第4、5節(jié)核裂變和核聚變核能的利用與環(huán)境保護核心素養(yǎng)點擊物理觀念1.了解核裂變反應(yīng)及鏈式反應(yīng)的條件。2.了解核聚變反應(yīng)的條件。3.知道核電站的工作模式?？茖W思維通過熱核反應(yīng)的條件，認識熱核反應(yīng)可能的控制方法?？茖W探究探究核電站的組成，知道其工作原理?？茖W態(tài)度與責任1.了解兩類核能應(yīng)用的利弊，關(guān)注技術(shù)應(yīng)用對人類生活和社會發(fā)展的影響。2.感悟人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識是不斷深入的，形成相對完整、科學的物質(zhì)觀念。1．填一填(1)重核裂變②臨界體積：能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的鈾塊的

體積。2．判一判(1)鈾核裂變的產(chǎn)物是固定的，就是生成鋇和氪，同時放出3個中子。

(

)(2)裂變中放出的中子數(shù)目是固定的3個中子。

(

)(3)只有鈾塊的體積大于臨界體積時，才能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)。

(

)最小××√3．想一想(1)重核裂變是一種天然現(xiàn)象嗎？提示：重核裂變不是天然現(xiàn)象，是中子轟擊才能發(fā)生的核反應(yīng)。(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈式反應(yīng)？提示：有中子轟擊鈾塊，且鈾塊的體積大于臨界體積，這樣就可以產(chǎn)生鏈式反應(yīng)。2．判一判(1)太陽中發(fā)生的是可控熱核聚變反應(yīng)。

(

)(2)輕核發(fā)生聚變反應(yīng)不需要條件。

(

)(3)輕核發(fā)生聚變反應(yīng)核子必須達到核力發(fā)生作用的范圍。

(

)3．選一選××√1．填一填(1)核電站：將

釋放的核能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電廠。工作流程：將反應(yīng)堆釋放的核能轉(zhuǎn)化為蒸汽的內(nèi)能，再利用蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能。(2)核武器：

和

是眾所周知的兩種核武器。(3)核能的優(yōu)勢①核能發(fā)電比燃煤發(fā)電的成本

。②核能發(fā)電比燃煤發(fā)電對環(huán)境帶來的污染

。反應(yīng)堆原子彈氫彈低小(4)核能利用存在的危害①核廢料的高

。②放射性物質(zhì)泄漏，產(chǎn)生

。③核武器威力巨大，不僅能摧毀生命，而且會使生態(tài)環(huán)境受到嚴重破壞。2．判一判(1)核電站將核反應(yīng)堆釋放的核能轉(zhuǎn)化為電能。

(

)(2)目前，可控熱核聚變已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于核電站發(fā)電。

(

)(3)核能是一種新能源，不會造成環(huán)境污染。

(

)輻射性核污染√××3．選一選現(xiàn)已建成的核電站發(fā)電的能量來自于

(

)A．天然放射性元素衰變放出的能量B．人工放射性同位素放出的能量C．重核裂變放出的能量D．化學反應(yīng)放出的能量解析：現(xiàn)在核電站所用原料主要是鈾，利用鈾裂變放出的核能發(fā)電，故C項正確。答案：C

如圖為核裂變示意圖。(1)試寫出一種鈾核裂變的核反應(yīng)方程。(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈式反應(yīng)嗎？提示：不可以，有中子轟擊鈾塊，鈾塊的體積大于臨界體積，才產(chǎn)生鏈式反應(yīng)。

[重難釋解]1．鈾核的裂變和裂變方程(1)核子受激發(fā)：當中子進入鈾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動，使核變成不規(guī)則的形狀。(2)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，同時放出2或3個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進行下去，釋放出越來越多的核能。2．鏈式反應(yīng)的條件(1)有慢中子轟擊。(2)鈾塊的體積大于臨界體積，或鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量。3．裂變反應(yīng)的能量鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量。一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變時放出的能量相當于2800t標準煤完全燃燒時釋放的化學能，裂變時能產(chǎn)生幾百萬攝氏度的高溫。4．鈾235比鈾238更易發(fā)生鏈式反應(yīng)在天然鈾中，主要有兩種同位素，99.3%的是鈾238，0.7%的是鈾235，中子能引起這兩種鈾核發(fā)生裂變，但它們和中子發(fā)生作用的情況不同。(1)鈾235：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。(2)鈾238：只有俘獲能量大于1MeV的中子才能發(fā)生裂變，且裂變的概率小。能量低于1MeV的中子只與鈾核發(fā)生彈性碰撞，不引起裂變。因此，為了使鏈式反應(yīng)容易發(fā)生，最好利用純鈾235。計算重核裂變釋放核能的兩個角度(1)根據(jù)ΔE＝Δmc2計算，其中質(zhì)量虧損(Δm)的單位用kg，核能(ΔE)的單位用J。(2)利用原子質(zhì)量單位計算，1u對應(yīng)著931.5MeV的能量，用質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5MeV，此時Δm的單位是u，ΔE的單位是MeV。2．關(guān)于鈾核的裂變，下列敘述正確的是

(

)A．核反應(yīng)堆中鈾核俘獲一個中子后分裂為兩個或幾個中等質(zhì)量的原子核，并吸收大量能量

B．核反應(yīng)堆中鈾核自發(fā)分裂為兩個或幾個中等質(zhì)量的原子核，同時釋放大量的核能C．要使核反應(yīng)堆中鈾核發(fā)生鏈式反應(yīng)，必須要有慢中子的轟擊D．要使核反應(yīng)堆中鈾核發(fā)生鏈式反應(yīng)，必須要有快中子的轟擊解析：核反應(yīng)堆中鈾核俘獲一個中子后分裂為兩個或幾個中等質(zhì)量的原子核，同時釋放大量的核能，故A、B錯誤；要使核反應(yīng)堆中鈾核發(fā)生鏈式反應(yīng)，必須要有慢中子的轟擊，快中子不易捕獲，故C正確，D錯誤。答案：C

為什么實現(xiàn)核聚變要使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫？提示：參與反應(yīng)的原子核必須接近到核力的作用范圍內(nèi)，約為10－15m這種程度，因而必須使它們具有很大的動能以克服原子核之間巨大的庫侖斥力做功，使原子核的動能轉(zhuǎn)化為原子核的電勢能，使核子之間的核力發(fā)生作用，輕核才能聚變成質(zhì)量較大的核。

[重難釋解]1．核聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變，必須使輕核間距達到核力發(fā)生作用的距離10－15m以內(nèi)，這要克服電荷間強大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能。要使原子核具有足夠大的動能，就要給它們加熱，使物質(zhì)達到幾百萬開爾文的高溫。2．輕核聚變是放能反應(yīng)從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個放能反應(yīng)。3．核聚變的特點(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。(2)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進行下去。(3)普遍性：熱核反應(yīng)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(yīng)堆。4．核聚變的作用(1)核武器——氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置。它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。(2)可控熱核反應(yīng)：目前處于探索階段。5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別

重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能量要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡單得多

重核裂變輕核聚變原料的蘊藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢蓿绕溆糜诤肆炎兊拟?35在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲量非常豐富，1L海水中大約有0.03g氘，如果用來進行熱核反應(yīng)，放出的能量約與燃燒300L汽油相當可控性速度比較容易進行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應(yīng)釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它(1)核聚變反應(yīng)和一般的核反應(yīng)一樣，也遵循電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，這是書寫核反應(yīng)方程式的重要依據(jù)。(2)核能的計算關(guān)鍵是要求出核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損，然后代入ΔE＝Δmc2進行計算。解析：A項是氫元素的兩種同位素氘和氚聚變成氦元素的核反應(yīng)方程，B項是用α粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程，C項屬于原子核的人工轉(zhuǎn)變，D項屬于重核的裂變，因此只有A項正確。答案：A

解析：為求出系列反應(yīng)完成后釋放的能量，將題中所給的核反應(yīng)方程左右兩側(cè)分別相加，消去兩側(cè)相同的項，系列反應(yīng)最終等效為4p―→α＋2e＋＋2ν設(shè)反應(yīng)后釋放的能量為Q，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程和能量守恒定律得4mpc2＝mαc2＋2mec2＋Q代入數(shù)值解得Q＝3.95×10－12J。答案：3.95×10－12

J二、注重學以致用和思維建模1．(多選)我國核聚變反應(yīng)研究大科學裝置“人造太陽”2018年獲得重大突破，等離子體中心電子溫度首次達到1億度，為人類開發(fā)利用核聚變能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。下列關(guān)于聚變的說法正確的是

(

)A．核聚變比核裂變更為安全、清潔B．任何兩個原子核都可以發(fā)生聚變C．兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前增加D．兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的比結(jié)合能增加解析：與核裂變相比，輕核聚變沒有放射性污染，安全、清潔，A正確；只有原子序數(shù)小的輕核才能發(fā)生聚變，B錯誤；輕核聚變成質(zhì)量較大的原子核，比結(jié)合能增加、總質(zhì)量減小，故C錯誤，D正確。答案：AD

解析：質(zhì)量虧損Δ