高中物理 第5章 核能與社會學(xué)案 滬科版選修35

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1、 第5章 核能與社會 一、對核反應(yīng)方程及類型的理解 1．四類核反應(yīng)方程的比較 名稱 核反應(yīng)方程式 時間 其它 衰 變 α衰變 92U→90Th＋He β衰變 90Th→91Pa＋　0－1e 1896年 貝可勒 爾發(fā)現(xiàn) 裂變 92U＋n→Sr＋Xe＋10n ＋141 MeV 1938年 原子彈 原理　 聚變 H＋H→He＋n＋17.6 MeV 氫彈 原理 人 工 轉(zhuǎn) 變 正電子 Al＋He→P＋n P→Si＋e 1934年 約里 奧—居 里夫人 發(fā)現(xiàn) 質(zhì)子 7N＋He→8O＋H 1919年

2、 盧瑟福 發(fā)現(xiàn) 中子 Be＋He→6C＋n 1932年 查德 威克 2.解題注意 (1)熟記一些粒子的符號 α粒子(He)、質(zhì)子(H)、中子(n)、電子(　0－1e)、氘核(H)、氚核(H)． (2)注意在核反應(yīng)方程式中，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)是守恒的；在解有關(guān)力學(xué)綜合問題時，還有動量守恒和能量守恒． 例1　現(xiàn)有三個核反應(yīng)： ①Na→Mg＋e ②U＋n→Ba＋Kr＋3n ③H＋H→He＋n 下列說法正確的是(　　) A．①是裂變，②是β衰變，③是聚變 B．①是聚變，②是裂變，③是β衰變 C．①是β衰變，②是裂變，③是聚變 D．①是β衰變，②是聚變，③是裂變 解

3、析　原子核的變化通常包括衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變和聚變．衰變是指原子核放出α粒子和β粒子后，變成新的原子核的變化，像本題中的核反應(yīng)①；原子核的人工轉(zhuǎn)變是指在其它粒子的轟擊下變成新的原子核的變化；裂變是重核分裂成質(zhì)量較小的核，像核反應(yīng)②；聚變是輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，像核反應(yīng)③.綜上所述，C項正確． 答案　C 針對訓(xùn)練1　在下列四個核反應(yīng)中，X表示中子的是哪些？在以下核反應(yīng)中哪些屬于原子核的人工轉(zhuǎn)變？ A.N＋He→O＋X B.Al＋He→P＋X C.H＋H→He＋X D.U＋X→Sr＋Xe＋10X 答案　BCD　AB 解析　在核反應(yīng)中，不管是什么類型的核反應(yīng)，都遵守電荷數(shù)守恒和質(zhì)量

4、數(shù)守恒，據(jù)此，可以判斷未知粒子屬于什么粒子．在A中，未知粒子的質(zhì)量數(shù)為：14＋4＝17＋x，x＝1，其電荷數(shù)為：7＋2＝8＋y，y＝1，即未知粒子是質(zhì)子(H)；對B，未知粒子的質(zhì)量數(shù)為：27＋4＝30＋x，x＝1，其電荷數(shù)為：13＋2＝15＋y，y＝0，所以是中子(n)；對C，未知粒子的質(zhì)量數(shù)為：2＋3＝4＋x，x＝1，電荷數(shù)為：1＋1＝2＋y，y＝0，也是中子(n)；對D，未知粒子的質(zhì)量數(shù)為：235＋x＝90＋136＋10x，x＝1，電荷數(shù)為：92＋y＝38＋54＋10y，y＝0，也是中子(n)，故方程中X為中子的核反應(yīng)為B、C、D.A、B為原子核的人工轉(zhuǎn)變． 二、核能的計算方法 1．根

5、據(jù)質(zhì)量虧損計算核能 (1)用ΔE＝Δmc2計算核能 公式中的各物理量必須用國際單位制中的單位來表示，所以，當(dāng)原子核及核子的質(zhì)量用“kg”作單位時，用該式計算核能較為方便． (2)用1 u的質(zhì)量相當(dāng)于931.5 MeV的能量來計算核能． 2．根據(jù)結(jié)合能計算核能 利用結(jié)合能計算核能時要采用“先拆散，再結(jié)合”的方法． 例2　假設(shè)兩個氘核在一直線上相碰發(fā)生聚變反應(yīng)生成氦核的同位素和中子，已知氘核的質(zhì)量是2.013 6 u，中子的質(zhì)量是1.008 7 u，氦核同位素的質(zhì)量是3.015 0 u，則聚變的核反應(yīng)方程是____________，在聚變反應(yīng)中釋放出的能量為______MeV(保留兩位

6、有效數(shù)字)． 解析　根據(jù)題中條件，可知核反應(yīng)方程為 H＋H→He＋n. 核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損 Δm＝2mH－(mHe＋mn) ＝22.013 6 u－(3.015 0＋1.008 7)u＝3.510－3u 由于1 u的質(zhì)量與931.5 MeV的能量相對應(yīng)，所以氘核聚變反應(yīng)時放出的能量為 ΔE＝3.510－3931.5 MeV≈3.3 MeV. 答案　H＋H→He＋n　3.3 針對訓(xùn)練2　為驗證愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2的正確性，設(shè)計了如下實驗：用動能為E1＝0.6 MeV的質(zhì)子轟擊靜止的鋰核Li，生成兩個α粒子，測得兩個α粒子的動能之和為E2＝18.1 MeV. (1

7、)寫出該核反應(yīng)方程； (2)通過計算說明ΔE＝Δmc2正確．(已知質(zhì)子、α粒子、鋰核的質(zhì)量分別為mp＝1.007 8 u，mα＝4.002 6 u，mLi＝7.016 0 u) 答案　見解析 解析　(1)核反應(yīng)方程為：Li＋H→He＋He. (2)核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損：Δm＝mLi＋mp－2mα＝7.016 0 u＋1.007 8 u－24.002 6 u＝0.018 6 u．由質(zhì)能方程可得質(zhì)量虧損釋放的能量：ΔE′＝Δmc2＝0.018 6931.5 MeV≈17.3 MeV.而系統(tǒng)增加的動能：ΔE＝E2－E1＝(18.1－0.6) MeV＝17.5 MeV.這些能量正是來自核反應(yīng)

8、中的質(zhì)量虧損，在誤差允許范圍內(nèi)可視為相等，所以ΔE＝Δmc2正確． 三、核反應(yīng)與能量的綜合 例3　用中子轟擊鋰核(Li)發(fā)生核反應(yīng)，生成氚核(H)和α粒子，并放出4.8 MeV的能量． (1)寫出核反應(yīng)方程． (2)求出質(zhì)量虧損． (3)若中子和鋰核是以等值反向的動量相碰，則氚核和α粒子的動能比是多少？ (4)α粒子的動能是多大？ 解析　(1)核反應(yīng)方程為Li＋n→H＋He＋4.8 MeV (2)依據(jù)ΔE＝Δmc2得 Δm＝ u＝0.005 2 u (3)根據(jù)題意有0＝m1v1＋m2v2 式中m1、m2、v1、v2分別為氚核和α粒子的質(zhì)量和速度，由上式及動能Ek＝，可得它

9、們的動能之比為 Ek1∶Ek2＝∶＝∶＝m2∶m1＝4∶3. (4)α粒子的動能 Ek2＝(Ek1＋Ek2)＝4.8 MeV＝2.06 MeV 答案　(1)Li＋n→H＋He＋4.8 MeV (2)0.005 2 u　(3)4∶3　(4)2.06 MeV 1．據(jù)新華社報道，由我國自行設(shè)計、研制的世界第一套全超導(dǎo)核聚變實驗裝置(又稱“人造太陽”)已完成了首次工程調(diào)試．下列關(guān)于“人造太陽”的說法正確的是(　　) A．“人造太陽”的核反應(yīng)方程是H＋H→He＋n B．“人造太陽”的核反應(yīng)方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n C．“人造太陽”釋放的能量大小的計算公式是ΔE＝Δmc2 D

10、．“人造太陽”核能大小的計算公式是E＝mc2 答案　AC 解析　A是核聚變反應(yīng)，B是核裂變反應(yīng)，故A正確，B錯誤；核反應(yīng)方程中計算能量的關(guān)系式是愛因斯坦的質(zhì)能方程，故C正確，D錯誤． 2．一個U原子核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應(yīng)，其裂變方程為U＋n→X＋Sr＋2n，則下列敘述正確的是(　　) A．X原子核中含有86個中子 B．X原子核中含有141個核子 C．因為裂變時釋放能量，根據(jù)E＝mc2，所以裂變后的總質(zhì)量數(shù)增加 D．因為裂變時釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少 答案　A 解析　由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知235＋1＝a＋94＋21,92＝b＋38，解

11、得a＝140，b＝54，其中a為X的質(zhì)量數(shù)，b為X的核電荷數(shù)，X核中的中子數(shù)為a－b＝140－54＝86，由此可知A正確，B錯誤；裂變釋放能量，由質(zhì)能關(guān)系可知，其總質(zhì)量減少，但質(zhì)量數(shù)守恒，故C、D均錯誤． 3．兩個動能均為1 MeV的氘核發(fā)生正面碰撞，引起如下反應(yīng)：H＋H→H＋H. (1)此核反應(yīng)中放出的能量ΔE為______________． (2)若放出的能量全部變?yōu)樾律说膭幽?，則新生的氚核具有的動能是__________．(已知mH＝2.013 6 u，mH＝3.015 6 u，mH＝1.007 3 u) 答案　(1)4.005 MeV　(2)1.5 MeV 解析　(1)此核

12、反應(yīng)中的質(zhì)量虧損和放出的能量分別為： Δm＝(22.013 6－3.015 6－1.007 3) u＝0.004 3 u， ΔE＝Δmc2＝0.004 3931.5 MeV＝4.005 MeV. (2)因碰前兩氘核動能相同，相向正碰，故碰前的總動量為零．因核反應(yīng)中的動量守恒，故碰后質(zhì)子和氚核的總動量也為零．設(shè)其動量分別為p1，p2，必有p1＝－p2. 設(shè)碰后質(zhì)子和氚核的動能分別為Ek1和Ek2，質(zhì)量分別為m1和m2.則＝＝＝＝＝， 故新生的氚核具有的動能為 Ek2＝(ΔE＋Ek0)＝(4.005＋2) MeV＝1.5 MeV. 4．在所有能源中，核能具有能量密度大、區(qū)域適應(yīng)性強的

13、優(yōu)勢．在核電站中，核反應(yīng)堆釋放的核能被轉(zhuǎn)化為電能．核反應(yīng)堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量的核能． (1)核反應(yīng)方程U＋n→Ba＋Kr＋aX是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)中的一種，則a的值為多少，X表示哪一種粒子？ (2)上述反應(yīng)中，分別用mU、mB、mK表示U、Ba、Kr的質(zhì)量，用mn和mp表示中子和質(zhì)子的質(zhì)量，則該反應(yīng)過程中釋放的核能為多少？ 答案　(1)a＝3；X表示中子　(2)(mU－mB－mK－2mn)c2 解析　(1)a＝3；X表示中子． (2)質(zhì)量虧損Δm＝mU－mB－mK－2mn，釋放的核能ΔE＝Δmc2＝(mU－mB－mK－2mn)c2. 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375