2019-2020年高中物理第四章原子核第五節(jié)裂變和聚變教學(xué)案粵教版選修3-5.doc

2019-2020年高中物理第四章原子核第五節(jié)裂變和聚變教學(xué)案粵教版選修3-51兩個(gè)輕核聚合成一個(gè)較重核的反應(yīng)叫核聚變，較重的核分裂成兩個(gè)較輕核的反應(yīng)叫核裂變。2一個(gè)核的裂變引發(fā)一個(gè)或一個(gè)以上的核發(fā)生裂變，讓核裂變過程自己持續(xù)下去的核反應(yīng)叫做鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。3為了使鈾核裂變時(shí)放出的中子再引起其他鈾核裂變，就可使裂變反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最好是利用純鈾235；鈾塊的體積必須大于其臨界體積。如果體積小，中子從鈾塊中穿過時(shí)，碰不到原子核，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不會發(fā)生。4要使輕核聚變，就必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離1015 m，由于原子核是帶正電的，就必須克服電荷間很大的斥力作用，這就要求使核具有足夠的動能，就要給核力加熱，使物質(zhì)達(dá)到幾百萬度以上的高溫，使輕核在互相碰撞中接近到可以發(fā)生聚變的程度。因此這種反應(yīng)又叫做熱核反應(yīng)。5如果要使巨大的熱核反應(yīng)能量不是以爆炸的形式釋放，而是在人工控制下逐漸地釋出來并加以利用(例如發(fā)電)，這稱為受控?zé)岷朔磻?yīng)。6太陽輻射能量主要來自太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)。核裂變與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)1.核裂變(1)概念：較重的一個(gè)核分裂成兩個(gè)較輕的核時(shí)，會釋放出能量，這種核反應(yīng)叫做核裂變。(2)鈾核裂變分析：核子受激發(fā)：當(dāng)中子進(jìn)入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核，復(fù)核中由于核子的激烈運(yùn)動，使核變成不規(guī)則的形狀。核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時(shí)放出23個(gè)中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進(jìn)行下去，釋放出越來越多的核能。能量：鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量。一般說來，平均每個(gè)核子放出的能量約為1 MeV,1 kg鈾235全部裂變放出的能量相當(dāng)于2 800 t優(yōu)質(zhì)煤燃燒時(shí)釋放的能量。(3)鈾235和鈾238的比較在天然鈾中，99.3%的是U,0.7%的是U，雖然中子都能引起這兩種鈾核發(fā)生裂變，但它們和中子作用的情況明顯不同。U俘獲各種能量的中子都會發(fā)生裂變，且俘獲低能量的中子發(fā)生裂變的概率大。U只有在俘獲的中子的能量大于1 MeV時(shí)才能發(fā)生核反應(yīng)，且裂變的幾率較小。對于低于1 MeV的中子只與鈾核發(fā)生彈性碰撞，不能引起核反應(yīng)。2鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(1)定義：發(fā)生裂變時(shí)，為了讓核裂變過程自己持續(xù)下去，源源不斷地將核能釋放出來，這樣的核反應(yīng)叫做鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。(2)示意圖：如圖451所示圖4513鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件(1)鈾塊的體積大于臨界體積。體積超過臨界體積時(shí)，保證中子能夠碰到鈾核。(2)有足夠濃度的鈾235。(3)有足夠數(shù)量的慢中子。(1)重核的裂變只能發(fā)生在人為控制的核反應(yīng)中，自然界不會自發(fā)地產(chǎn)生。如鈾核裂變不能自發(fā)地進(jìn)行，要使鈾核裂變，首先要利用中子轟擊鈾核，使鈾核分裂。(2)重核裂變反應(yīng)速度很快，不加控制的話，能量在很短的瞬間急劇釋放。如果采用其他方法對反應(yīng)速度加以控制就可以和平地利用這種巨大的核能。核電站就是可控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。1裂變反應(yīng)中釋放出的能量來自于()A核子消失轉(zhuǎn)化為能量B原子中電子與原子核的電勢能減小C入射的中子消失轉(zhuǎn)化為能量D原子核的平均結(jié)合能變大，釋放出能量解析：發(fā)生核反應(yīng)過程中，核子數(shù)保持守恒，中子未消失，故A、C錯(cuò)誤。能量來自于原子核內(nèi)部，因重核在分裂為中等質(zhì)量的原子核時(shí)，平均結(jié)合能增加而釋放出能量，C錯(cuò)誤，D正確。答案：D受控?zé)岷朔磻?yīng)1.核聚變(1)概念：兩個(gè)輕核聚合成一個(gè)較重的核時(shí)，會釋放出能量，這種核反應(yīng)叫做核聚變。(2)發(fā)生的條件要使輕核聚變，必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離1015 m，這要克服電荷間強(qiáng)大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能。2熱核反應(yīng)(1)概念：要使輕核聚變，就要求使輕核具有足夠大的動能，給輕核加熱到很高的溫度，當(dāng)物質(zhì)達(dá)到幾百萬度以上的高溫時(shí)，一部分原子核就具有足夠的動能而發(fā)生聚變，因此核聚變又叫熱核反應(yīng)。(2)熱核反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)(與裂變相比)產(chǎn)生的能量大；反應(yīng)后生成的放射性物質(zhì)易處理；熱核反應(yīng)的燃料在地球上儲量豐富。(3)熱核反應(yīng)的兩種方式爆炸式熱核反應(yīng)；受控式熱核反應(yīng)(目前正處于探索、實(shí)驗(yàn)階段)。3核聚變與核裂變的區(qū)別(1)原理不同重核的裂變是重核裂變成幾個(gè)中等質(zhì)量的原子核，放出能量，而聚變是幾個(gè)輕核聚變(結(jié)合)成一個(gè)中等質(zhì)量的原子核，放出巨大的能量。(2)放出能量的大小不同重核裂變時(shí)，平均每個(gè)核子釋放的能量約為1兆電子伏，而輕核的聚變，平均每個(gè)核子釋放出3兆電子伏以上的能量，即聚變比裂變能放出更多的能量。(3)廢料處理難度不同裂變產(chǎn)生的廢料處理起來比較困難，而熱核反應(yīng)的廢料處理要簡單得多。(4)“燃料”的豐富程度不同熱核反應(yīng)所需要的“燃料”氘在地球上非常豐富，1升海水中大約有0.03克氘，如果用來進(jìn)行熱核反應(yīng)，放出的能量約和燃燒300升汽油相當(dāng)。而裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢?，尤其是用于核裂變的?35，在鈾礦中僅占0.7 %，相比起來聚變的燃料氘要豐富得多。我國是一個(gè)“貧鈾”國家，貯藏量不多。(5)兩種反應(yīng)的可控制性不同裂變反應(yīng)速度可以比較容易地進(jìn)行人工控制，因此，現(xiàn)在國際上的核電站都是利用裂變放出能量，而聚變反應(yīng)的可控制性比較困難，世界上許多國家都積極研究可控?zé)岷朔磻?yīng)的理論和技術(shù)。2(雙選)下列說法正確的是()A聚變反應(yīng)中有質(zhì)量虧損，所以必向外界放出能量B使核發(fā)生聚變反應(yīng)必須使核之間的距離接近到11015 m，也就是接近到核力能夠發(fā)生作用的范圍內(nèi)C要使核發(fā)生聚變反應(yīng)，必須克服核力做功D熱核反應(yīng)只有在人工控制下才能發(fā)生解析：由質(zhì)能方程可知A正確；輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，必須使輕核間的距離達(dá)到發(fā)生核力的范圍，才能使它們緊密地結(jié)合起來，B正確，C錯(cuò)誤；熱核反應(yīng)必須在很高的溫度下才能發(fā)生，不一定要人工控制，D錯(cuò)。答案：AB對裂變反應(yīng)的理解例1關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是()A核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量B中子進(jìn)入鈾塊中時(shí)，一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)量減小D由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時(shí)，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能解析根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變放能的原理分析可知，裂變時(shí)因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程。而并非中子的能量，故A錯(cuò)誤。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有條件的，即鈾塊的體積必須大于其臨界體積。如果體積小，中子進(jìn)入鈾塊時(shí)，裂變中產(chǎn)生的中子散失到外界，沒有足夠的中子，則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不會發(fā)生，故B錯(cuò)誤。在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會減少的，如U裂變?yōu)镾r和Xe的核反應(yīng)，其核反應(yīng)方程為UnSrXe10n，其中各粒子質(zhì)量分別為mU235.043 9 u，mn1.008 67 u，mSr89.907 7 u，mXe135.907 2 u，質(zhì)量虧損為m(mUmn)(mSrmXe10mn)0.151 0 u可見鈾裂變的質(zhì)量虧損是遠(yuǎn)小于一個(gè)核子的質(zhì)量的，核子數(shù)是不會減少的，因此C錯(cuò)誤，重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)，由于平均質(zhì)量減小，發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能。故D正確。答案D(1)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件是：要俘獲慢中子；鈾塊的體積大于或等于臨界體積(2)重核裂變會釋放能量的理解從平均結(jié)合能上看，中等質(zhì)量的原子核平均結(jié)合能較大，質(zhì)量較大的重核分裂為中等質(zhì)量原子核時(shí)，要放出能量。從核子的平均質(zhì)量上看，中等質(zhì)量的原子核內(nèi)核子的平均質(zhì)量較小，如果由核子平均質(zhì)量較大的重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量原子核，質(zhì)量要虧損，所以要放出能量。輕核聚變的理解與計(jì)算例2兩個(gè)氘核聚變產(chǎn)生一個(gè)中子和一個(gè)氦核(氦的同位素)。已知氘核質(zhì)量m02.013 6 u，氦核質(zhì)量mHe3.0150 u，中子質(zhì)量mn1.008 7 u。(1)寫出聚變方程并算出釋放的核能(已知1 u相當(dāng)于931.5 MeV)；(2)若反應(yīng)前兩氘核的動能均為Ek00.35 MeV，它們正面對撞發(fā)生核聚變，且反應(yīng)后釋放的核能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽瑒t反應(yīng)產(chǎn)生的氦核和中子的動能各為多大？解析(1)聚變的核反應(yīng)方程為2HHen。這個(gè)核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為：m2m0(mHemn)(22.013 63.015 01.008 7)u0.003 5 u。釋放的核能為E0.003 5931.5 MeV3.26 MeV。(2)把兩個(gè)氘核作為一個(gè)系統(tǒng)，對撞過程中動量守恒，由于反應(yīng)前兩核動能相同，其動量等值反向，因此反應(yīng)前后系統(tǒng)的總動量恒為零，即：0mHevHemnvn又由于反應(yīng)前后能量守恒，故反應(yīng)后氦核和中子的總動能為：mHevmnvE2Ek0因?yàn)閙Hemn31，所以氦核和中子的速率之比為：把這兩個(gè)關(guān)系式代入式得：E2Ek04mHev4EkHe。解得氦核的動能和中子的動能分別為：EkHe(3.2620.35) MeV0.99 MeV，Ekn3EkHe2.97 MeV。答案(1)2HHen3.26 MeV(2)0.99 MeV2.97 MeV(1)計(jì)算核聚變中釋放的核能，方法與其他核反應(yīng)相似。首先，應(yīng)算出聚變前的核子質(zhì)量和反應(yīng)后的質(zhì)量，進(jìn)而求出質(zhì)量虧損mm前m后，再運(yùn)用愛因斯坦質(zhì)能方程Emc2求出釋放的總能量。該類問題是原子物理部分在高考中的熱點(diǎn)。(2)此類問題常犯的錯(cuò)誤在于運(yùn)用能量守恒定律解題時(shí)沒有將該反應(yīng)過程中由于質(zhì)量虧損釋放的核能考慮進(jìn)去，而認(rèn)為作用后的總動能等于作用前的總動能。聚變反應(yīng)HHHen，反應(yīng)原料氘(H)富存于海水中，而氚(H)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通過中子轟擊鋰核(Li)的人工核轉(zhuǎn)變得到。則：(1)請把下列用中子轟擊鋰核(Li)產(chǎn)生一個(gè)氚核(H)和一個(gè)新核的人工核轉(zhuǎn)變方程填寫完整：Li_H。(2)在(1)中，每生產(chǎn)1 g的氚同時(shí)有多少個(gè)Li核實(shí)現(xiàn)了核轉(zhuǎn)變？(阿伏加德羅常數(shù)N6.01023個(gè)/mol)(3)一個(gè)氘核和一個(gè)氚核發(fā)生核聚變時(shí)，平均每個(gè)核子釋放的能量為E05.61013 J。求發(fā)生核聚變時(shí)的質(zhì)量虧損。解析：(1)LinHeH(2)因?yàn)? g氚為 mol，根據(jù)該反應(yīng)方程實(shí)現(xiàn)核轉(zhuǎn)變的Li核也為 mol，所以有6.010232.01023個(gè)Li核實(shí)現(xiàn)了核轉(zhuǎn)變。(3)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程Emc2，核聚變中有5個(gè)核子參加了反應(yīng)，所以該核聚變中的質(zhì)量虧損m kg3.11029 kg。答案：(1)nHe(2)2.01023個(gè)(3)3.11029 kg1(雙選)我國科學(xué)家研制“兩彈”所涉及的基本核反應(yīng)有：(1)UnSrXekn(2)HHHedn關(guān)于這兩個(gè)方程的下列說法，正確的是()A方程(1)屬于衰變B方程(2)屬于輕核聚變C方程(1)中k10，方程(2)中d1D方程(1)中k6，方程(2)中d1解析：方程(1)應(yīng)屬于重核裂變而不是衰變，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；方程(2)為輕核聚變，選項(xiàng)B正確；核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒、核電荷數(shù)守恒，方程(1)中：235190136k1，解得k10，方程(2)中：234d1，解得d1，選項(xiàng)C正確、D錯(cuò)誤。答案：BC2下列核反應(yīng)方程，屬于裂變反應(yīng)的有()A.UThHeB.UnBaKr3nC.PSieD.BeHe6Cn解析：A選項(xiàng)是衰變，B選項(xiàng)是裂變，C選項(xiàng)是放射性元素的衰變，D選項(xiàng)是查德威克發(fā)現(xiàn)中子的人工轉(zhuǎn)變方程，故B正確，A、C、D錯(cuò)。答案：B32006年3月23日央視報(bào)道，中科院離子物理所經(jīng)過八年的艱苦奮斗，終于建成了世界上第一個(gè)全超導(dǎo)的托卡馬克試驗(yàn)裝置并調(diào)試成功；這種裝置被稱為“人造太陽”(如圖1所示)，圖1它能夠承受上億攝氏度高溫且能夠控制等離子態(tài)的核子發(fā)生聚變并穩(wěn)定持續(xù)地輸出能量，就像太陽一樣為人類提供無限清潔的能源。在下列核反應(yīng)方程中有可能是該裝置內(nèi)部所進(jìn)行的核反應(yīng)的是()A.NHeOHB.HHHenC.UThHeD.UnBaKr3n解析：由題意可知，核反應(yīng)為聚變反應(yīng)，故C、D錯(cuò)由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知A錯(cuò)B對。答案：B4重核裂變和輕核聚變是人們獲得核能的兩個(gè)途徑，下列說法中正確的是()A裂變過程質(zhì)量增加，聚變過程質(zhì)量虧損B裂變過程質(zhì)量虧損，聚變過程質(zhì)量增加C裂變過程和聚變過程都有質(zhì)量增加D裂變過程和聚變過程都有質(zhì)量虧損解析：裂變和聚變中都有核能的釋放，由愛因斯坦質(zhì)能方程Emc2可知均有質(zhì)量虧損，故D對。答案：D5下列關(guān)于聚變的說法中，錯(cuò)誤的是()A要使聚變產(chǎn)生，必須克服庫侖斥力做功B輕核聚變需要幾百萬攝氏度的高溫，因此聚變又叫做熱核反應(yīng)C原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)D太陽和許多恒星內(nèi)部都在激烈地進(jìn)行著裂變反應(yīng)解析：輕核聚變時(shí)，要使輕核之間的距離達(dá)到1015 m，所以必須克服庫侖斥力做功，A正確；原子核必須有足夠的動能，才能使它們接近到核力能發(fā)生作用的范圍，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，原子核必須處在幾百萬攝氏度下才有這樣的能量，這樣高的溫度通常利用原子彈爆炸獲得，故B、C正確；在太陽內(nèi)部或其他恒星內(nèi)部都存在著熱核反應(yīng)，D錯(cuò)誤。答案：D6鈾核裂變時(shí)，對于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的重要因素，下列說法中正確的是()A鈾塊的質(zhì)量是重要因素，與體積無關(guān)B為了使鈾235裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好直接利用裂變時(shí)產(chǎn)生的快中子C若鈾235的體積超過它的臨界體積，裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就能夠發(fā)生D裂變能否發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與鈾塊的質(zhì)量無關(guān)解析：要發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)必須使鈾塊體積(或質(zhì)量)大于臨界體積或臨界質(zhì)量，故A、D 錯(cuò)，C對。鈾235俘獲慢中子發(fā)生裂變的概率大，快中子使鈾235發(fā)生裂變的幾率小，故B錯(cuò)。答案：C7氫彈和原子彈各是根據(jù)什么原理制造的()A都是根據(jù)重核裂變原理B都是根據(jù)輕核聚變原理C原子彈是根據(jù)輕核聚變原理，氫彈是根據(jù)重核裂變原理D原子彈是根據(jù)重核裂變原理，氫彈是根據(jù)輕核聚變原理解析：氫彈是根據(jù)輕核聚變，原子彈是根據(jù)重核裂變，故選項(xiàng)D對。答案：D8使兩個(gè)氘核發(fā)生聚變，必須使它們之間的距離接近到r0，也就是接近到核力能夠發(fā)生作用的范圍，溫度很高時(shí)，由氘原子構(gòu)成的物質(zhì)將成為等離子體，已知等離子體熱運(yùn)動的平均動能為Ekk1T，式中k1為波爾茲曼常量，T為熱力學(xué)溫度，兩個(gè)氘核之間的電勢能為Epk，k為靜電力常量，r為核之間的距離，則使氘核發(fā)生聚變的溫度至少應(yīng)為()A.B.C. D.解析：由能量守恒定律可得EkEp，即k1Tk，解得T，選項(xiàng)B對。答案：B9一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子聚變?yōu)橐粋€(gè)氚核，已知質(zhì)子質(zhì)量mH1.007 3 u，中子質(zhì)量mn1.008 7 u，氚核質(zhì)量m3018 0 u(1)寫出聚變方程；(2)釋放出的核能多大？(3)平均每個(gè)核子釋放的能量是多大？解析：(1)聚變方程H2nH(2)質(zhì)量虧損mmH2mnm(1.007 321.008 73.018 0) u0.006 7 u 釋放的核能Emc20.006 7931.5 MeV6.24 MeV。(3)平均每個(gè)核子放出的能量為 MeV2.08 MeV。答案：(1)H2nH(2)6.24 MeV(3)2.08 MeV10現(xiàn)有的核電站比較廣泛采用的核反應(yīng)之一是：UnNdZr3n8e(1)核反應(yīng)方程中的是反中微子，它不帶電，質(zhì)量數(shù)為零試確定生成物鋯(Zr)的電荷數(shù)Z與質(zhì)量數(shù)A；(2)已知鈾核的質(zhì)量為235.0439 u，中子質(zhì)量為1.0087 u，釹(Nd)核的質(zhì)量為142.9098 u，鋯核的質(zhì)量為899047 u；又知1 u931.5 MeV，試計(jì)算1 kg鈾235大約能產(chǎn)生的能量是多少。解析：(1)鋯的電荷數(shù)Z9260840，質(zhì)量數(shù)A23614690，核反應(yīng)方程中應(yīng)用符號Zr表示。(2)1 kg鈾235的鈾核數(shù)為n6.021023個(gè)。不考慮核反應(yīng)中生成的電子質(zhì)量，1個(gè)鈾核反應(yīng)發(fā)生的質(zhì)量虧損為m235.0439 u142.9098 u89.9047 u21.0087 u0.212 u，1 kg鈾235完全裂變產(chǎn)生的能量約為Enmc26.0210230.212931.51061.61019 J8.091013 J。答案：(1)4090(2)8.091013 J