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(共52张PPT)
4　核裂变与核聚变
5　“基本”粒子
1.阅读教材,知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念,了解原子弹、核反应堆、聚变反应条件、新粒子的内容,形成物理观念。2.通过对链式反应的探究,了解链式反应的条件,知道核电站的工作原理,了解轻核聚变的条件,培养科学思维和科学探究精神。
[定位·学习目标]　
探究·必备知识
「探究新知」
知识点一　核裂变的发现
1.核裂变
重核被 轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核,并放出核能的过程。
2.铀核裂变
中子
3.链式反应
当一个中子引起一个重核 后,裂变释放的 再继续与其他重核发生反应,引起新的核裂变,就能使核裂变反应不断地进行下去,这种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。
裂变
中子
5.链式反应发生的条件
(1)铀块的体积 临界体积,或质量不小于临界质量,以保证中子能够碰到铀核。
(2)有足够浓度的铀235。
(3)有足够数量的慢中子。
不小于
6.裂变反应的能量
铀核裂变为中等质量的原子核,发生质量亏损,所以放出能量。如果一个铀235核裂变时释放的能量按200 MeV估算,1 kg铀235全部发生核裂变时放出的能量相当于 2 800 t标准煤完全燃烧释放的化学能,裂变时能产生几百万摄氏度的高温。
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。(　 　)
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应。(　 　)
(3)核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量。(　 　)
(4)铀核裂变的产物是钡和氪,且固定不变,同时放出三个中子。(　 　)
×
「新知检测」
×
×
×
「探究新知」
知识点二　反应堆与核电站
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: 。
(2)慢化剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用 、重水或普通水作慢化剂。
(3)控制棒:为了控制能量释放的速度,就要想办法调节中子的数目,采用在铀棒之间插入镉棒的方法,利用镉 的特性,就可以控制链式反应的速度。
铀棒
石墨
吸收中子
2.工作原理
核燃料发生核 释放的能量使反应区温度升高。
3.能量输出
利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外 ,用于发电。
4.核污染的处理
在反应堆的外面需要修建很厚的 ,用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线,核反应堆中的核废料具有很强的 ,需要装入特制的容器,深埋地下。
裂变
循环流动
水泥层
放射性
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)中子的速度越快,越容易发生铀核裂变。(　 　)
(2)核反应堆是通过调节中子数目来控制反应速度的。(　 　)
(3)核反应堆用过的核废料无毒无害。(　 　)
√
「新知检测」
×
×
「探究新知」
知识点三　核聚变
1.定义
两个轻核结合成 的核的反应。
质量较大
该反应平均每个核子放出的能量比核裂变反应平均每个核子放出的能量大
倍。
3～4
3.条件
(1)轻核的作用距离要达到10-15 m以内。
(2)核聚变可以通过高温来实现,因此又叫 。
4.聚变与裂变相比的优点
(1)轻核聚变产能效率高。
(2)地球上核聚变燃料的储量丰富。
(3)轻核聚变更为安全、清洁。
热核反应
5.实现核聚变的方法
(1)难点:地球上没有任何容器能够经受核聚变需要的高温。
(2)方案:科学家设想了两种方案,即磁约束和 , 是目前性能最好的一种磁约束装置。
惯性约束
环流器
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)核聚变平均每个核子放出的能量,比裂变反应中平均每个核子放出的能量大。(　 　)
(2)要使聚变产生,必须克服库仑斥力做功。(　 　)
(3)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受热核反应所需的温度。
(　 　)
√
「新知检测」
√
√
「探究新知」
知识点四　“基本”粒子
1.新粒子的发现及特点
发现 时间 1932年 1937年 1947年 20世纪
40年代末
新粒子 K介子 与π介子 超子
基本 特点 质量与电 子相同而 电性相反 比质子的 质量小 质量介于 电子与核 子之间 质量超
过核子
正电子
μ子
2.反粒子:质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子 ,而电荷等其他性质 的粒子。
3.粒子的分类
分类 参与的 相互作用 发现的粒子 备注
参与强相 互作用 质子、中子 强子有内部结构,由“夸克”构成;强子又分为介子和重子两类
不参与强 相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 未发现内部结构
相同
相反
强子
轻子
规范 玻色子 传递各种 相互作用 光子、中间玻色子、胶子 光子传递电磁相互作用,中间玻色子传递弱相互作用,胶子传递强相互作用
希格斯 玻色子 希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。 基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。 2012年,欧洲核子研究中心利用大型强子对撞机发现了希格斯玻色子
4.夸克模型
(1)夸克的提出:1964年,美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型,认为强子是由夸克构成的。
(2)夸克的种类:上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。(　 　)
(2)质量、寿命、自旋等物理性质相同,而电荷量相等、电性相反的粒子称为反粒子。(　 　)
(3)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍。(　 　)
(4)按照夸克模型,电子所带电荷不再是电荷的最小单元。(　 　)
×
「新知检测」
√
√
×
突破·关键能力
要点一　核裂变的深化分析
如图所示,观察铀核裂变示意图。
「情境探究」
探究:(1)试写出一种铀核裂变的核反应方程。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗
【答案】(2)铀块体积应大于或等于临界体积才能发生链式反应。
(3)重核裂变为什么能释放核能
【答案】(3)中等质量的原子核中核子的平均质量较小,重核和轻核中核子的平均质量较大。如果原子序数较大的重核分裂成原子序数小一些的核,会有质量亏损,放出巨大的核能。
1.铀核的裂变和裂变方程
(1)核子受激发:当中子进入铀235后,便形成了处于激发状态的复核,复核中由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状。
(2)核子分裂:核子间的距离增大,因而核力迅速减弱,使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块,同时放出2个或3个中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变就会不断地进行下去,释放出越来越多的核能。
「要点归纳」
2.链式反应的条件
(1)铀块的体积不小于临界体积。
(2)铀块的质量不小于临界质量。
以上两个条件满足一个即可。
3.裂变反应的两点说明
(1)铀核裂变只能发生在人为的核反应中,自然界中不会自发地产生裂变,而是会发生衰变。
(2)链式反应速度很快,如不加以控制,能量在瞬间急剧释放会引起剧烈爆炸(如原子弹)。如果运用一定办法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)。
4.裂变问题的分析方法
(1)对于裂变问题,要知道是什么原子核发生了裂变,写出原子核的裂变方程,应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒;更应该注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造,并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生。
(2)根据质能方程可得ΔE=Δmc2,由反应前后原子核的质量亏损,可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。
「典例研习」
D
(1)写出裂变方程;
(2)求出一个铀核裂变放出的能量;(结果保留到小数点后1位)
【答案】 (2)140.4 MeV
【解析】 (2)裂变过程的质量亏损为
Δm=mU+mn-mXe-mSr-10mn=0.150 7 u,
释放的能量为
ΔE=Δmc2=0.150 7×931.5 MeV≈140.4 MeV。
(3)若铀矿石的纯度为3%,一期工程投产发电后,一年将消耗多少吨铀矿石
(阿伏加德罗常数NA=6.02×1023 mol-1)
【答案】 (3)45.7 t
·规律方法·
对重核裂变的理解
(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核,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,原因是核反应前后质量有亏损,根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解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。
要点二　对核聚变的理解
「情境探究」
核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变,这种反应在太阳上已经持续了50亿年。可控核聚变俗称人造太阳,人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。科学家们希望发明一种装置,可以有效控制“氢弹爆炸”的过程,让能量持续稳定地输出。
探究:(1)任何两个原子核都可以发生聚变吗 发生聚变需要什么条件
【答案】 (1)不是。发生聚变必须使轻核接近核力发生作用的距离,即10-15 m。
(2)两个轻核结合成质量较大的核,总质量较聚变前发生了怎样的变化
【答案】 (2)发生了质量亏损。
(3)两个轻核结合成质量较大的核,原子核的比结合能怎样变化
【答案】 (3)原子核的比结合能增加。
「要点归纳」
1.聚变发生的条件
要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离,即达到10-15 m以内,这要克服电荷间强大的斥力作用,要求轻核具有足够大的动能。方法是给原子核加热,使其达到几百万开尔文的高温。
2.轻核聚变是放能反应
从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应。
3.核聚变的特点
(1)在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放出更多的能量。
(2)热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
(3)普遍性:热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆。
(4)遵守规律:核聚变反应和一般的核反应一样,也遵循电荷数和质量数守恒,这是书写核反应方程式的重要依据。
(5)核能的计算:核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损,然后根据ΔE=Δmc2进行计算。
4.核聚变的应用
(1)核武器——氢弹:一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。
(2)可控热核反应:目前处于探索阶段。
5.重核裂变与轻核聚变的区别
比较项目 重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核,放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核,放出核能
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
燃料储量情况 聚变燃料储量丰富
核废料处 理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多
[例3] [对核聚变的理解](多选)下列关于核聚变的说法正确的是(　 　 )
[A] 核聚变比核裂变更为安全、清洁
[B] 任意两个原子核都可以发生核聚变
[C] 两个轻核结合成质量较大的核,总质量较核聚变前增加
[D] 两个轻核结合成质量较大的核,新核的比结合能比两个轻核的大
「典例研习」
AD
【解析】 与核裂变相比,轻核聚变更为安全、清洁,A正确;自然界中最容易发生的核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;两个轻核发生核聚变,结合成质量较大的核时,放出巨大的能量,根据E=mc2可知,核聚变反应中存在质量亏损,则总质量较核聚变前减少,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,新核的比结合能比两个轻核的大,D正确。
(1)写出核聚变的核反应方程;
(2)求发生核聚变时释放的能量;
【答案】 (2)17.6 MeV
【解析】 (2)核聚变反应前氘核和氚核的总结合能为
E1=(1.09×2+2.78×3) MeV=10.52 MeV,
反应后生成的氦核的结合能为
E2=7.03×4 MeV=28.12 MeV,
由于中子无结合能,所以核聚变过程释放出的能量为
ΔE=E2-E1=(28.12-10.52) MeV=17.6 MeV。
(3)求发生核聚变时亏损的质量(c=3.0×108 m/s)。
【答案】 (3)3.13×10-29 kg
【解析】 (3)由质能方程可知ΔE=Δmc2,
由单位换算关系可知1 eV=1.6×10-19 J,则
ΔE=17.6 MeV=2.816×10-12 J,
代入可得Δm≈3.13×10-29 kg。
检测·学习效果
1.(多选)关于粒子,下列说法正确的是(　 　)
[A] 质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
[B] 质子、中子本身也是复合粒子,它们具有复杂的结构
[C] 质子是带电的强子
[D] 光子是希格斯玻色子
BC
【解析】 质子和中子是由不同的夸克组成的,它们不是最基本的粒子,故A错误,B正确;不同的夸克组成的强子,有的带电,有的不带电,质子是带正电的强子,故C正确;光子是规范玻色子,故D错误。
2.(2023·天津卷)关于太阳上进行的核聚变,下列说法正确的是(　　)
[A] 核聚变需要在高温下进行
[B] 核聚变中电荷不守恒
[C] 太阳质量不变
A
BCD
[A] 铀块体积对链式反应的发生无影响
[B] 反应堆中铀核的反应速度可以人工控制
[C] 反应方程左边物质的能量之和大于反应方程右边物质的能量之和
[D] 反应方程左边物质的结合能之和小于反应方程右边物质的结合能之和
【解析】 铀块体积需要达到临界体积才能发生链式反应,因此铀块体积对链式反应的发生有影响,故A错误;镉棒可以吸收核反应产生的中子,因此反应堆中铀核的反应速度可以通过插入控制棒进行人工控制,故B正确;重核的裂变反应为放能反应,因此核反应方程左边物质的能量之和大于核反应方程右边物质的能量之和,故C正确;根据结合能的含义可知,反应方程左边物质的结合能之和小于反应方程右边物质的结合能之和,故D正确。
感谢观看4　核裂变与核聚变
5　“基本”粒子
[定位·学习目标]　1.阅读教材,知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念,了解原子弹、核反应堆、聚变反应条件、新粒子的内容,形成物理观念。2.通过对链式反应的探究,了解链式反应的条件,知道核电站的工作原理,了解轻核聚变的条件,培养科学思维和科学探究精神。
知识点一　核裂变的发现
探究新知
1.核裂变
重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核,并放出核能的过程。
2.铀核裂变
用中子轰击铀核时,铀核发生裂变,其产物是多样的,其中一种典型的反应是 U+nBa+Kr+n。
3.链式反应
当一个中子引起一个重核裂变后,裂变释放的中子再继续与其他重核发生反应,引起新的核裂变,就能使核裂变反应不断地进行下去,这种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。
4.常见的裂变方程
(1UnXeSr+n。
(2UnBaKr+n。
5.链式反应发生的条件
(1)铀块的体积不小于临界体积,或质量不小于临界质量,以保证中子能够碰到铀核。
(2)有足够浓度的铀235。
(3)有足够数量的慢中子。
6.裂变反应的能量
铀核裂变为中等质量的原子核,发生质量亏损,所以放出能量。如果一个铀235核裂变时释放的能量按200 MeV估算,1 kg铀235全部发生核裂变时放出的能量相当于 2 800 t标准煤完全燃烧释放的化学能,裂变时能产生几百万摄氏度的高温。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。(　×　)
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应。(　×　)
(3)核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量。(　×　)
(4)铀核裂变的产物是钡和氪,且固定不变,同时放出三个中子。(　×　)
知识点二　反应堆与核电站
探究新知
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:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用石墨、重水或普通水作慢化剂。
(3)控制棒:为了控制能量释放的速度,就要想办法调节中子的数目,采用在铀棒之间插入镉棒的方法,利用镉吸收中子的特性,就可以控制链式反应的速度。
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。
3.能量输出
利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动,用于发电。
4.核污染的处理
在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层,用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线,核反应堆中的核废料具有很强的放射性,需要装入特制的容器,深埋地下。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)中子的速度越快,越容易发生铀核裂变。(　×　)
(2)核反应堆是通过调节中子数目来控制反应速度的。(　√　)
(3)核反应堆用过的核废料无毒无害。(　×　)
知识点三　核聚变
探究新知
1.定义
两个轻核结合成质量较大的核的反应。
2.典型的核聚变:一个氘核和一个氚核的聚变,HHen+17.6 MeV。
该反应平均每个核子放出的能量比核裂变反应平均每个核子放出的能量大 3～4倍。
3.条件
(1)轻核的作用距离要达到10-15 m以内。
(2)核聚变可以通过高温来实现,因此又叫热核反应。
4.聚变与裂变相比的优点
(1)轻核聚变产能效率高。
(2)地球上核聚变燃料的储量丰富。
(3)轻核聚变更为安全、清洁。
5.实现核聚变的方法
(1)难点:地球上没有任何容器能够经受核聚变需要的高温。
(2)方案:科学家设想了两种方案,即磁约束和惯性约束,环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)核聚变平均每个核子放出的能量,比裂变反应中平均每个核子放出的能量大。(　√　)
(2)要使聚变产生,必须克服库仑斥力做功。(　√　)
(3)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受热核反应所需的温度。(　√　)
知识点四　“基本”粒子
探究新知
1.新粒子的发现及特点
发现 时间 1932年 1937年 1947年 20世纪 40年代末
新粒 子 正电子 μ子 K介子 与π介子 超子
基本 特点 质量与电 子相同而 电性相反 比质子的 质量小 质量介于 电子与核 子之间 质量超 过核子
2.反粒子:质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同,而电荷等其他性质相反的粒子。
3.粒子的分类
分类 参与的 相互作用 发现的粒子 备注
强子 参与强相 互作用 质子、中子 强子有内部结构,由“夸克”构成;强子又分为介子和重子两类
轻子 不参与强 相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 未发现内部结构
规范 玻色子 传递各种 相互作用 光子、中间玻色子、胶子 光子传递电磁相互作用,中间玻色子传递弱相互作用,胶子传递强相互作用
希格斯 玻色子 希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。 基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。 2012年,欧洲核子研究中心利用大型强子对撞机发现了希格斯玻色子
4.夸克模型
(1)夸克的提出:1964年,美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型,认为强子是由夸克构成的。
(2)夸克的种类:上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。
(3)夸克所带电荷:夸克所带的电荷量是分数电荷量,即其电荷量为元电荷的-或+。
(4)意义:电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。(　×　)
(2)质量、寿命、自旋等物理性质相同,而电荷量相等、电性相反的粒子称为反粒子。(　√　)
(3)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍。(　×　)
(4)按照夸克模型,电子所带电荷不再是电荷的最小单元。(　√　)
要点一　核裂变的深化分析
情境探究
如图所示,观察铀核裂变示意图。
探究:(1)试写出一种铀核裂变的核反应方程。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗
(3)重核裂变为什么能释放核能
【答案】 (1UnBaKr+n。
(2)铀块体积应大于或等于临界体积才能发生链式反应。
(3)中等质量的原子核中核子的平均质量较小,重核和轻核中核子的平均质量较大。如果原子序数较大的重核分裂成原子序数小一些的核,会有质量亏损,放出巨大的核能。
要点归纳
1.铀核的裂变和裂变方程
(1)核子受激发:当中子进入铀235后,便形成了处于激发状态的复核,复核中由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状。
(2)核子分裂:核子间的距离增大,因而核力迅速减弱,使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块,同时放出2个或3个中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变就会不断地进行下去,释放出越来越多的核能。
(3)常见的裂变方程。
UnBaKr+n;
UnSrXe+1n。
2.链式反应的条件
(1)铀块的体积不小于临界体积。
(2)铀块的质量不小于临界质量。
以上两个条件满足一个即可。
3.裂变反应的两点说明
(1)铀核裂变只能发生在人为的核反应中,自然界中不会自发地产生裂变,而是会发生衰变。
(2)链式反应速度很快,如不加以控制,能量在瞬间急剧释放会引起剧烈爆炸(如原子弹)。如果运用一定办法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)。
4.裂变问题的分析方法
(1)对于裂变问题,要知道是什么原子核发生了裂变,写出原子核的裂变方程,应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒;更应该注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造,并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生。
(2)根据质能方程可得ΔE=Δmc2,由反应前后原子核的质量亏损,可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。
典例研习
[例1] [对重核裂变的理解] “华龙一号”是我国具有完整自主知识产权的三代核电技术,被誉为“国之重器”“国家名片”,将为我国能源绿色低碳转型作出更大贡献。核反应堆中一种典型的核反应方程为U+Ba+Kr+n,下列说法正确的是(　　)
[A] 方程中x=56,y=4
[B] 铀核的链式反应中可用重水吸收中子控制反应速度
[C] 一个 U原子核中中子比质子多143个
[D] 三种原子核的结合能从大到小的顺序为UBaKr
【答案】 D
【解析】 根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒可得235+1=144+89+y×1,92+0=
x+36+y×0,解得 x=56,y=3,故A错误;铀核的链式反应中,常用的慢化剂有石墨、重水和普通水,用镉棒吸收中子控制反应速度,故B错误;一个U原子核中中子数为235-92=143,则一个U原子核中中子比质子多143-92=51个,故C错误;原子核中的核子数越大,原子核的结合能越大,则三种原子核的结合能从大到小的顺序为 UBa、Kr,故D正确。
[例2] [裂变产生核能的计算] 某核电站一期工程建设了两台125万千瓦的核电机组。如果铀235在中子的轰击下裂变为 Sr和 Xe,已知mU=235.043 9 u,mn=1.008 7 u,mSr=
89.907 7 u,mXe=135.907 2 u,1 u的质量对应的能量为931.5 MeV。
(1)写出裂变方程;
(2)求出一个铀核裂变放出的能量;(结果保留到小数点后1位)
(3)若铀矿石的纯度为3%,一期工程投产发电后,一年将消耗多少吨铀矿石 (阿伏加德罗常数NA=6.02×1023 mol-1)
【答案】 (1UnSrXe+1n
(2)140.4 MeV　(3)45.7 t
【解析】 (1)根据核裂变规律可得
UnSrXe+1n。
(2)裂变过程的质量亏损为
Δm=mU+mn-mXe-mSr-10mn=0.150 7 u,
释放的能量为
ΔE=Δmc2=0.150 7×931.5 MeV≈140.4 MeV。
(3)核电站一年的发电量为
E=Pt=2×125×107×365×24×60×60 J
=7.884×1016 J,
由E=NΔE=NAΔE,
得m=,代入数据解得m≈45.7 t。
对重核裂变的理解
(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核,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,原因是核反应前后质量有亏损,根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解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。
要点二　对核聚变的理解
情境探究
核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变,这种反应在太阳上已经持续了50亿年。可控核聚变俗称人造太阳,人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。科学家们希望发明一种装置,可以有效控制“氢弹爆炸”的过程,让能量持续稳定地输出。
探究:(1)任何两个原子核都可以发生聚变吗 发生聚变需要什么条件
(2)两个轻核结合成质量较大的核,总质量较聚变前发生了怎样的变化
(3)两个轻核结合成质量较大的核,原子核的比结合能怎样变化
【答案】 (1)不是。发生聚变必须使轻核接近核力发生作用的距离,即10-15 m。
(2)发生了质量亏损。
(3)原子核的比结合能增加。
要点归纳
1.聚变发生的条件
要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离,即达到10-15 m以内,这要克服电荷间强大的斥力作用,要求轻核具有足够大的动能。方法是给原子核加热,使其达到几百万开尔文的高温。
2.轻核聚变是放能反应
从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应。
3.核聚变的特点
(1)在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放出更多的能量。
(2)热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
(3)普遍性:热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆。
(4)遵守规律:核聚变反应和一般的核反应一样,也遵循电荷数和质量数守恒,这是书写核反应方程式的重要依据。
(5)核能的计算:核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损,然后根据ΔE=Δmc2进行计算。
4.核聚变的应用
(1)核武器——氢弹:一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。
(2)可控热核反应:目前处于探索阶段。
5.重核裂变与轻核聚变的区别
比较项目 重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核,放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核,放出核能
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
燃料储量情况 聚变燃料储量丰富
核废料处 理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多
典例研习
[例3] [对核聚变的理解](多选)下列关于核聚变的说法正确的是(　　)
[A] 核聚变比核裂变更为安全、清洁
[B] 任意两个原子核都可以发生核聚变
[C] 两个轻核结合成质量较大的核,总质量较核聚变前增加
[D] 两个轻核结合成质量较大的核,新核的比结合能比两个轻核的大
【答案】 AD
【解析】 与核裂变相比,轻核聚变更为安全、清洁,A正确;自然界中最容易发生的核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;两个轻核发生核聚变,结合成质量较大的核时,放出巨大的能量,根据E=mc2可知,核聚变反应中存在质量亏损,则总质量较核聚变前减少,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,新核的比结合能比两个轻核的大,D正确。
[例4] [核聚变产生核能的计算] 一个氘核H)和一个氚核H)发生核聚变时,可以得到一个氦核和一个中子,已知 H的比结合能是 1.09 MeVH的比结合能是 2.78 MeVHe的比结合能是 7.03 MeV,中子无结合能。
(1)写出核聚变的核反应方程;
(2)求发生核聚变时释放的能量;
(3)求发生核聚变时亏损的质量(c=3.0×108 m/s)。
【答案】 (1HHHen　(2)17.6 MeV
(3)3.13×10-29 kg
【解析】 (1)核反应方程为 HHHen。
(2)核聚变反应前氘核和氚核的总结合能为
E1=(1.09×2+2.78×3) MeV=10.52 MeV,
反应后生成的氦核的结合能为
E2=7.03×4 MeV=28.12 MeV,
由于中子无结合能,所以核聚变过程释放出的能量为
ΔE=E2-E1=(28.12-10.52) MeV=17.6 MeV。
(3)由质能方程可知ΔE=Δmc2,
由单位换算关系可知1 eV=1.6×10-19 J,则
ΔE=17.6 MeV=2.816×10-12 J,
代入可得Δm≈3.13×10-29 kg。
1.(多选)关于粒子,下列说法正确的是(　　)
[A] 质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
[B] 质子、中子本身也是复合粒子,它们具有复杂的结构
[C] 质子是带电的强子
[D] 光子是希格斯玻色子
【答案】 BC
【解析】 质子和中子是由不同的夸克组成的,它们不是最基本的粒子,故A错误,B正确;不同的夸克组成的强子,有的带电,有的不带电,质子是带正电的强子,故C正确;光子是规范玻色子,故D错误。
2.(2023·天津卷)关于太阳上进行的核聚变,下列说法正确的是(　　)
[A] 核聚变需要在高温下进行
[B] 核聚变中电荷不守恒
[C] 太阳质量不变
[D] 太阳核反应方程式UnBa+Kr+n
【答案】 A
【解析】 因为只有高温才能使得粒子的热运动剧烈,才有可能克服核子间的库仑斥力,使得核子间的距离缩短,发生聚变,故A正确;核聚变中电荷是守恒的,故B错误;太阳一直发生核聚变反应并释放大量能量,根据质能方程可知反应是要消耗一定的质量的,故C错误;核聚变的方程为 H+Hn,故D错误。
3.(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源,一种裂变反应式是 UnBa+Kr+n。下列说法正确的是(　　)
[A] 铀块体积对链式反应的发生无影响
[B] 反应堆中铀核的反应速度可以人工控制
[C] 反应方程左边物质的能量之和大于反应方程右边物质的能量之和
[D] 反应方程左边物质的结合能之和小于反应方程右边物质的结合能之和
【答案】 BCD
【解析】 铀块体积需要达到临界体积才能发生链式反应,因此铀块体积对链式反应的发生有影响,故A错误;镉棒可以吸收核反应产生的中子,因此反应堆中铀核的反应速度可以通过插入控制棒进行人工控制,故B正确;重核的裂变反应为放能反应,因此核反应方程左边物质的能量之和大于核反应方程右边物质的能量之和,故C正确;根据结合能的含义可知,反应方程左边物质的结合能之和小于反应方程右边物质的结合能之和,故D正确。
课时作业
(分值:60分)
基础巩固练
考点一　重核的裂变和核电站
1.(4分)如图所示为核反应堆的示意图,铀棒是核燃料,其中一种反应方程为 UnBa+Kr+n,则下列说法正确的是(　　)
[A] 铀核的比结合能比钡核的小
[B] 该反应为热核反应
[C] 镉棒插入深一些可增大链式反应的速度
[D] 铀核的半衰期会受到环境温度的影响
【答案】 A
【解析】 在该核反应中,会释放出大量的能量,由比结合能越大原子核越稳定,可知铀核的比结合能比钡核的小,A正确;该反应为重核裂变反应,不是热核反应,B错误;镉棒插入深一些会吸收更多的中子,减小链式反应的速度,C错误;铀核的半衰期与环境温度无关,D错误。
2.(4分)天然铀中主要有铀238和铀235,其中,铀235的裂变方程为 UnBa+n,下列说法正确的是(　　)
[A] 铀235裂变可以自发进行
[B] 反应方程中A=144,Z=53
[C] Kr的比结合能大于 U的比结合能
[D] 离地表越深,温度越高,铀235的半衰期也越大
【答案】 C
【解析】 铀235的裂变需要中子轰击才能发生,故A错误;根据反应过程满足质量数和电荷数守恒可知A=235+1-89-3=144,Z=92-36=56,故B错误;核裂变会释放能量,则反应后的产物 Kr的比结合能大于U的比结合能,故C正确;半衰期不随温度变化而变化,故D错误。
考点二　轻核的聚变
3.(4分)下列核反应方程中属于聚变反应的是(　　)
[A] HHHen
[B] NHeOH
[C] HeAlPn
[D] UnBaKr+n
【答案】 A
【解析】 聚变是指由质量小的原子核,主要是指氘或氚,在一定条件下(如超高温和高压),发生原子核互相聚合作用,生成新的质量较大的原子核,并伴随着巨大的能量释放的一种核反应方式,A是轻核聚变,B是人工核反应,C是原子核的人工转变,D是重核裂变,A正确,B、C、D
错误。
4.(4分)下列关于核聚变的说法正确的是(　　)
[A] 轻核聚变过程,原子核的比结合能变大
[B] 轻核聚变在常温常压下即可自发地进行
[C] 轻核聚变过程,生成物的质量大于反应物的质量
[D] 与核裂变反应相比,核聚变的产能效率更低
【答案】 A
【解析】 原子核的比结合能越大越稳定,核聚变过程释放能量,生成物较稳定,比结合能变大,A正确;轻核聚变反应过程需要使得一部分原子核具有足够的动能,可以克服库仑斥力,因此需要高温,B错误;核反应方程电荷数和质量数守恒,释放热量,质量亏损,所以生成物的质量小于反应物的质量,C错误;与核裂变反应相比,核聚变的产能效率更高,D错误。
5.(6分)(多选)已知一种核聚变反应是由一个氘核和一个氚核结合成一个氦核同时放出一个中子。下列关于该核反应的说法正确的是(　　)
[A] 该核反应中氘核和氚核的总质量大于氦核和中子的总质量
[B] 氘核与氚核在同一磁场内做完整圆周运动时的周期之比为2∶3
[C] 重核裂变一定比轻核聚变释放的核能更多
[D] 氘核和氚核是核聚变的核反应燃料,目前核电站主要利用核聚变反应释放的能量发电
【答案】 AB
【解析】 在核聚变反应过程中有能量放出,故存在质量亏损,氘核和氚核的总质量大于氦核和中子的总质量,故A正确;由T=可知,氘核与氚核的电荷数相等,质量数之比为2∶3,则氘核与氚核在同一磁场内做完整圆周运动时的周期之比为2∶3,故B正确;相同质量的核燃料,轻核聚变比重核裂变释放的核能更多,故C错误;目前核电站主要利用铀核裂变反应释放的能量发电,故D错误。
6.(12分)氦3He)是月球岩石中的新物质,该物质可以与氘H)发生核聚变反应,并放出质子 H。已知 He的原子质量为3.016 0 uH的原子质量为2.014 0 uHe的原子质量为
4.002 6 u,质子的原子质量为1.007 8 u,1 u相当于931 MeV的能量。
(1)请写出此核反应方程;
(2)求该核反应中释放的核能(结果保留2位小数)。
【答案】 (1HeHHeH　(2)18.25 MeV
【解析】 (1)根据题意,该核反应方程为
HeHHeH。
(2)核反应的质量亏损
Δm=3.016 0 u+2.014 0 u-4.002 6 u-1.007 8 u
=0.019 6 u,
释放出的核能ΔE=0.019 6×931 MeV≈18.25 MeV。
综合提升练
7.(4分)目前普遍认为,质子和中子都是由被称为 u夸克和d夸克的两类夸克组成,u夸克带电荷量为,d夸克带电荷量为-,e为元电荷,下列论断可能正确的是(　　)
[A] 质子由1个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成
[B] 质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成
[C] 质子由1个u夸克和2个d夸克组成,中子由2个u夸克和1个d夸克组成
[D] 质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和1个d夸克组成
【答案】 B
【解析】 由于质子带一个单位正电荷,中子不带电,设质子中u夸克、d夸克个数分别是x、y,x、y取正整数,则x×+y×(-) =e,解得x=2、y=1;设中子中u夸克、d夸克个数分别是m、n,m、n取正整数,则m×+n×(-) =0,解得m=1、n=2,即质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成,故B正确。
8.(6分)(多选)一种聚变-裂变混合反应堆的主体部分由“聚变堆芯”和“裂变包层”组成,“聚变堆芯”中氘、氚燃料发生可控核聚变反应,输出大量高能中子,“裂变包层”中的 U在高能中子的作用下可转变为 UU经过两次衰变后可变成 Pu,Pu 发生核裂变反应能够稳定、可控地输出巨大的能量。1个 Pu 核“捕捉”一个中子发生核裂变反应,可产生两个新核X1、X2,同时产生x个中子。已知 Pu 核、X1核、X2核和中子的质量分别为m、m1、m2和mn,光在真空中的传播速度为c。下列说法正确的是(　　)
[A] “聚变堆芯”中发生的核反应方程为 H+Hen
[B] U衰变为 Pu发生了2次β衰变
[C] 新核X1的比结合能小于 Pu核的比结合能
[D] 1个 Pu核发生核裂变反应释放的能量 ΔE=[m-m1-m2-(x-1)mn]c2
【答案】 BD
【解析】 核反应方程两边质量数不相等,故A错误U衰变为 Pu,衰变前后质量数没有变化,质子数增加了2,所以是发生了2次β衰变,故B正确;1个 Pu核“捕捉”一个中子发生核裂变反应,可产生两个中等质量的原子核,反应后新核的比结合能都比 Pu的大,故C错误;根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,可知ΔE=[m-m1-m2-(x-1)mn]c2,故D正确。
9.(16分)核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦,并释放一个中子,若已知氘原子的质量为2.014 1 u,氚原子的质量为 3.016 0 u,氦原子质量为4.002 6 u,中子的质量为1.008 7 u,1 u=1.66×10-27 kg。
(1)写出该核聚变反应的核反应方程式,并计算一次核聚变反应中释放的核能;(结果保留2位有效数字)
(2)未来建设一座应用此反应的热核发电站,若该发电站的功率P=5×105 kW,计算理论上该发电站一年(约3.15×107 s)大约需要多少千克的氘。(阿伏加德罗常数为6×1023 mol-1)
【答案】 (1HHHen　2.8×10-12 J
(2)18.75 kg
【解析】 (1)该核反应方程式为H+Hen,
反应中的质量亏损为
Δm=m氘+m氚-(m氦+m中)=0.018 8 u,
根据质能方程ΔE=Δmc2,
代入数据得ΔE≈2.8×10-12 J。
(2)该发电站一年产生的电能E=Pt,
代入数据求得E=1.575×1016 J,
理论上该发电站一年需要的氘的质量
m=×10-3,
代入数据解得m=18.75 kg。

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