2024-2025學(xué)年高中物理第4章第5節(jié)裂變和聚變教案粵教版選修3-5

PAGE1-第五節(jié)裂變和聚變[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道核裂變和核聚變的概念，知道重核裂變和輕核聚變中能釋放出巨大的能量．(重點(diǎn))2.知道什么是鏈?zhǔn)椒磻?yīng).3.知道核聚變反應(yīng)及受控?zé)岷朔磻?yīng).4.會(huì)計(jì)算重核裂變、輕核聚變過(guò)程中釋放出的能量．(重點(diǎn)、難點(diǎn))一、核裂變與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)1．核裂變重核分裂成兩個(gè)較輕的核時(shí)，釋放出能量，這種核反應(yīng)叫做核裂變．2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)為了使裂變產(chǎn)生的能量可以被利用，必需讓一個(gè)核的裂變能夠引發(fā)一個(gè)或一個(gè)以上的核發(fā)生裂變，讓裂變過(guò)程自己持續(xù)下去，源源不斷地將核能釋放出來(lái)，這樣的核反應(yīng)叫做鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．3．典型的鈾核裂變(1)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)n(2)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二、受控?zé)岷朔磻?yīng)1．核聚變(1)定義：兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，并釋放出能量的反應(yīng)．(2)舉例：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV.(3)條件：①輕核的距離要達(dá)到10－15_m以?xún)?nèi)．②須要加熱到很高的溫度，因此又叫熱核反應(yīng)．2．受控?zé)岷朔磻?yīng)人工的熱核反應(yīng)可以通過(guò)原子彈爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫來(lái)達(dá)到．氫彈就是這樣制成的．假如要使巨大的熱核反應(yīng)能量不是以爆炸的形式釋放，而是在人工限制下漸漸地釋放出來(lái)并加以利用(例如發(fā)電)，這稱(chēng)為受控?zé)岷朔磻?yīng)．3．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)輕核聚變更為平安、清潔．4．約束方法磁約束和慣性約束．1．正誤推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)鈾核裂變時(shí)，可以放出多個(gè)中子． (√)(2)裂變物體的體積小于臨界體積時(shí)，不行能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)． (√)(3)核聚變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量比裂變時(shí)小一些． (×)(4)輕核的聚變只要達(dá)到臨界質(zhì)量就可以發(fā)生． (×)(5)現(xiàn)在地球上消耗的能量絕大部分來(lái)自太陽(yáng)內(nèi)部的聚變反應(yīng)． (√)2．下列屬于原子核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的是()A．核電站發(fā)電 B．自然氣的形成C．石油的形成 D．利用太陽(yáng)能發(fā)電A[核電站是利用原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)電的，A選項(xiàng)正確；石油和自然氣的形成是困難的過(guò)程，屬于化學(xué)改變，B、C選項(xiàng)錯(cuò)誤；太陽(yáng)能輻射是以熱傳遞的形式傳遞熱量，D選項(xiàng)錯(cuò)誤．]3．據(jù)《每日郵報(bào)》報(bào)道，英國(guó)一名13歲的小學(xué)生近日宣布自己在學(xué)校試驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了核聚變．他表示用氘聚變氦的過(guò)程中檢測(cè)到了中子，證明聚變勝利，成為世界上實(shí)現(xiàn)聚變的最年輕的人．下面列出的核反應(yīng)方程，屬于聚變的是()A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)nB.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeC.eq\o\al(15,7)N＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(4,2)HeD.eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)nA[輕核聚變是指輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，并釋放出核能的反應(yīng)，所以由此可知A是輕核聚變，B是α衰變，C、D是原子核的人工轉(zhuǎn)變，B、C、D選項(xiàng)錯(cuò)誤，A選項(xiàng)正確．]重核裂變1.裂變的說(shuō)明(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(shí)放出2～3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(lái)越多的核能．(3)能量：重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量，一般說(shuō)來(lái)，平均每個(gè)核子放出的能量約為1MeV,1kg鈾全部裂變放出的能量相當(dāng)于2500t優(yōu)質(zhì)煤燃燒時(shí)釋放的能量．裂變時(shí)能產(chǎn)生幾百萬(wàn)度的高溫．2．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．以上兩個(gè)條件滿(mǎn)意一個(gè)，則另一個(gè)條件自動(dòng)滿(mǎn)意．【例1】關(guān)于重核的裂變，以下說(shuō)法正確的是()A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量B．中子從鈾塊中通過(guò)時(shí)，肯定發(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)要削減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D[重核裂變釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時(shí)汲取的能量．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有條件的，即鈾塊的體積必需大于或等于其臨界體積，假如體積小于臨界體積，中子可能從鈾塊中穿過(guò)，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)是守恒的，而核子數(shù)等于質(zhì)量數(shù)，綜上可知A、B、C均錯(cuò)．]對(duì)重核裂變的兩點(diǎn)理解1．重核裂變是中子轟擊質(zhì)量數(shù)較大的原子核，使之分裂成中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)釋放大量的能量，放出更多的中子的過(guò)程．2．重核的裂變是放能核反應(yīng)，緣由是核反應(yīng)前后質(zhì)量有虧損，根本緣由是重核的比結(jié)合能相比中等質(zhì)量的核的比結(jié)合能要小．訓(xùn)練角度1：對(duì)重核裂變的理解1．鈾核裂變時(shí)，對(duì)于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的重要因素，下列說(shuō)法中正確的是()A．鈾塊的質(zhì)量是重要因素，與體積無(wú)關(guān)B．為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)簡(jiǎn)單發(fā)生，最好干脆利用裂變時(shí)產(chǎn)生的中子C．若鈾235的體積超過(guò)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(wú)關(guān)C[要使鈾核裂變產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，鈾塊的體積必需大于臨界體積，但鈾塊的質(zhì)量無(wú)論怎樣，只要組成鈾塊的體積小于臨界體積，則不會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的中子為快中子，這些快中子不能干脆引發(fā)新的裂變，假如鈾塊的質(zhì)量大，則其體積大，若超過(guò)臨界體積則發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，由此知A、B、D錯(cuò)誤，C正確．]訓(xùn)練角度2：裂變中核能的計(jì)算2．用中子轟擊鈾核(eq\o\al(235,92)U)，其中的一個(gè)可能反應(yīng)是分裂成鋇(eq\o\al(141,56)Ba)和氪(eq\o\al(92,36)Kr)兩部分，放出3個(gè)中子．各個(gè)核和中子的質(zhì)量如下：mU＝390.3139×10－27kg，mn＝1.6749×10－27kg，mBa＝234.0016×10－27kg，mKr＝152.6047×10－27kg.試寫(xiě)出核反應(yīng)方程，算出反應(yīng)中釋放的核能．[解析]此鈾核裂變方程為eq\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則核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.3578×10－27由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程可得反應(yīng)中釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝0.3578×10－27×(3.0×108)2J＝3.2202×10－11J[答案]eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(235,92)U→eq\o\al(141,)56Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n3.2202×10－11J輕核聚變1.聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變，必需使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15m2．輕核聚變是放能反應(yīng)從平均結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后平均結(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(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．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．【例2】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＝3.0180u.(1)寫(xiě)出聚變方程；(2)釋放出的核能為多大？(3)平均每個(gè)核子釋放的能量是多大？[解析](1)聚變方程：eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H.(2)質(zhì)量虧損Δm＝mH＋2mn－m＝(1.0073＋2×1.0087－3.0180)u＝0.0067u釋放的核能ΔE＝0.0067×931MeV≈6.24MeV.(3)平均每個(gè)核子放出的能量為eq\f(6.24,3)MeV＝2.08MeV.[答案]見(jiàn)解析1．核聚變反應(yīng)和一般的核反應(yīng)一樣，也遵循電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，這是書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程式的重要依據(jù)．2．輕核聚變釋放核能的計(jì)算方法(1)依據(jù)質(zhì)量虧損計(jì)算．依據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損(Δm)乘以真空中的光速(c＝3×108m/s)的平方，即ΔE＝Δ訓(xùn)練角度1：對(duì)聚變的理解3．下列關(guān)于聚變的說(shuō)法中，不正確的是()A．要使聚變產(chǎn)生，必需克服庫(kù)侖斥力做功B．輕核聚變須要幾百萬(wàn)攝氏度的高溫，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(wàn)攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)D．自然界中不存在自然的熱核反應(yīng)D[輕核聚變時(shí)，必需使輕核之間距離達(dá)到10－15m訓(xùn)練角度2：聚變核能的計(jì)算4．大科學(xué)工程“人造太陽(yáng)”主要是將氘核聚變反應(yīng)釋放的能量用來(lái)發(fā)電．氘核聚變反應(yīng)方程是：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n.已知eq\o\al(2,1)H的質(zhì)量為2.0136u，eq\o\al(3,2)He的質(zhì)量為3.0150u，eq\o\al(1,0)n的質(zhì)量為1.0087u,1u＝931MeV/c2.氘核聚變反應(yīng)中釋放的核能約為()A．3.7MeV B．3.3MeVC．2.7MeV D．0.93MeVB[在核反應(yīng)方程eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n中，反應(yīng)前物質(zhì)的質(zhì)量m1＝2×2.0136u＝4.0272u，反應(yīng)后物質(zhì)的質(zhì)量m2＝3.0150u＋1.0087u＝4．0237u，質(zhì)量虧損Δm＝m1－m2＝0.0035u.則氘核聚變釋放的核能為E＝931×0.0035MeV≈3.3MeV，選項(xiàng)B正確．]課堂小結(jié)知識(shí)脈絡(luò)1.核裂變：重核分裂為質(zhì)量較小的核，釋放出核能的反應(yīng).2.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代接著下去的過(guò)程.3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于臨界體積，或裂變物質(zhì)的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量.4.兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫核聚變．約束核聚變材料的方法有磁約束和慣性約束.1．裂變反應(yīng)中釋放出的能量來(lái)自于()A．核子消逝轉(zhuǎn)化為能量B．原子中電子與原子核的電勢(shì)能減小C．入射的中子消逝轉(zhuǎn)化為能量D．原子核的比結(jié)合能變大，釋放出能量D[核反應(yīng)過(guò)程中，核子數(shù)守恒，中子并未消逝，故選項(xiàng)A、C均錯(cuò)誤；能量來(lái)源于原子核內(nèi)部，因重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時(shí)，比結(jié)合能增加而釋放出能量，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤，D正確．]2．1938年德國(guó)化學(xué)家、物理學(xué)家哈恩等發(fā)覺(jué)用中子轟擊鈾核的產(chǎn)物中含有中等質(zhì)量的原子核鋇和氪，這種現(xiàn)象稱(chēng)為核裂變，其反應(yīng)方程為eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3X.下列說(shuō)法正確的是()A．核反應(yīng)方程中的X為質(zhì)子B．核反應(yīng)方程中的X為電子C．由核反應(yīng)方程可得鋇核的比結(jié)合能比鈾核的比結(jié)合能大D．此核反應(yīng)能自動(dòng)持續(xù)下去，故鈾塊的體積對(duì)于維持核反應(yīng)是無(wú)關(guān)緊要的C[依據(jù)核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可得核反應(yīng)方程中的X為中子eq\o\al(1,0)n，A、B錯(cuò)誤；依據(jù)教材中原子核的比結(jié)合能曲線可知，鋇核的比結(jié)合能比鈾核的比結(jié)合能大，C正確；假如鈾塊的體積小于臨界體積，此核反應(yīng)不能自動(dòng)持續(xù)下去，鈾塊的體積對(duì)于維持該反應(yīng)是很重要的，D錯(cuò)誤．]3．(多選)我國(guó)科學(xué)家研制“兩彈”所涉及到的基本核反應(yīng)方程有：(1)eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(136,54)Xe＋keq\o\al(1,0)n.(2)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋deq\o\al(1,0)n.關(guān)于這兩個(gè)方程的下列說(shuō)法，正確的是()A．方程(1)屬于α衰變B．方程(1)屬于重核裂變C．方程(2)屬于輕核聚變D．方程(1)中k＝10，方程(2)中d＝1BCD[方程(1)屬于重核裂變，A選項(xiàng)錯(cuò)誤，B選項(xiàng)正確；方程(2)屬于輕核聚變，C選項(xiàng)正確；依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知，方程(1)中k＝10，方程(2)中d＝1，D選項(xiàng)正確．]4．(2024·全國(guó)卷Ⅱ)太陽(yáng)內(nèi)部核反應(yīng)的主要模式之一是質(zhì)子－質(zhì)子循環(huán)，循環(huán)的結(jié)果可表示為4eq\o\al(1,1)H