资源简介

高二物理（人教版2019）
选择性必修 第三册
第五章 原子核
5.4 核裂变与核聚变
CONTENTS
01
核裂变的发现
02
反应堆与核电站
03
核聚变
04
目录
典型例题
典例分析
01
核裂变的发现
原子核
1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的过程中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。
奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释，铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变。
哈恩
迈特纳
弗里施
1.核裂变
????????????????????????+????????????→????????????????????????????+????????????????????????+????????????????
?
（典型的铀核裂变）
德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼
奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释
重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应的过程，叫做核裂变
哈恩
我国的“两弹一星元勋”“中国的原子弹之父”钱三强首先发现铀核的三裂变四裂变现象。
2.链式反应
(1)定义：由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。
(2)发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，
或者铀块的体积大于临界体积(裂变物质能够发生链式反应的最小体积)。
『想一想』
如图为核裂变示意图。
(1)重核裂变是一种天然现象吗？
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
反应后总质量减少3.6×10?28kg, 求： 1Kg铀完全裂变释放的能量。
?
【例题】一个铀核裂变时的核反应方程为： ????????????????????????+????????????→????????????????????????????+????????????????????????+????????????????
?
1kg铀中含有的铀核数为：
1kg铀完全裂变释放的能量为：
1个U235发生裂变亏损质量：
1个U235发生裂变释放的能量：
ΔE=?????????????=3.2×??????????????????J =201 MeV
?
Δm = 3.6×?????????????????kg
?
ΔE=????.????????????×????????24× 3.2×??????????????????J = 8.2×1013J
?
相当于标准煤的质量为：
【例题】已知1kg标准煤完全燃烧释放的热量是2.94×107J，则1Kg铀完全裂变释放的能量相当于多少标准煤完全燃烧释放的热量？
3.核裂变释放大量的能量
原子弹的结构有“内爆式”和“枪式”两种。
美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤．在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里多．广岛市区80%的建筑化为灰烬，64000人丧生，72000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%．长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，占全市37% ．
广岛市—小男孩
长崎市—胖子
为了打破核垄所，最终消灭核武器，1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功。同时，我国政府郑重承诺:中国在任何时候、任何情况下，都不首先使用核武器，不对无核国家或地区使用或威胁使用核武器。我国研制成功原子弹，极大地增强了我国的国防力量。
02
反应堆与核电站
原子核
1.反应堆
控制棒
燃料棒
减速剂
1942年，美籍意大利物理学家费米就主持建立了世界上第一个称为“核反应堆”的装置，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放。
“热中子（慢中子）”核反应堆
反应堆
核心设施：浓缩铀制成的铀棒
减速剂：石墨、重水或普通水，
用于减小中子的速度。
控制棒：镉棒，用于吸收中子，
控制核反应的快慢。
2. 核电站
核电站工作流程
在反应堆外面修建很厚的水泥层，用来屏障裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性。需要装入特制的容器深埋地下。
能量输出：
利用水或者液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。
优缺点：
（1）优点：①污染小；②可采储量大；③比较经济。
（2）缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染；
②核废料处理困难。
核污染的处理：
核反应堆各组成部分在核反应中的作用
03
核聚变
原子核
1. 核聚变
????????????+????????????→????????????????+????????????+????????.????????????????
?
两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。
核聚变条件：
使原子核间的距离达到10-15m
实现的方法：
把原子核加热到温度达到几百万开尔文
核聚变又叫热核反应
2. 核聚变的利用—氢弹
普通炸药
Ｕ235
氘、氚
爆炸
裂变
聚变
12H+13H→24He+01n+17.6MeV
?
1967年6月17日，我国首枚氢弹爆炸成功
不可控！
3. 核聚变普遍存在于宇宙中
恒星
热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。
太阳聚变反应
4.可控核聚变
优点：①产能效率高；②燃料储量丰富；③聚变更为安全、清洁
难点：聚变温度太高，没有任何容器能经受住
解决方案1-磁约束：带电粒子运动时，在匀强磁场中会由于洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质，这就是磁约束。
托卡马克装置
解决方案2-惯性约束：利用核聚变物质的惯性进行约束。在惯性约束下，可以用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射参加反应物质，使它们“挤”在一起发生反应。由于核聚变反应的时间非常短，被“挤”在一起的核聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。
04
典例分析
原子核
『判一判』
(1)只要铀块的体积大于临界体积，就可以发生链式反应。 (　　)
(2)中子从铀块中通过时，一定发生链式反应。 (　　)
(3)重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小。 (　　)
(4)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。 (　　)
(5)核反应堆用过的核废料无毒无害。 (　　)
×　
×　
×　
√　
×　
思考辨析
【例题】我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图)2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础.下列关于聚变的说法正确的是（ ）
A.核聚变比核裂变更为安全、清洁
B.任何两个原子核都可以发生聚变
C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加
D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
解析：
AD
与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易发现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；
两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，核子的比结合能增加，D正确。
【例题】一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法中正确的是（ ）
A.这个反应的核反应方程是
B.这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应
C.辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2
解析：
A
核反应方程满足质量数和电荷数守恒，故A正确；该反应为聚变反应，故B错误；
聚变反应中亏损的质量转化为能量，以光子的形式放出，故光子能量为E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C错误；
1、 (多选)关于重核裂变的说法正确的是(　　)
A.重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多
B.只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应
C.为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子
D.裂变过程中释放能量，质量亏损
AD
2、铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是(　　)
A.铀块的质量是重要因素，与体积无关
B.为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子
C.若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生
D.裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关
C
小试牛刀
3、如图所示是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是(　　)
A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B．快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，
变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
B
4、关于核反应堆，下列说法正确的是(　 　)
A.铀棒是核燃料，裂变时释放核能
B.镉棒的作用是控制反应堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能
ABD
5、关于核聚变的说法正确的是(　　)
A.聚变是裂变的逆反应
B.如果裂变释放能量，则聚变反应一定吸收能量
C.聚变反应须将热核燃料加热到数百万度以上的温度，显然是吸热反应
D.聚变和裂变都可以释放出巨大的能量
D
6、关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是(　　)
A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B.聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大
C.聚变反应中粒子的比结合能变小
D.聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加
B
小试牛刀

展开更多......

收起↑