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高中物理选择性必修第三册 第五章 原子核
5.4 核裂变与核聚变
秦山核电站
思考：核能作为一种新型能源，在人类的发展过程中所起的作用越来越重要。核反应堆中发生着怎样的核反应？
高中物理选择性必修第三册 第五章 原子核
1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。
1.核裂变：
铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。
核能的释放：由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中等质量的原子核时，会发生质量亏损，释放核能。

2.一种典型的铀核裂变
一、核裂变的发现

一、核裂变的发现

铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有:
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我国科学家钱三强、何泽慧夫妇于1947年在实验中发现铀核也可能分裂为三部分或四部分，其概率大约是分裂为两部分的概率的 1/300 和1/ 5 000 。
3.链式反应
①定义：重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫链式反应。
②条件：
(1)铀块的体积大于或等于临界体积。
(2)有足够浓度的铀235。
(3)有足够数量的慢中子。
4.裂变反应的能量:
一个铀235核裂变时释放的能量如果按200MeV估算，1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万摄氏度的高温。
一、核裂变的发现
例1. 关于重核的裂变，以下说法正确的是(　　)
A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应
C．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
D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
解析：重核发生裂变是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量，A错误。链式反应是有条件的，如果铀块体积小于其临界体积，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生，B错误。在裂变反应中核子数是不会减小的，C错误。 D正确。
D
一、核裂变的发现
解析　裂变反应的质量亏损为
Δm＝(235.0439＋1.0087－140.9139－91.8973－3×1.0087) u＝0.215 3 u.
一个铀235原子核裂变后释放的能量为
ΔE＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV.
一、核裂变的发现
(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于完全燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107 J/kg)

解析　1 kg铀235原子核中含原子核的个数为
1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量
ΔEN＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV.
设完全燃烧的煤的质量为m，有ΔEN＝qm，
一、核裂变的发现

1.核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成：
(1)燃料：铀棒。
(2)慢化剂：为了使裂变产生的快中子减速，便于铀核能“捉”住它。常用的慢化剂有石墨、重水和普通水(也叫轻水)。
(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。
二、反应堆与核电站
⑷水泥防护层：屏蔽射线防止放射性污染。
2.工作原理
核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高，水或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，同时也使反应堆冷却。
3.核污染的处理
在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线.核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下.
二、反应堆与核电站
核电站的主要部件及作用
组成部分
材料
作用
裂变材料(核燃料)
浓缩铀
提供核燃料
减速剂(慢化剂)
石墨、重水或普通水
(也叫轻水)
使裂变产生的快中子减速
控制棒
镉棒
吸收中子，控制反应速度
热交换器
水或液态的金属钠
传输热量
防护层
厚水泥层
防止放射线泄露，对人体及其他生物体造成伤害
二、反应堆与核电站
例3　如图是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是
A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B.快中子跟慢化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
√
二、反应堆与核电站
1.定义
两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变.
2.核反应方程
三、核聚变
一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3-4倍。
其他聚变反应方程:
要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15 m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？
当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变。因此，核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。
⑵对物质加热到很高的温度108～109K
⑴用加速器加速原子核
三、核聚变
3.核聚变发生的条件
6.核聚变与核裂变的比较
(1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘和氚的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁.
(2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受
如此高的温度.
解决方案：磁约束和惯性约束.
4.宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能.
5.人工热核反应：氢弹.首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸.
三、核聚变
⑴磁约束：
带电粒子运动时在均匀磁场中受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。
托卡马克装置
⑵惯性约束
由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。
惯性约束示意图
三、核聚变

1、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
√
√
课堂练习

2、已知氘核的平均结合能为1.1 MeV，氦核的平均结合能为7.1 MeV，则两个氘核结合成一个氦核时
A.释放出4.9 MeV的能量
B.吸收4.9 MeV的能量
C.吸收24.0 MeV的能量
D.释放出24.0 MeV的能量
√
课堂练习

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