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§5.4 核裂变 核聚变
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较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢？
核子平均质量
比结合能
核子的平均结合能随质量数的变化
z
核子结合成铁原子核或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大
使较重的核分裂成中等大小的核，比结合能会增加，发生质量亏损，
释放结合能。
20世纪30年代，物理学家的一个重大发现改变了人类历史。原子核在“分裂或聚合”时，会释放出惊人的能量。
温故知新
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
核裂变的发现
一、核裂变
核裂变：重核受粒子打击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应。
⑴铀核裂变的一种典型情形
（最典型的一种核反应方程式）
一、核裂变
裂变中释放出巨大的能量，在上述裂变中，裂变后的总质量小于裂变前的总质量，质量亏损：
释放出的能量为
分析探究
⑵铀核的三分裂、四分裂
1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇在巴黎首先观察到中子轰击铀核的三分裂和四分裂现象。
铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有:
二分裂
三分裂
四分裂
概率：
一、核裂变
1.原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等，在下列核反应中，属于核裂变反应的是 （ ）
A. 105B+10n→73Li+42He
B. 23892U→23490Th+42He
C. 147N+42He→178O+11H
D. 23592U+10n→9038Sr+13654Xe+1010n
D
2.(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是(　　)
A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定分裂为质量差不多的两部分
B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量
C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分
D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应
BC
用中子轰击 等少数重核元素才能发生裂变反应
二、链式反应
当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且由重核裂变产生的中子使裂变反应自动延续下去，这种反应叫核裂变的链式反应。
⑴定义：
二、链式反应
（2）临界体积和临界质量：使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。
铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，就有可能不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。只有当铀核足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，使链式反应进行下去。
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。
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？
想一想
答案：(1)不是　(2)不能
解析：重核的裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，只有达到链式反应的条件时，才会发生重核的裂变。
一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能!
(3)核裂变释放大量的能量
原子弹是利用重核的裂变反应制成的,高纯度的铀或钚超过临界体积时发生链式反应,在极短时间内能够释放大量核能，发生猛裂爆炸。
原子弹
原子弹的结构有“内爆式”和“枪式”两种。
拓展学习
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。
【例题】 (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
小试牛刀
【例题】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
通过可控制的链式反应来释放核能的装置。
“热中子（慢中子）”核反应堆示意图
水泥防护层
控制棒——镉棒
燃料棒—铀棒
减速剂
①铀棒：由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，它是核反应堆的燃料。
②石墨(或重水)：石墨(或重水)作为慢化剂，附着在铀棒周围，使反应生成的快中子变为慢中子，便于被铀235“捉”住，发生核裂变。
③镉棒：主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫作控制棒。
④水泥防护层：屏蔽射线，防止放射性污染。
三、核反应堆
核电站工作流程
四、核电站
第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核心反应放出的热使水的内能增加，水温升高。第一回路的水进入交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆。
在热交换器内，第二回路中的水被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。
⑴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。
【例题】(多选)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
小试牛刀
【例题】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
小试牛刀
五、核聚变
两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。
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，核反应方程：
其他聚变
反应方程:
1、定义：
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(上亿摄氏度的温度)
⑴用加速器加速原子核(轻核的距离达到10-15 m以内)
思考与讨论
恒星
科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！
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。
太阳每秒辐射出的能量约为3.8x 1026J，相当于1 000亿亿吨煤燃烧所放出的能量，其中20亿分之一左右的能量被地球接收。现在地球上消耗的能量，追根溯源，绝大部分还是来自太阳，即太阳内部核聚变时释放的核能。
太阳聚变反应
2、核聚变普遍存在于宇宙中
普通炸药
Ｕ235
氘、氚
爆炸
裂变
聚变
1967年6月17日，我国首枚氢弹爆炸成功
不可控！
3、核聚变的利用——氢弹
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
中国科学院的环流器装置
4、可控核聚变的方案
六、受控热核反应
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
六、受控热核反应
(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。 (　　)
×　
×　
×　
√　
×　
判一判
【例题】(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是(　　)
A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定分裂为质量差不多的两部分
B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量
C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分
D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应
BD
小试牛刀
【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
AD
小试牛刀
【例题】核反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置，它主要由四部分组成，分别是(　　)
A．核燃料、慢化剂、碰撞系统、传热系统
B．核燃料、慢化剂、发热系统、传热系统
C．核燃料、慢化剂、冷却系统、控制调节系统
D．核燃料、中子源、原子能储存系统、输送系统
小试牛刀
C
【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
A
小试牛刀
【例题】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
小试牛刀
【例题】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
【例题】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：
Δm = (mu+ mn) - (mBa+mKr+3mn)= 0.3578×10－27kg
小试牛刀
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Thanks!
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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