.2174u＝0.2174×1.6606×10-27kg≈3.6×10-28kg，ΔE＝Δmc2＝3.6×10-28×(3×108)2J＝3.24×10-11J.【答案】B1．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?yàn)槭澜缟系谝粋€(gè)核反應(yīng)堆是由石墨塊(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．核電站2．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(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．對(duì)原子核反應(yīng)堆的理解例3關(guān)于核反應(yīng)堆中用鎘棒控制反應(yīng)速度的原理，下列說法正確的是

(

)A．鎘棒能釋放中子，依靠釋放的多少控制反應(yīng)速度B．用鎘棒插入的多少控制快中子變?yōu)槁凶拥臄?shù)量C．利用鎘棒對(duì)中子吸收能力強(qiáng)的特點(diǎn)，依靠插入的多少控制中子數(shù)量D．鎘棒對(duì)鈾核裂變有一種阻礙作用，利用其與鈾的接觸面積的大小控制反應(yīng)速度【答案】C【解析】鎘棒不是離子源不會(huì)釋放中子，A錯(cuò)誤，也不是減速劑，不能使快中子變?yōu)槁凶?，B、D錯(cuò)誤，鎘棒對(duì)中子有吸收作用，通過中子強(qiáng)度檢測(cè)器檢測(cè)，當(dāng)反應(yīng)太強(qiáng)，鎘棒能自動(dòng)插入，多吸收中子，反之，自動(dòng)抽出，少吸收中子，故鎘棒也叫控制棒，C正確．變式3

(多選)如圖是核電站工作流程圖，關(guān)于核能，下列說法正確的是

(

)A．核反應(yīng)堆可以把核能直接轉(zhuǎn)化為電能B．核反應(yīng)堆利用的是原子核衰變過程產(chǎn)生的能量C．核反應(yīng)生成物的比結(jié)合能大于反應(yīng)物的比結(jié)合能D．水泥防護(hù)層的作用是屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線【答案】CD【解析】核反應(yīng)堆把核能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，再轉(zhuǎn)化為電能，A錯(cuò)誤；核反應(yīng)堆利用的是核裂變過程產(chǎn)生的能量，B錯(cuò)誤；核反應(yīng)堆中發(fā)生核反應(yīng)要放出熱量，則核反應(yīng)生成物的比結(jié)合能大于反應(yīng)物的比結(jié)合能，C正確；水泥防護(hù)層的作用是屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線，D正確．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(dòng)能．要使原子核具有足夠大的動(dòng)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(gè)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(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，太陽就是一個(gè)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)別核反應(yīng)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)單得多核反應(yīng)重核裂變輕核聚變?cè)系奶N(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(duì)核聚變的理解例4

(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(cuò)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(cuò)誤．【答案】D聚變中核能的計(jì)算例5一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子聚變?yōu)橐粋€(gè)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(gè)核子釋放的能量有多大？【答案】D【答案】D小練·

隨堂鞏固1．(多選)關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是 (

)A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量B．中子從鈾塊中通過時(shí)，但不一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)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)要減小D．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【答案】BD【解析】根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變釋放核能的原理分析可知，裂變時(shí)因鈾核俘獲中子即發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程．釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時(shí)吸收的能量．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有條件的，即鈾塊的體積必須大于其臨界體積，如果體積小，中子從鈾塊中穿過時(shí)，碰不到原子核，則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不會(huì)發(fā)生．在裂變反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)均守恒；即核子數(shù)守恒，所以核子數(shù)是不會(huì)減小的，A、C錯(cuò)誤，B正確；重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)，發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能，D正確．【答案】A【解析】熱核反應(yīng)是兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，可在瞬間產(chǎn)生大量熱能，核反應(yīng)方程A正確，B、C、D錯(cuò)誤，故選A．3．(2024年江西開學(xué)考試)我國(guó)“玲龍一號(hào)”(ACP100)是全球首個(gè)陸上商用模塊化小型核反應(yīng)堆，被稱為“核能移動(dòng)充電寶”，可以作為我國(guó)將來的核動(dòng)力航母的動(dòng)力和電能來源．下列說法正確的是 (

)A．“玲龍一號(hào)”核反應(yīng)堆的核燃料是取自海水中的氘B．“玲龍一號(hào)”原理是利用輕核的聚變釋放核能C．“玲龍一號(hào)”是利用重核裂變釋放的核能來發(fā)電D．“玲龍一號(hào)”是利用比結(jié)合能大的核變成比結(jié)合能小的核來獲得核能【答案】C【解析】“玲龍一號(hào)”是利用重核的裂變釋放的核能來發(fā)電，用中子轟擊鈾核裂變成中等質(zhì)量的核，同時(shí)放出幾個(gè)中子，A、B錯(cuò)誤，C正確；中等質(zhì)量的核比結(jié)合能最大，則“玲龍一號(hào)”是利用比結(jié)合能小的核變成比結(jié)合能大的核來獲得核能，D錯(cuò)誤．4．(2024年安慶模擬)根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的預(yù)測(cè)，到2027年全球人工智能行業(yè)的能源消耗將達(dá)到驚人的1.2萬億千瓦時(shí)，可控核聚變可以提供大量的清潔能源，下列關(guān)于核聚變的說法正確的是 (

)A．核聚變過程中釋放能量，因此質(zhì)量數(shù)不守恒B．核聚變反應(yīng)中生成的新核比結(jié)合能大