第五章原子與原子核學(xué)習(xí)目標(biāo)物理與STSE1．知道重核的裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．(重點(diǎn))2．會(huì)計(jì)算核裂變釋放的能量．(難點(diǎn))3．了解原子彈的原理．4．知道聚變反應(yīng)的特點(diǎn)．(重點(diǎn))5．了解聚變反應(yīng)的條件(難點(diǎn))

反應(yīng)堆示意圖鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

知識(shí)點(diǎn)一核裂變與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)1．原子核中的質(zhì)子數(shù)又稱為原子序數(shù)．2．核裂變．比鐵原子核重的重核分裂成兩個(gè)質(zhì)量差不多的新原子核，并放出能量的過程．3．鈾核裂變．4．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．當(dāng)一個(gè)中子引起一個(gè)重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且能不斷繼續(xù)下去，這種反應(yīng)叫核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．5．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件．發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于臨界體積．知識(shí)點(diǎn)二核聚變及受控?zé)岷朔磻?yīng)1．核聚變．(1)定義．兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，并釋放出能量的反應(yīng)．(2)舉例．(3)條件．①輕核的距離要達(dá)到10－15m以內(nèi)．②需要加熱到很高的溫度，因此又叫熱核反應(yīng)．2．受控?zé)岷朔磻?yīng)．人工的熱核反應(yīng)可以通過原子彈爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫來達(dá)到，氫彈就是這樣制成的．如果熱核反應(yīng)所釋放的巨大能量不是以爆炸的形式釋放，而是在人工控制下逐漸地釋放出來并加以利用(例如發(fā)電)，這被稱為受控?zé)岷朔磻?yīng)．目前，受控?zé)岷朔磻?yīng)是一項(xiàng)正在研究的尖端課題，其應(yīng)用前景十分誘人，可徹底解決人類未來的能源問題，因此受到各國的高度重視．知識(shí)點(diǎn)三核能利用1．核能釋放的控制．通過可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核能釋放的裝置稱為核反應(yīng)堆．2．慢化劑．反應(yīng)堆中，為了使裂變產(chǎn)生的快中子減速，在鈾棒周圍要放慢化劑，常用的慢化劑有石墨和重水．3．控制棒．為了控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒，它吸收中子的能力很強(qiáng)，反應(yīng)過于激烈時(shí)，可將其插入深一些，多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些，這種鎘棒叫作控制棒．4．能重輸出．核燃料裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電．5．核能發(fā)電的效益．一座百萬千瓦級(jí)的核電站，每年只消耗30噸左右的濃縮鈾，而同樣功率的火電站，每年要燒煤250萬噸．1．(多選)下列關(guān)于聚變的說法中正確的是(

)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開爾文的高溫，因此聚變又叫作熱核反應(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．自然界中不存在天然的熱核反應(yīng)解析：輕核聚變時(shí)，必須使輕核之間距離達(dá)到10－15m，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(dòng)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)部都進(jìn)行著熱核反應(yīng)，D錯(cuò)誤．答案：ABC2．(多選)關(guān)于核反應(yīng)堆，下列說法正確的是(

)A．鈾棒是核燃料，裂變時(shí)釋放核能

B．鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率C．鈾棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率D．石墨的作用是吸收中子解析：鈾棒是核燃料，裂變時(shí)可放出能量，故A正確；鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)，作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，即控制反應(yīng)堆功率，故B正確，C錯(cuò)誤；慢中子最容易引發(fā)鈾核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進(jìn)行減速，石墨的作用是使中子減速，故D錯(cuò)誤．答案：AB探究一核裂變和核能的計(jì)算1．鈾核的裂變和裂變方程．(1)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(dòng)，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(shí)放出2或3個(gè)中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會(huì)不斷地進(jìn)行下去，釋放出越來越多的核能．2.鏈?zhǔn)椒磻?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(gè)鈾235核裂變時(shí)釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變時(shí)放出的能量相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能，裂變時(shí)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?zhǔn)椒磻?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(huì)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?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好利用純鈾235.解析：(1)根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，可得Zr的電荷數(shù)Z＝92－60＋8＝40，質(zhì)量數(shù)A＝236－143－3×1＝90.重核裂變釋放的核能的計(jì)算方法(1)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，用裂變反應(yīng)中質(zhì)量虧損(Δm)的千克數(shù)乘以真空中的光速(c＝3×108m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2.(2)根據(jù)1個(gè)原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5兆電子伏(MeV)能量計(jì)算，用裂變反應(yīng)中質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm(u)×931.5MeV.(3)由核能的轉(zhuǎn)化量計(jì)算．2．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．中子從鈾塊中通過時(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)要減少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)因鈾核俘獲中子即發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程，其釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時(shí)吸收的能量．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，中子從鈾塊中穿過，碰不到原子核，則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不會(huì)發(fā)生．在裂變反應(yīng)中由電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù)守恒得核子數(shù)是不會(huì)減少的，重核裂變時(shí)發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能．因此選項(xiàng)A、B、C均錯(cuò)誤，D正確．答案：D解析：根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒可知，X原子核質(zhì)量數(shù)為140，電荷數(shù)為54，其中子數(shù)為140－54＝86，核子數(shù)為140，故A正確，B錯(cuò)誤；裂變過程中釋放核能，反應(yīng)前后總質(zhì)量不同，但質(zhì)量數(shù)守恒，故C、D均錯(cuò)誤．答案：A探究二反應(yīng)堆的工作原理和核電站的組成1．反應(yīng)堆工作原理．(1)熱源：在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，如圖為簡化的核反應(yīng)堆示意圖．鈾棒是燃料，由天然鈾或者濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，常用石墨、重水和普通水(也叫輕水)為慢化劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?，便于?35的吸收，發(fā)生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍．(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反應(yīng)速度變慢；插入淺一些，吸收中子少，反應(yīng)速度加快．采用電子儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應(yīng)的劇烈程度．(3)冷卻劑：核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時(shí)通過水、液態(tài)的金屬鈉等做冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電．發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些有危險(xiǎn)的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護(hù)層可以防止射線輻射到外面．2．核電站的主要組成．核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆，反應(yīng)堆用的核燃料是鈾235，它的主要組成如表格：項(xiàng)目慢化劑

控制棒熱循環(huán)介質(zhì)

保護(hù)層采用的材料石墨、重水或普通水(也叫輕水)鎘水或液態(tài)的金屬鈉很厚的水泥外殼作用降低中子速度，便于鈾235吸收吸收中子，控制反應(yīng)速度把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去屏蔽射線，防止放射性污染【典例2】如圖是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對(duì)該反應(yīng)堆，下列說法中正確的是(

)A．鈾235容易吸收快中子后發(fā)生裂變反應(yīng)B．快中子跟慢化劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)C．控制棒由鎘做成，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些D．要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)快一些解析：快中子容易與鈾235擦肩而過，快中子跟慢化劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)，選項(xiàng)B正確，A錯(cuò)誤；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些，選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤．答案：B4．核反應(yīng)堆是實(shí)現(xiàn)可控制的重核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一種裝置，它主要由四部分組成(

)A．原子燃料、減速劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)B．原子燃料、減速劑、發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)C．原子燃料、減速劑、碰撞系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)D．原子燃料、中子源、原子能儲(chǔ)存系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)解析：核反應(yīng)堆里用的核燃料是用濃縮鈾(鈾235占2%～4%)制成的鈾棒；鈾235易俘獲慢中子，不易俘獲快中子，必須使用減速劑(如石墨、重水、普通水)，讓快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子；控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)是用于調(diào)節(jié)中子的數(shù)目以控制反應(yīng)速度，它是由鎘做成的置放在鈾棒之間的一些控制棒及計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成；冷卻系統(tǒng)靠水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時(shí)使反應(yīng)堆冷卻，保證安全．答案：A5．(多選)目前我國已經(jīng)建成秦山和大亞灣核電站并投入使用，請(qǐng)根據(jù)所學(xué)物理知識(shí)，判斷下列說法中正確的是(

)A．核能發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染比火力發(fā)電要小B．核能發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染比火力發(fā)電要大C．都只利用核裂變釋放大量的原子能D．既有核裂變，又有核聚變釋放大量的原子能解析：目前核電站都用核裂變，其原料是鈾，且污染程度小，核燃料是一種比較清潔的能源，A、C正確，B、D錯(cuò)誤．答案：AC解析：從鈾核裂變方程可以看出，反應(yīng)中伴隨著中子放出，A項(xiàng)正確；鈾塊的體積必須大于臨界體積才能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，B項(xiàng)錯(cuò)誤；通過控制中子數(shù)可以控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，C項(xiàng)錯(cuò)誤；鈾核的半衰期與物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)，因此不受環(huán)境溫度的影響，D項(xiàng)錯(cuò)誤．答案：A探究三核聚變1．核聚變發(fā)生的條件．要使輕核聚變，必須使輕核間距達(dá)到核力發(fā)生作用的距離10－15m以內(nèi)，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(dòng)能．要使原子核具有足夠大的動(dòng)能，就要給它們加熱，使物質(zhì)達(dá)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(gè)放能反應(yīng)．3．核聚變的特點(diǎn)．(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，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，只靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去．(3)普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻在進(jìn)行著，太陽就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆．4．核聚變的作用．(1)核武器——?dú)鋸棧阂环N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?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探索階段．5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別．項(xiàng)目重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個(gè)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(gè)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)簡單得多續(xù)上表原料的蘊(yùn)藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏系膬?chǔ)量有限，尤其用于核裂變的鈾235在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲(chǔ)量非常豐富，1L海水中大約有0.03g的氘，如果用來進(jìn)行熱核反應(yīng)，放出的能量約與燃燒300L汽油相當(dāng)可控性速度比較容易進(jìn)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【典例3】一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子可聚變?yōu)橐粋€(gè)氚核，已知質(zhì)子質(zhì)量為mH＝1.0073u，中子質(zhì)量為mn＝1.0087u，氚核質(zhì)量為m＝3.0180u.(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？(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(jì)算關(guān)鍵是要求