第4节 核裂变和核聚变(课件 学案 练习,共3份)鲁科版(2019) 选择性必修 第三册

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第4节 核裂变和核聚变(课件 学案 练习,共3份)鲁科版(2019) 选择性必修 第三册

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第4节 核裂变和核聚变
1~7题每题7分,共49分
考点一 重核的裂变及链式反应
1.原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的,在极短的时间内能够释放大量的核能,发生猛烈爆炸。下列核反应方程式中属于原子弹爆炸的核反应方程式的是 (  )
A.He
B.nSr+1n
C.HHe
D.HHen
2.(2023·山东省青岛中学高二月考)铀核裂变时,对于产生链式反应的重要因素,下列说法中正确的是 (  )
A.若铀235的体积小于它的临界体积,裂变的链式反应就能够发生
B.为了使裂变的链式反应容易发生,最好直接利用裂变时产生的中子
C.镉棒也叫控制棒,用来调节中子数目以控制反应速度
D.能否发生链式反应与铀块的体积无关
3.(多选)(2023·汕头市月考)月球储藏大量可控核聚变理想燃料氦3(),2020年12月1日,我国嫦娥五号探测器成功着陆月面后开始“挖土”并成功带回地面供科学研究。核聚变反应方程为HHe+X或HeHe+Y。下列说法正确的是 (  )
A.X是中子
B.Y是正电子
C.核聚变过程发生质量亏损,释放核能
D.比的原子核更稳定
4.(多选)如图甲所示,2020年11月27日00时41分,华龙一号全球首堆中核集团福清核电5号机组首次并网成功。如图乙所示是原子核的平均结合能与质量数的关系图,下列说法正确的是 (  )


A.核反应中,质量数守恒,电荷数守恒
B.华龙一号的原理是核聚变
C.原子核结合能越大,原子核越稳定
D.核裂变反应发生后,核子的平均质量减小
考点二 轻核聚变与可控热核反应
5.2020年12月4日,我国自主设计建造的新一代“人造太阳”——中国环流器二号M装置(HL-2M)在成都建成并实现首次放电,标志着中国核聚变发展获得重大突破。关于核聚变和核能,下列说法正确的是 (  )
A.核聚变通常需要几百万开尔文以上的超高温,又称热核反应
B.太阳辐射的能量来源于核聚变,核聚变又称链式反应
C.一个氘核和一个氚核聚变的方程为:HHee
D.核子平均质量越大,原子核越稳定
6.(多选)中国“氢弹之父”于敏获得2014年度国家最高科学技术奖。氢弹是利用原子弹爆炸的能量引发氢的同位素的聚变反应而瞬时释放出巨大能量的核武器。下列有关氢弹爆炸可能出现的核反应及说法正确的是 (  )
A.nKr+n
B.HHen
C.轻核聚变过程中无质量亏损
D.氢弹爆炸后不会产生放射性污染
7.大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是HHen。已知的质量为2.013 6 u,的质量为3.015 0 u,的质量为1.008 7 u,1 u相当于931 MeV的能量。氘核聚变反应中释放的核能约为 (  )
A.3.7 MeV B.3.3 MeV
C.2.7 MeV D.0.93 MeV
8~11题每题9分,12题15分,共51分
8.(多选)太阳的能量来源是轻核的聚变,太阳中存在的主要元素是氢,核聚变反应可以看作是4个氢核()结合成1个氦核同时放出2个正电子。下表中列出了部分粒子的质量(取1 u=×10-26 kg,c=3.0×108 m/s),以下说法正确的是 (  )
粒子名称 质子(p) α粒子 正电子(e)
质量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55
A.核反应方程为HHe+e
B.4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为0.026 6 kg
C.4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为4.43×10-29 kg
D.聚变反应过程中释放的能量约为4.0×10-12 J
9.(多选)(2023·福建师大二附中高二期末)太阳能发光并且辐射出巨大的能量是因为内部核聚变的结果。氘、氚的核聚变反应方程为:HHe+X,聚变反应过程中质量亏损约为0.018 9 u,已知氘核、氦核的比结合能分别是:1.09 MeV、7.03 MeV,1 u=931 MeV/c2,下列说法正确的是(  )
A.X为正电子
B.聚变反应中释放的核能约为17.6 MeV
C.氚核的结合能为43.54 MeV
D.氚核的比结合能2.78 MeV
10.(2020·全国卷Ⅱ)氘核H可通过一系列聚变反应释放能量,其总效果可用反应式H→He+H+n+43.15 MeV表示。海水中富含氘,已知1 kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个,若全都发生聚变反应,其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等;已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J,1 MeV= 1.6×10-13 J,则M约为 (  )
A.40 kg B.100 kg
C.400 kg D.1 000 kg
11.(2023·大连市高二期中)传染病的传播过程十分复杂,但是可以构建最简单的传播模型来描述,这个最简模型可称为链式模型,类似于核裂变链式反应模型,铀核裂变的核反应方程为nKr+n,裂变后产生的中子能继续发生反应的次数称为链式反应的“传染系数”,下列说法正确的是 (  )
A.从铀核裂变的核反应方程看,“传染系数”为2
B.核反应堆中通过镉棒吸收中子降低“传染系数”
C.链式反应的临界值对应的实际“传染系数”为3
D.核反应堆中的实际“传染系数”与铀浓度无关
12.(15分)(2023·南充市高二期末)已知1 L海水中可提取0.03 g的氘(),氘核和氦核()的质量分别为2.014 1 u和4.002 6 u,1 u=931.5 MeV,氘的摩尔质量为2 g/mol,NA=6.02×1023 mol-1。求:
(1)(9分)1 L海水中的氘全部聚变为氦,能释放出多少MeV的能量
(2)(6分)1 kg无烟煤完全燃烧释放的能量为3.35×107 J,则1 L海水中的氘全部聚变所放出的能量相当于多少kg的无烟煤完全燃烧所释放的能量
答案精析
1.B
2.C [要使铀核裂变产生链式反应,铀块的体积必须大于等于临界体积或铀块的质量大于等于临界质量;裂变反应中产生的中子为快中子,这些快中子不能直接引发新的裂变;镉棒吸收中子的能力很强,在核反应中用来调节中子数目以控制反应速度,所以C正确,A、B、D错误.]
3.AC [根据核反应的质量数守恒和电荷数守恒可知,X的质量数为1,电荷数为0,则X为中子;Y的质量数为1,电荷数为1,则Y为质子,A正确,B错误;核聚变过程发生质量亏损,释放核能,C正确;因反应放出核能,则比的原子核更稳定,D错误。]
4.AD [核反应遵守质量数守恒和电荷数守恒,故A正确;华龙一号的原理是重核的裂变反应,故B错误;原子核的平均结合能越大,原子核越稳定,故C错误;核裂变反应发生后,会释放能量,有质量损失,所以核子的平均质量减小,故D正确。]
5.A [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,碰撞时接近到10-15 m而发生核聚变,因此,核聚变又叫热核反应,故A正确;太阳辐射的能量来源于核聚变,而链式反应发生在核裂变中,故B错误;该方程不符合质量数守恒和电荷数守恒,故C错误;原子核中核子平均质量越小,比结合能越大,原子核越稳定,故D错误。]
6.AB [氢弹是利用原子弹爆炸的能量引发氢的同位素的聚变反应而瞬时释放出巨大能量的核武器,A、B正确;聚变反应和裂变反应都有质量亏损,氢弹爆炸时存在核裂变反应,会产生放射性污染,C、D错误。]
7.B [在核反应中,反应前物质的质量
m1=2×2.013 6 u=4.027 2 u
反应后物质的质量m2=3.015 0 u+1.008 7 u=4.023 7 u
质量亏损Δm=m1-m2=0.003 5 u,
则氘核聚变释放的核能为
E=931×0.003 5 MeV≈3.3 MeV,故选B。]
8.ACD [由核反应的质量数守恒及电荷数守恒得HHe+e,故A正确;核反应中的质量亏损为Δm=4mp-mα-2me=(4×1.007 3-4.001 5-2×0.000 55) u=0.026 6 u≈4.43×10-29 kg,故C正确,B错误;由质能方程得ΔE=Δmc2=4.43×10-29×(3.0×108)2 J≈4.0×10-12 J,故D正确。]
9.BD [聚变反应前后遵循质量数守恒和电荷数守恒,可知X的质量数为1,电荷数为0,即X为中子,故A错误;根据质能方程,核反应中释放的核能为ΔE=Δmc2=0.018 9×931 MeV≈17.6 MeV,故B正确;由能量守恒定律,可得氚核的结合能为ΔE1= MeV=8.34 MeV,则氚核的比结合能为ΔE1'= MeV=2.78 MeV,故C错误,D正确。]
10.C [根据核反应方程式,6个氘核聚变反应可释放出43.15 MeV的能量,1 kg海水中的氘核反应释放的能量为E=×43.15 MeV≈7.19×1022 MeV≈1.15×1010 J,则相当于燃烧的标准煤的质量为M= kg≈400 kg,故选C。]
11.B [核反应遵循电荷数守恒及质量数守恒,可得R=3,即从铀核裂变的核反应方程看“传染系数”为3,选项A错误;核反应堆中通过镉棒吸收中子,减少轰击铀核的中子数,最终起到降低实际“传染系数”的作用,选项B正确;在链式反应中,当实际“传染系数”R≥1时,反应才能持续下去,当实际“传染系数”R<1时,反应将趋于停滞,即R=1是链式反应持续下去的临界值,选项C错误;核反应堆中调整铀浓度来控制实际“传染系数”,选项D错误。]
12.(1)1.077×1023 MeV (2)514 kg
解析 (1)2个氘聚变为氦释放的核能为
ΔE=(2×2.014 1-4.002 6)×931.5 MeV=23.846 4 MeV
0.03 g的氘中含有氘核的数目为
NH=NA=×6.02×1023=9.03×1021,
所以1 L海水中氘全部聚变为氦,释放能量为
E=ΔE≈1.077×1023 MeV=1.723 2×1010 J
(2)释放1.723 2×1010 J的能量需要燃烧无烟煤的质量为m'= kg≈514 kg。第4节 核裂变和核聚变
[学习目标] 1.知道什么是裂变、聚变和链式反应,知道链式反应和聚变的条件(重点)。2.会书写裂变和聚变方程,会利用质量亏损计算裂变和聚变产生的核能(重难点)。3.了解核反应堆的工作原理,知道如何控制核反应的速度。
一、重核裂变、链式反应
1964年10月16日,中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功,其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化,在半径400 m的范围内,沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质,半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。
巨大的核能是从哪里来的?
                                     
1.重核的裂变
(1)用中子轰击铀核,铀核分裂成质量相近的两部分,并释放出    ,这种核反应过程称为核裂变。
一种常见的核反应方程
nKr+    。
(2)在不同的裂变反应中,核释放的能量也不同。如果按照一个核裂变时释放200 MeV的能量来估算,1 kg的全部裂变释放出的核能相当于两千余吨标准煤完全燃烧释放的能量。
2.链式反应
(1)定义:在核裂变释放出巨大能量的同时,平均每次可以放出    个中子,这些中子称为第1代中子,如果其中至少有一个继续轰击,使之发生裂变,就能产生第2代中子,这样不断继续下去,中子会不断    ,裂变反应就会不断加强,就形成了裂变的链式反应。
(2)能够发生链式反应的铀块的    体积称为临界体积。
1.如图所示为核裂变示意图。
(1)重核裂变是一种天然现象吗?
(2)铀核裂变的产物(核反应方程)是唯一的吗?
(3)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗?
                                     
                                     
2.总结链式反应的条件。
                                     
(1)核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量。(  )
(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,所以核子数要减少。(  )
(4)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。(  )
例1 2020年11月27日0时41分,“华龙一号”福清核电站5号机组首次并网成功,标志着我国正式进入核电技术先进国家行列。“华龙一号”利用的是铀核裂变释放的核能,其裂变方程为n→XSr+n,则下列叙述正确的是(  )
A.裂变后粒子的总核子数减少
B.X原子核中含有85个中子
C.裂变反应前后质量没有变化
D.裂变后新核的平均结合能比铀核的小
例2 (2023·唐山市高二月考)受中子轰击时会发生裂变,产生和,同时放出200兆电子伏特的能量。现要建设发电能力为10万千瓦的核电站,用铀235作为燃料。假设核裂变释放的能量的50%转化为电能。
(1)写出核反应方程;
                                     
                                     
(2)求一天需要纯铀235的质量。(阿伏伽德罗常数NA=6.02×1023 mol-1)
                                     
                                     
1.重核裂变是中子轰击质量较大的原子核,使之分裂成中等质量的原子核,同时释放大量的能量,放出更多的中子的过程。
2.重核的裂变是放能核反应,原因是核反应前后有质量亏损,根本原因是重核的平均结合能相比中等质量的核的平均结合能要小。所以在重核裂变为两个中等质量核的过程中要释放能量,而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。
3.重核的裂变方程仍然符合质量数守恒和电荷数守恒。
二、轻核聚变与可控热核聚变
“大海航行靠舵手,万物生长靠太阳。”没有太阳,地球上就不可能有姿态万千的生命现象。当然也不会孕育出作为智能生物的人类。
太阳是靠什么为地球生命提供巨大能量的呢?
                                     
                                     
1.轻核聚变
(1)采用轻核    成较重核引起结合能变化的方式可获得    ,这样的核反应称为核聚变。
(2)太阳内部的核聚变:太阳内部氢核聚变的反应方程为H→                   ,平均每个核子释放的结合能约为3.5 MeV,要比裂变中平均每个核子释放的能量    。
(3)轻核聚变的优点:聚变反应不仅能释放    的能量,而且所用的燃料氘和氚容易    。氘可从海水中提取,天然的氚不存在,但可通过核反应LiHe+     得到。
2.可控热核聚变
(1)热核聚变的条件:要使轻核发生聚变,必须使它们的间距达到    作用的范围。以氘核发生聚变为例,必须在大约   K高温下,使氘核获得至少70 keV的动能才能达到核力作用的范围而发生核聚变。
(2)物质第四态:轻核聚变温度达到108 K,在这样的高温下,原子已完全电离,形成了物质第四态——等离子态。
(3)约束高温等离子体的三种方式:引力约束、    、惯性约束。
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温?
                                     
例3 (2023·莆田市高二月考)2021年5月28日,在中科院合肥物质科学研究院,有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造新的世界纪录,成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,向核聚变能源应用迈出重要一步。下列关于聚变的说法正确的是(  )
A.任何两个原子核都可以发生聚变
B.两个轻核结合成质量较大的核,总质量较聚变前减小
C.两个轻核结合成质量较大的核,核子的平均结合能减小
D.核聚变比核裂变更为安全、清洁,是目前利用核能的主要方式
例4 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应,这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。已知质子质量为mH=1.007 3 u,氦核质量为mHe=4.001 5 u,电子质量为me=0.000 55 u,1 u相当于931.5 MeV的能量,真空中的光速c=3×108 m/s。
(1)写出这个核反应方程;
                                     
                                     
                                     
(2)这一核反应能释放多少能量?
(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J,则太阳每秒减少的质量为多少千克?
                                     
                                     
                                     
                                     
1.核聚变反应和一般的核反应一样,也遵循电荷数守恒和质量数守恒,这是书写核反应方程式的重要依据。
2.核聚变反应一般只能在轻核之间发生,如氢的同位素氘和氚,它们原子核间的静电斥力最小,容易发生聚变反应生成新的质量更重的原子核。
3.由于轻核聚变需要非常高的温度,因此重核的裂变仍然是当前核能的主要利用方式。
答案精析
一、
铀核的裂变。
梳理与总结
1.(1)能量 n
2.(1)2~3 增加 (2)最小
思考与讨论
1.(1)重核裂变不能自发地进行,只能发生在人工控制的核反应中,所以重核裂变不是一种天然现象。
(2)不是唯一的。铀核裂变的产物(核反应方程)是多种多样的。
(3)不是。有中子轰击铀块且铀块的体积大于等于临界体积,才会发生链式反应。
2.(1)铀块的体积大于等于临界体积或铀块的质量大于等于临界质量。
(2)有慢中子轰击。
(3)有足够浓度的铀235。
易错辨析 (1)× (2)× (3)× (4)√
例1 B [核反应过程中,质量数守恒,所以裂变后粒子的总核子数不变,A错误;设X原子核中有x个质子,质量数为y,则92=x+38,235+1=y+95+1×2,解得x=54,y=139,所以X原子核中含有中子数为y-x=85,B正确;裂变释放核能,所以有质量亏损,C错误;裂变释放核能是因为新核的平均结合能比铀核的大,新核较稳定,D错误。]
例2 (1) nKr +n (2)0.21 kg
解析 (1)核反应方程为 nKr +n
(2)每一天的发电量为
E=Pt=10×104×103×24×3 600 J=8.64×1012 J
消耗的铀235核的个数为
n==个=5.4×1023个
一天需要的纯铀235的质量为
m=M=×235×10-3 kg≈0.21 kg。
二、
现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应。
梳理与总结
1.(1)聚变 核能 (2Hen 大得多
(3)巨大 获得H
2.(1)核力 108 (3)磁约束
思考与讨论
轻核的聚变反应,是两个轻核结合成质量较大的核,要使得核力发挥作用,必须使核子间的距离达到10-15 m以内;同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大,因而需要核子有很大的动能才能克服,表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。
例3 B [只有两个质量较小的原子核才可以聚变成一个中等质量的原子核,并不是任何两个原子核都可以发生聚变,A错误;核聚变反应会放出大量的能量,根据质能方程可知反应会发生质量亏损,两个轻核结合成质量较大的核,总质量较聚变前减小,平均结合能增大,B正确,C错误;核聚变的最终产物是氦,无污染,而核裂变产生的固体核废料具有放射性,因此核聚变更加清洁和安全,但是还不是目前利用核能的主要方式,D错误。]
例4 (1)HHe+e (2)24.78 MeV
(3)4.22×109 kg
解析 (1)由题意可得核反应方程应为HHe+e。
(2)反应前的质量m1=4mH=4×1.007 3 u=4.029 2 u,反应后的质量m2=mHe+2me=4.001 5 u+2×0.000 55 u=4.002 6 u,Δm=m1-m2=0.026 6 u,释放能量ΔE=0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV。
(3)由质能方程ΔE=Δm·c2得太阳每秒减少的质量Δm'== kg≈4.22×109 kg。(共53张PPT)
DIWUZHANG
第5章
第4节 核裂变和核聚变
1.知道什么是裂变、聚变和链式反应,知道链式反应和聚变的条件(重点)。
2.会书写裂变和聚变方程,会利用质量亏损计算裂变和聚变产生的核能(重难点)。
3.了解核反应堆的工作原理,知道如何控制核反应的速度。
学习目标
一、重核裂变、链式反应
二、轻核聚变与可控热核聚变
课时对点练
内容索引
重核裂变、链式反应

1964年10月16日,中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功,其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化,在半径400 m的范围内,沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质,半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。
巨大的核能是从哪里来的
答案 铀核的裂变。
1.重核的裂变
(1)用中子轰击铀核,铀核分裂成质量相近的两部分,并释放出   ,这种核反应过程称为核裂变。
一种常见的核反应方程
nKr+   。
(2)在不同的裂变反应中,核释放的能量也不同。如果按照一个核裂变时释放200 MeV的能量来估算,1 kg的全部裂变释放出的核能相当于两千余吨标准煤完全燃烧释放的能量。
梳理与总结
能量
n
2.链式反应
(1)定义:在核裂变释放出巨大能量的同时,平均每次可以放出____
个中子,这些中子称为第1代中子,如果其中至少有一个继续轰击,使之发生裂变,就能产生第2代中子,这样不断继续下去,中子会不断
   ,裂变反应就会不断加强,就形成了裂变的链式反应。
(2)能够发生链式反应的铀块的   体积称为临界体积。
2~3
增加
最小
1.如图所示为核裂变示意图。
思考与讨论
(1)重核裂变是一种天然现象吗
答案 重核裂变不能自发地进行,只能发生在人工控制的核反应中,所以重核裂变不是一种天然现象。
(2)铀核裂变的产物(核反应方程)是唯一的吗
答案 不是唯一的。铀核裂变的产物(核反应方程)是多种多样的。
(3)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗
答案 不是。有中子轰击铀块且铀块的体积大于等于临界体积,才会发生链式反应。
2.总结链式反应的条件。
答案 (1)铀块的体积大于等于临界体积或铀块的质量大于等于临界质量。
(2)有慢中子轰击。
(3)有足够浓度的铀235。
(1)核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量。(  )
(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,所以核子数要减少。(  )
(4)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。(  )
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 2020年11月27日0时41分,“华龙一号”福清核电站5号机组首次并网成功,标志着我国正式进入核电技术先进国家行列。“华龙一号”利用的是铀核裂变释放的核能,其裂变方程为n→XSr+n,则下列叙述正确的是
A.裂变后粒子的总核子数减少
B.X原子核中含有85个中子
C.裂变反应前后质量没有变化
D.裂变后新核的平均结合能比铀核的小
例1

核反应过程中,质量数守恒,所以裂变后粒子的总核子数不变,A错误;
设X原子核中有x个质子,质量数为y,则92=x+38,235+1=y+95+1×2,解得x=54,y=139,所以X原子核中含有中子数为y-x=85,B正确;
裂变释放核能,所以有质量亏损,C错误;
裂变释放核能是因为新核的平均结合能比铀核的大,新核较稳定,D错误。
 (2023·唐山市高二月考)受中子轰击时会发生裂变,产生和,同时放出200兆电子伏特的能量。现要建设发电能力为10万千瓦的核电站,用铀235作为燃料。假设核裂变释放的能量的50%转化为电能。
(1)写出核反应方程;
例2
答案  nKr +n
核反应方程为nKr +n
(2)求一天需要纯铀235的质量。(阿伏伽德罗常数NA=6.02×1023 mol-1)
答案 0.21 kg
每一天的发电量为E=Pt=10×104×103×24×3 600 J=8.64×1012 J
消耗的铀235核的个数为
n==个=5.4×1023个
一天需要的纯铀235的质量为
m=M=×235×10-3 kg≈0.21 kg。
1.重核裂变是中子轰击质量较大的原子核,使之分裂成中等质量的原子核,同时释放大量的能量,放出更多的中子的过程。
2.重核的裂变是放能核反应,原因是核反应前后有质量亏损,根本原因是重核的平均结合能相比中等质量的核的平均结合能要小。所以在重核裂变为两个中等质量核的过程中要释放能量,而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。
3.重核的裂变方程仍然符合质量数守恒和电荷数守恒。
总结提升
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轻核聚变与可控热核聚变

“大海航行靠舵手,万物生长靠太阳。”没有太阳,地球上就不可能有姿态万千的生命现象。当然也不会孕育出作为智能生物的人类。
太阳是靠什么为地球生命提供巨大能量的呢
答案 现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应。
1.轻核聚变
(1)采用轻核   成较重核引起结合能变化的方式可获得   ,这样的核反应称为核聚变。
(2)太阳内部的核聚变:太阳内部氢核聚变的反应方程为H→_______,平均每个核子释放的结合能约为3.5 MeV,要比裂变中平均每个核子释放的能量    。
(3)轻核聚变的优点:聚变反应不仅能释放   的能量,而且所用的燃料氘和氚容易   。氘可从海水中提取,天然的氚不存在,但可通过核反应LiHe+  得到。
梳理与总结
聚变
核能
n
大得多
巨大
获得
2.可控热核聚变
(1)热核聚变的条件:要使轻核发生聚变,必须使它们的间距达到_____
作用的范围。以氘核发生聚变为例,必须在大约 K高温下,使氘核获得至少70 keV的动能才能达到核力作用的范围而发生核聚变。
(2)物质第四态:轻核聚变温度达到108 K,在这样的高温下,原子已完全电离,形成了物质第四态——等离子态。
(3)约束高温等离子体的三种方式:引力约束、    、惯性约束。
核力
108
磁约束
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温
思考与讨论
答案 轻核的聚变反应,是两个轻核结合成质量较大的核,要使得核力发挥作用,必须使核子间的距离达到10-15 m以内;同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大,因而需要核子有很大的动能才能克服,表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。
  (2023·莆田市高二月考)2021年5月28日,在中科院合肥物质科学研究院,有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造新的世界纪录,成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,向核聚变能源应用迈出重要一步。下列关于聚变的说法正确的是
A.任何两个原子核都可以发生聚变
B.两个轻核结合成质量较大的核,总质量较聚变前减小
C.两个轻核结合成质量较大的核,核子的平均结合能减小
D.核聚变比核裂变更为安全、清洁,是目前利用核能的主要方式
例3

只有两个质量较小的原子核才可以聚变成一个中等质量的原子核,并不是任何两个原子核都可以发生聚变,A错误;
核聚变反应会放出大量的能量,根据质能方程可知反应会发生质量亏损,两个轻核结合成质量较大的核,总质量较聚变前减小,平均结合能增大,B正确,C错误;
核聚变的最终产物是氦,无污染,而核裂变产生的固体核废料具有放射性,因此核聚变更加清洁和安全,但是还不是目前利用核能的主要方式,D错误。
 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应,这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。已知质子质量为mH=1.007 3 u,氦核质量为mHe=4.001 5 u,电子质量为me=
0.000 55 u,1 u相当于931.5 MeV的能量,真空中的光速c=3×108 m/s。
(1)写出这个核反应方程;
例4
答案 HHe+e
由题意可得核反应方程应为HHe+e。
(2)这一核反应能释放多少能量
答案 24.78 MeV
反应前的质量m1=4mH=4×1.007 3 u=4.029 2 u,反应后的质量m2=mHe+2me=4.001 5 u+2×0.000 55 u=4.002 6 u,Δm=m1-m2=0.026 6 u,释放能量ΔE=0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV。
(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J,则太阳每秒减少的质量为多少千克
答案 4.22×109 kg
由质能方程ΔE=Δm·c2得太阳每秒减少的质量Δm'== kg≈
4.22×109 kg。
总结提升
1.核聚变反应和一般的核反应一样,也遵循电荷数守恒和质量数守恒,这是书写核反应方程式的重要依据。
2.核聚变反应一般只能在轻核之间发生,如氢的同位素氘和氚,它们原子核间的静电斥力最小,容易发生聚变反应生成新的质量更重的原子核。
3.由于轻核聚变需要非常高的温度,因此重核的裂变仍然是当前核能的主要利用方式。
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课时对点练

考点一 重核的裂变及链式反应
1.原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的,在极短的时间内能够释放大量的核能,发生猛烈爆炸。下列核反应方程式中属于原子弹爆炸的核反应方程式的是
A.He
B.nSr+1n
C.HHe
D.HHen
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基础对点练

2.(2023·山东省青岛中学高二月考)铀核裂变时,对于产生链式反应的重要因素,下列说法中正确的是
A.若铀235的体积小于它的临界体积,裂变的链式反应就能够发生
B.为了使裂变的链式反应容易发生,最好直接利用裂变时产生的中子
C.镉棒也叫控制棒,用来调节中子数目以控制反应速度
D.能否发生链式反应与铀块的体积无关
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要使铀核裂变产生链式反应,铀块的体积必须大于等于临界体积或铀块的质量大于等于临界质量;裂变反应中产生的中子为快中子,这些快中子不能直接引发新的裂变;镉棒吸收中子的能力很强,在核反应中用来调节中子数目以控制反应速度,所以C正确,A、B、D错误.
3.(多选)(2023·汕头市月考)月球储藏大量可控核聚变理想燃料氦3(),2020年12月1日,我国嫦娥五号探测器成功着陆月面后开始“挖土”并成功带回地面供科学研究。核聚变反应方程为HHe+X或+
He+Y。下列说法正确的是
A.X是中子
B.Y是正电子
C.核聚变过程发生质量亏损,释放核能
D.比的原子核更稳定
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根据核反应的质量数守恒和电荷数守恒可知,X的质量数为1,电荷数为0,则X为中子;Y的质量数为1,电荷数为1,则Y为质子,A正确,B错误;
核聚变过程发生质量亏损,释放核能,C正确;
因反应放出核能,则的原子核更稳定,D错误。
4.(多选)如图甲所示,2020年11月27日00时41分,
华龙一号全球首堆中核集团福清核电5号机组首次
并网成功。如图乙所示是原子核的平均结合能与
质量数的关系图,下列说法正确的是
A.核反应中,质量数守恒,电荷数守恒
B.华龙一号的原理是核聚变
C.原子核结合能越大,原子核越稳定
D.核裂变反应发生后,核子的平均质量减小
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核反应遵守质量数守恒和电荷数守恒,故
A正确;
华龙一号的原理是重核的裂变反应,故B
错误;
原子核的平均结合能越大,原子核越稳定,
故C错误;
核裂变反应发生后,会释放能量,有质量损失,所以核子的平均质量减小,故D正确。
考点二 轻核聚变与可控热核反应
5.2020年12月4日,我国自主设计建造的新一代“人造太阳”——中国环流器二号M装置(HL-2M)在成都建成并实现首次放电,标志着中国核聚变发展获得重大突破。关于核聚变和核能,下列说法正确的是
A.核聚变通常需要几百万开尔文以上的超高温,又称热核反应
B.太阳辐射的能量来源于核聚变,核聚变又称链式反应
C.一个氘核和一个氚核聚变的方程为:HHee
D.核子平均质量越大,原子核越稳定
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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,碰撞时接近到10-15 m而发生核聚变,因此,核聚变又叫热核反应,故A正确;
太阳辐射的能量来源于核聚变,而链式反应发生在核裂变中,故B错误;
该方程不符合质量数守恒和电荷数守恒,故C错误;
原子核中核子平均质量越小,比结合能越大,原子核越稳定,故D错误。
6.(多选)中国“氢弹之父”于敏获得2014年度国家最高科学技术奖。氢弹是利用原子弹爆炸的能量引发氢的同位素的聚变反应而瞬时释放出巨大能量的核武器。下列有关氢弹爆炸可能出现的核反应及说法正确的是
A.nKr+n
B.HHen
C.轻核聚变过程中无质量亏损
D.氢弹爆炸后不会产生放射性污染
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氢弹是利用原子弹爆炸的能量引发氢的同位素的聚变反应而瞬时释放出巨大能量的核武器,A、B正确;
聚变反应和裂变反应都有质量亏损,氢弹爆炸时存在核裂变反应,会产生放射性污染,C、D错误。
7.大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是HHen。已知的质量为2.013 6 u,的质量为3.015 0 u,的质量为1.008 7 u,1 u相当于931 MeV的能量。氘核聚变反应中释放的核能约为
A.3.7 MeV B.3.3 MeV
C.2.7 MeV D.0.93 MeV
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在核反应中,反应前物质的质量
m1=2×2.013 6 u=4.027 2 u
反应后物质的质量
m2=3.015 0 u+1.008 7 u=4.023 7 u
质量亏损Δm=m1-m2=0.003 5 u,
则氘核聚变释放的核能为
E=931×0.003 5 MeV≈3.3 MeV,故选B。
8.(多选)太阳的能量来源是轻核的聚变,太阳中存在的主要元素是氢,核聚变反应可以看作是4个氢核()结合成1个氦核同时放出2个正电子。下表中列出了部分粒子的质量(取1 u=×10-26 kg,c=3.0×108 m/s),
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能力综合练
粒子名称 质子(p) α粒子 正电子(e)
质量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55
以下说法正确的是
A.核反应方程为HHe+e
B.4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为0.026 6 kg
C.4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为4.43×10-29 kg
D.聚变反应过程中释放的能量约为4.0×10-12 J
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粒子名称 质子(p) α粒子 正电子(e)
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由核反应的质量数守恒及电荷数守恒得HHe+e,故A正确;
核反应中的质量亏损为Δm=4mp-mα-2me=(4×1.007 3-4.001 5-2×0.000 55) u
=0.026 6 u≈4.43×10-29 kg,故C正确,B错误;
由质能方程得ΔE=Δmc2=4.43×10-29×(3.0×108)2 J≈4.0×10-12 J,故D正确。
粒子名称 质子(p) α粒子 正电子(e)
质量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55
9.(多选)(2023·福建师大二附中高二期末)太阳能发光并且辐射出巨大的能量是因为内部核聚变的结果。氘、氚的核聚变反应方程为:HHe+X,聚变反应过程中质量亏损约为0.018 9 u,已知氘核、氦核的比结合能分别是:1.09 MeV、7.03 MeV,1 u=931 MeV/c2,下列说法正确的是
A.X为正电子
B.聚变反应中释放的核能约为17.6 MeV
C.氚核的结合能为43.54 MeV
D.氚核的比结合能2.78 MeV
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聚变反应前后遵循质量数守恒和电荷数守恒,可知X的质量数为1,电荷数为0,即X为中子,故A错误;
根据质能方程,核反应中释放的核能为ΔE=Δmc2=0.018 9×931 MeV
≈17.6 MeV,故B正确;
由能量守恒定律,可得氚核的结合能为ΔE1= MeV=8.34 MeV,则氚核的比结合能为ΔE1'= MeV= 2.78 MeV,
故C错误,D正确。
10.(2020·全国卷Ⅱ)氘核H可通过一系列聚变反应释放能量,其总效果可用反应式H→He+H+n+43.15 MeV表示。海水中富含氘,已知1 kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个,若全都发生聚变反应,其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等;已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J,1 MeV= 1.6×10-13 J,则M约为
A.40 kg B.100 kg
C.400 kg D.1 000 kg
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根据核反应方程式,6个氘核聚变反应可释放出43.15 MeV的能量,1 kg海水中的氘核反应释放的能量为E=×43.15 MeV≈7.19×1022 MeV
≈1.15×1010 J,则相当于燃烧的标准煤的质量为M= kg≈400 kg,故选C。
11.(2023·大连市高二期中)传染病的传播过程十分复杂,但是可以构建最简单的传播模型来描述,这个最简模型可称为链式模型,类似于核裂变链式反应模型,铀核裂变的核反应方程为nKr+n,裂变后产生的中子能继续发生反应的次数称为链式反应的“传染系数”,下列说法正确的是
A.从铀核裂变的核反应方程看,“传染系数”为2
B.核反应堆中通过镉棒吸收中子降低“传染系数”
C.链式反应的临界值对应的实际“传染系数”为3
D.核反应堆中的实际“传染系数”与铀浓度无关
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核反应遵循电荷数守恒及质量数守恒,可得R=3,
即从铀核裂变的核反应方程看“传染系数”为
3,选项A错误;
核反应堆中通过镉棒吸收中子,减少轰击铀核
的中子数,最终起到降低实际“传染系数”的
作用,选项B正确;
在链式反应中,当实际“传染系数”R≥1时,反应才能持续下去,当实际“传染系数”R<1时,反应将趋于停滞,即R=1是链式反应持续下去的临界值,选项C错误;
核反应堆中调整铀浓度来控制实际“传染系数”,选项D错误。
12.(2023·南充市高二期末)已知1 L海水中可提取0.03 g的氘(),氘核和氦核()的质量分别为2.014 1 u和4.002 6 u,1 u=931.5 MeV,氘的摩尔质量为2 g/mol,NA=6.02×1023 mol-1。求:
(1)1 L海水中的氘全部聚变为氦,能释放出多少MeV的能量
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答案 1.077×1023 MeV
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2个氘聚变为氦释放的核能为ΔE=(2×2.014 1-4.002 6)×931.5 MeV
=23.846 4 MeV
0.03 g的氘中含有氘核的数目为
NH=NA=×6.02×1023=9.03×1021,
所以1 L海水中氘全部聚变为氦,释放能量为
E=ΔE≈1.077×1023 MeV=1.723 2×1010 J
(2)1 kg无烟煤完全燃烧释放的能量为3.35×107 J,则1 L海水中的氘全部聚变所放出的能量相当于多少kg的无烟煤完全燃烧所释放的能量
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答案 514 kg
释放1.723 2×1010 J的能量需要燃烧无烟煤的质量为m'= kg
≈514 kg。
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