高二物理學案72核裂變和核聚變課前案編制：張遠峰審核：蘇越鋒姓名 ［教學目標］知道重核的裂變產(chǎn)物和鏈式反應發(fā)生的條件.知道核聚變，關(guān)注受控聚變反應的研究進展.會判斷和書寫核裂變、核聚變方程，能計算核反應釋放的能量．一、核裂變1．核裂變重核被中子轟擊后分裂成兩個質(zhì)量差不多的新原子核，并放出核能的過程.鈾核裂變用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應是朝+季一嗥92 0 56Ba+89Kr+3m.鏈式反應當一個中子引起一個鈾核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他鈾核裂變，且能不斷繼續(xù)下去，這種反應叫核裂變的鏈式反應.鏈式反應的條件發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于等于臨界體積或裂變質(zhì)量大于等于臨界質(zhì)量.二、 核電站核電站利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是核反應虹它主要由以下幾部分組成：燃料：鈾棒.慢化劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應，可采用石墨、重水、普通水作減速劑.⑶控制棒：為控制能量釋放的速度，需控制中子的數(shù)目釆用鎘棒作為控制棒來控制鏈式反應的速度.工作原理核燃料裂變釋放的能量，使反應區(qū)溫度升高.能量輸出利用水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應堆內(nèi)、外循環(huán)流動把反應堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應堆冷卻.核污染的處理在反應堆的外面需要修建很厚的水泥層用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線，核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下.三、 核聚變1.定義兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，并釋放出能量的核反應.舉例2H+3H—4He+m+17.6MeV3.條件L0輕核的距離要達到10d5_m以內(nèi).⑵需要加熱到很高的溫度，因此又叫熱核反應.氫彈原理首先由普通炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸.熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆.四、粒子和宇宙1．“基本粒子”不基本直到19世紀末，人們稱光子、電子、質(zhì)壬和中子是基本粒子.2.發(fā)現(xiàn)新粒子1932年發(fā)現(xiàn)了正電子,1937年發(fā)現(xiàn)了^子,1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和n介子及以后的超子等.3?粒子的分類按照粒子與各種相互作用的不同關(guān)系，可以將粒子分為三大類：強子、輕子和媒介子.4.夸克模型2上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克；它們帶的電荷量分別為元電荷的+3或一3每種夸克都有對應的反夸克.【課中案】【例1】鈾核裂變時，對于產(chǎn)生鏈式反應的重要因素，下列說法中正確的是(C)鈾塊的質(zhì)量是重要因素，與體積無關(guān)B?為了使裂變的鏈式反應容易發(fā)生，最好直接利用裂變時產(chǎn)生的中子若鈾235的體積超過它的臨界體積，裂變的鏈式反應就能夠發(fā)生能否發(fā)生鏈式反應與鈾的質(zhì)量無關(guān)【例2】用中子轟擊鈾核(235U)，其中的一個可能反應是分裂成鋇(^Ba)和氪q6Kr)兩部分，放出3個中子.各個核和中子的質(zhì)量如下：m=390.3139X10-27kg，m=1.6749X10-27kg；Unm=234.0016X10-27kg，m=152.6047X10-27kg.Ba Kr試寫出核反應方程，求出反應中釋放的核能.鈾核裂變方程為in+235U—i44Ba+89Kr+3】n,0 92 56 36 0則核反應前、后的質(zhì)量虧損為Am=m+m—m—m-3m=3.578X10-28kg.UnBaKrn由愛因斯坦質(zhì)能方程可得釋放的核能為AE=Amc2=3.578X10-28X(3X108)2J=3.2202X10-11J.【例3】 (多選)關(guān)于核反應堆，下列說法正確的是( ABD)鈾棒是核燃料，裂變時釋放核能鎘棒的作用是控制反應堆的功率石墨的作用是吸收中子D?冷卻劑的作用是控制反應堆的溫度和輸出熱能【例4】 (多選)下列說法正確的是(ABC)2H+3H—4He+m是聚變1120292U+0n—^144Xe+34Sr+2f是裂變c.228Ra—226Rn+2He是a衰變({Na—24Mg+_0e是裂變［例5】^一個質(zhì)子和兩個中子聚變?yōu)橐粋€氚核，已知質(zhì)子質(zhì)量mH=1.0073u，中子質(zhì)量m=Hn1.0087u，氚核質(zhì)量m=3.0180u.求：寫出聚變方程； T釋放出的核能多大？平均每個核子釋放的能量是多大？解析⑴聚變方程;H+20n—;H.(2)質(zhì)量虧損Am=m+2m-m=(1.0073+2X1.0087—3.0180)u=0.0067u,釋放的核能AE=Amc2=0.0067X931.5MeV?6.24MeV.6.24平均每個核子放出的能量為亍MeV=2.08MeV.【例6】關(guān)于粒子，下列說法正確的是(D)電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子強子都是帶電粒子C?夸克模型是探究三大類粒子結(jié)構(gòu)的理論夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位課后案一個295U核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應,其裂變方程為295U+0n—X+94Sr+20n,92 92 0 38 0則下列敘述正確的是(A)X原子核中含有86個中子X原子核中含有141個核子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)減少為使鏈式反應平穩(wěn)進行,可采用下列辦法中的(C)鈾塊可制成任何的體積鈾核裂變釋放的中子可直接去轟擊另外的鈾核通過慢化劑將產(chǎn)生的中子減速用鎘棒作為慢化劑使中子減速(多選)為應對能源危機和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),提高清潔能源的比重,我國制定了優(yōu)先選擇核能,其次加快發(fā)展風能和再生能源的政策,在《核電中長期發(fā)展規(guī)劃》中要求2020年核電運行裝機總?cè)萘窟_到4000萬千瓦的水平,請根據(jù)所學物理知識,判斷下列說法中正確的是(AC)核能發(fā)電對環(huán)境的污染比火力發(fā)電要小B?核能發(fā)電對環(huán)境的污染比火力發(fā)電要大現(xiàn)有核電站都只利用重核裂變釋放大量的原子能D?現(xiàn)有核電站既可以利用重核裂變，又可以利用輕核聚變釋放大量的原子能(多選)核電站的核能來源于232U核的裂變，下列說法中正確的是(BDE)92反應后的核廢料已不具有放射性，不需要進一步處理292U的一種可能的裂變是變成兩個中等質(zhì)量的原子核，如】54Xe和95>Sr，反應方程式為292卩+0口~罟Xe＋9358Sr＋210n29325U是天然放射性元素，常溫下它的半衰期約為45億年，升高溫度半衰期縮短23925U原子核中有92個質(zhì)子、143個中子—個235U核裂變的質(zhì)量虧損為Am=0.2155u,則釋放的核能約201MeV5．關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是(B)—次聚變反應一定比一次裂變反應釋放的能量多聚變反應每個核子釋放的平均能量一定比裂變反應大C?聚變反應中粒子的比結(jié)合能變小聚變反應中由于形成質(zhì)量較大的核，故反應后質(zhì)量增大以下說法正確的是(D)聚變是裂變的逆反應如果裂變釋放能量，貝慄變反應必定吸收能量聚變必須將反應物加熱至數(shù)百萬攝氏度以上高溫，顯然是吸收能量裂變與聚變均可釋放巨大的能量據(jù)《中國科技報》報道，我國自行設(shè)計、研制的世界第一套全超導核聚變實驗裝置(又稱為“人造太陽”)已經(jīng)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(BCD)“人造太陽”的核反應方程是235U+】nfi4iBa+92Kr+3m92 0 56 36 0“人造太陽”的核反應過程中一定發(fā)生質(zhì)量虧損，該過程釋放的核能可以用AE=Amc2來計算“人造太陽”的核反應方程是?H+3H-4He+in1120“人造太陽”的核反應必須在極高溫度下，使參與核反應的原子核間的距離接近到Hrm的范圍以內(nèi)才能夠發(fā)生某科學家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論，其中的兩個核反應方程為1H+12C—13N+Q，1H+15N—12C+X+Q16711762方程中Q］、Q2表示釋放的能量，相關(guān)的原子核質(zhì)量見下表：原子核1H13He24He212C613N715N7質(zhì)量/u1.00783.01604.002612.000013.005715.0001以下推斷正確的是(B)A.X是3He，Q>Q B.X是4He,Q>Q2 2 1 2 2 1X是3He，Q<Q D.X是4He,Q<Q2 2 1 2 2 1

當兩個中子和兩個質(zhì)子結(jié)合成一個a粒子時，放出28.3MeV的能量，當三個a粒子結(jié)合成一個碳(C)核時，放出7.26MeV的能量，則當6個中子和6個質(zhì)子結(jié)合成一個碳(C)核時，釋放的能量約為(D)A.21.04MeV B.35.56MeV77.64MeV D.92.16MeV設(shè)氫彈內(nèi)裝的是氘和氚，試求在氫彈中當合成1kg的氦時所釋放出的能量.(氘核［H的質(zhì)量為2.0136u氚核3H的質(zhì)量為3.0166u,氦核4He的質(zhì)量為4.0026u，中子的質(zhì)量為1.008127u)解析氘和氚在高溫下聚變生成氦，核聚變方程為2H+3H~4He+in1120當一個氘核2H與一個氚核3H發(fā)生反應時放出的能量為AE=Amc2=(2.0136+3.0166-4.0026-1.0087)X931.5MeV~17.6MeV.1kg氦《He)中所含的原子核數(shù)目為2N=nNN=nN=A10004.0026X6.02X1023個^1.5X1026個.這樣合成1kg4He時所放出的總能量為2E=NAE=1.5X1026X17.6MeV=2.64X1027MeV.兩個氘核聚變產(chǎn)生一個中子和一個氦核，已知氘核質(zhì)量mD=2.0136u，氦核質(zhì)量mH=3.015D He0u,中子質(zhì)量m=1.0087u.n計算釋放出的結(jié)合能；若反應前兩氘核的動能均為E=0.35MeV，它們正撞發(fā)生聚變，且反應后釋放的核能全部轉(zhuǎn)k0變?yōu)閯幽埽瑒t反應產(chǎn)生的氦核和中子的動能各為多大？解析(1)核反應方程為：2H+2Hf3He+in1120反應質(zhì)量虧損Am=2m—m—m=0.0035u.DHen由質(zhì)能方程得釋放核能AE=AmX931.5MeV=0.0035X931.5MeV~3.26MeV.(2)將兩氘核作為一個系統(tǒng)，由動量守恒有0=mv+mv①HeHenn由能量守恒有：十皿恥需+中皿代二公E+2Ek0②由①②代入數(shù)據(jù)可得EkH=0.99MeV，kHeE=2.97MeV.kn12．現(xiàn)有的核電站常用的核反應之一是：23592U+】nfi436ONd+Zr+3】n+8oe+v00 －1核反應方程中的V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)與質(zhì)量數(shù)．⑵已知鈾核的質(zhì)量為235.0439u，中子的質(zhì)量為1.0087u,釹(Nd)核的質(zhì)量為142.9098u，鋯核的質(zhì)量為89.9047u,試計算1kg鈾235裂變釋放的能量為多少焦耳？(已知1u質(zhì)量相當于931.5MeV的能量，且1u=1.6606X10-27kg)