第五章原子與原子核第五節(jié)裂變和聚變

1．知道重核的裂變產(chǎn)物和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件．2．知道核聚變，了解受控聚變反應(yīng)．3．會(huì)判斷和書寫核裂變、核聚變方程，能計(jì)算核反應(yīng)釋放的能量．課前?自主預(yù)習(xí)核裂變與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)1．重核的裂變(1)核裂變：用________轟擊鈾核，鈾核分裂成質(zhì)量________的兩部分，并釋放出能量的核反應(yīng)過(guò)程叫作核裂變．(2)裂變能：核裂變________出的能量稱為裂變能，也稱核能或原子能．核裂變是釋放核能的方法之一．(3)鈾核裂變的產(chǎn)物多種多樣，其中有代表性的有：中子相近釋放2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)最小(2)條件：發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)必須具備兩個(gè)條件：①鈾核的體積達(dá)到____________；②必須存在持續(xù)不斷的_________．臨界體積中子源核聚變與受控?zé)岷朔磻?yīng)1．核聚變(1)定義：兩個(gè)輕核結(jié)合成____________的核，并釋放出________的反應(yīng)．質(zhì)量較大能量(3)條件：①輕核的距離要達(dá)到__________以內(nèi)．②需要加熱到很高的________，因此又叫_____________．(4)應(yīng)用：目前，熱核反應(yīng)主要用在核武器上，那就是________，需要用_________爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)核爆炸．(5)太陽(yáng)能：太陽(yáng)的主要成分是氫，太陽(yáng)中心溫度可達(dá)1.5×107K，在此高溫下，氫核聚變成氦核的反應(yīng)不停地進(jìn)行著，太陽(yáng)能就來(lái)自于太陽(yáng)內(nèi)部________釋放的核能．10－15

m溫度熱核反應(yīng)氫彈原子彈聚變2．受控?zé)岷朔磻?yīng)(1)聚變的優(yōu)點(diǎn)：①輕核聚變產(chǎn)能效率高；②地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富；③輕核聚變更為安全、清潔，而且生成的廢物數(shù)量少、易處理．(2)聚變的難點(diǎn)：地球上沒(méi)有任何容器能夠經(jīng)受熱核反應(yīng)的高溫．(3)控制方法．①磁約束：利用磁場(chǎng)約束參加反應(yīng)的物質(zhì)，目前最好的一種磁約束裝置是__________．②慣性約束：聚變物質(zhì)因自身的慣性，在極短時(shí)間內(nèi)來(lái)不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)，在慣性約束下，用________從各個(gè)方向照射反應(yīng)物，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)．環(huán)流器激光核能利用1．核電站利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是__________，它主要由以下幾部分組成．(1)燃料：________．(2)慢化劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng)，采用________、重水或普通水作慢化劑．(3)控制棒：為了控制能量釋放的速度，就要想辦法調(diào)節(jié)中子的數(shù)目，采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法，利用鎘____________的特性，就可以控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度．反應(yīng)堆鈾棒石墨吸收中子2．工作原理核燃料________釋放能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高．3．能量輸出利用水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外____________，用于發(fā)電．4．核污染的處理在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的__________，用來(lái)屏蔽裂變反應(yīng)放出的各種射線，核廢料具有很強(qiáng)的_________，需要裝入特制的容器，深埋地下．裂變循環(huán)流動(dòng)水泥層放射性課堂?重難探究探究重核裂變反應(yīng)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(lái)越多的核能．(3)常見的裂變方程：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全部裂變放出的能量相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的能量，裂變時(shí)能產(chǎn)生幾百萬(wàn)度的高溫．對(duì)重核裂變的理解例1下列四個(gè)核反應(yīng)方程中，屬于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的是 (

)【答案】D變式1為使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)平穩(wěn)進(jìn)行，可采用下列辦法中的 (

)A．鈾塊體積盡量制得小些B．通過(guò)慢化劑將產(chǎn)生的中子減速C．用鎘棒作為慢化劑使中子減速D．鈾核裂變釋放的中子直接去轟擊另外的鈾核【答案】B【解析】小于臨界體積的鈾塊不可能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，且即使大于臨界條件，而核反應(yīng)進(jìn)行的快慢和體積無(wú)關(guān)，A錯(cuò)誤；通過(guò)慢化劑將產(chǎn)生的中子減速，可以減小鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的快中子數(shù)量，即可進(jìn)一步減慢鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，B正確；裂變核反應(yīng)堆中，通常用慢化劑，比如重水等讓快中子減速，而鎘棒是用于控制中子數(shù)量的，C錯(cuò)誤；裂變后釋放的中子為快中子，不能直接用來(lái)轟擊鈾核，必須用慢化劑減速，D錯(cuò)誤．裂變中核能的計(jì)算例2原子質(zhì)量單位為u，1u相當(dāng)于931.5MeV的能量，真空中光速為c，當(dāng)質(zhì)量分別為m1kg和m2kg的原子核結(jié)合成質(zhì)量為M的原子核時(shí)釋放出的能量是 (

)A．(M－m1－m2)u×c2 B．(m1＋m2－M)u×931.5JC．(m1＋m2－M)c2 D．(m1＋m2－M)×931.5eV【答案】C【解析】在核能計(jì)算時(shí)，如果質(zhì)量的單位是kg，則用ΔE＝Δmc2進(jìn)行計(jì)算，如果質(zhì)量的單位是u，則利用1u相當(dāng)于931.5MeV的能量計(jì)算，即ΔE＝Δm×931.5MeV，則該題釋放的能量為ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－M)c2，故選C．【答案】BmU＝390.3139×10－27kg，mn＝1.6749×10－27kg；mBa＝234.0016×10－27kg，mKr＝152.6047×10－27kg．試寫出核反應(yīng)方程，求出反應(yīng)中釋放的核能．解：根據(jù)反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒和反應(yīng)中的能量守恒，可以寫出核反應(yīng)方程．根據(jù)核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損，用愛因斯坦質(zhì)能方程可求出釋放的核能．則核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝3.578×10－28kg．由愛因斯坦質(zhì)能方程可得釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝3.578×10－28×(3×108)2J＝3.2202×10－11J．重核裂變中核能的計(jì)算方法解答這類問(wèn)題，一般是先根據(jù)核反應(yīng)方程求出一個(gè)重核裂變時(shí)發(fā)生的質(zhì)量虧損，由質(zhì)能方程計(jì)算出釋放的能量，然后用阿伏伽德羅常數(shù)把核能與重核質(zhì)量聯(lián)系起來(lái)．另外，在計(jì)算過(guò)程中要注意單位的統(tǒng)一．1．聚變發(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10－15m，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(wàn)開爾文的高溫．探究核聚變反應(yīng)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，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)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆．4．核聚變的應(yīng)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(jiǎn)單得多項(xiàng)目重核裂變輕核聚變?cè)系奶N(yùn)藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽?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海水中大約含有0.03g氘，如果用來(lái)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，人們還不能控制它對(duì)核聚變的理解例3

(多選)下列說(shuō)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．要使輕核發(fā)生聚變反應(yīng)，必須使核之間的距離接近到1×10－15m，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【答案】AB【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)到核力能發(fā)生作用的范圍，才能使它們緊密地結(jié)合起來(lái)，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)誤．A．X為電子B．該核反應(yīng)可以在常溫下進(jìn)行C．該核反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有質(zhì)量虧損【答案】D對(duì)輕核聚變理解的兩個(gè)誤區(qū)1．誤認(rèn)為聚變就是裂變的逆反應(yīng)．產(chǎn)生這種誤區(qū)的原因是對(duì)聚變和裂變的本質(zhì)沒(méi)有理解透徹，裂變時(shí)重核分裂成中等核，而聚變是輕核聚合成為次輕核，無(wú)直接關(guān)聯(lián)，并非互為逆反應(yīng)．2．核聚變是輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，也會(huì)放出中子；重核裂變時(shí)鈾核捕獲中子裂變?yōu)閮蓚€(gè)或更多個(gè)中等質(zhì)量的核，并放出幾個(gè)中子；人工轉(zhuǎn)變常用α粒子或中子去轟擊原子核，產(chǎn)生新原子核并放出一個(gè)或幾個(gè)粒子；衰變是原子核自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核，并向外輻射出α粒子或β粒子的反應(yīng)，衰變根據(jù)向外輻射粒子的不同分為α衰變和β衰變兩種．聚變中核能的計(jì)算例4一個(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mH＝1.0073u，中子質(zhì)量mn＝1.0087u，氚核質(zhì)量m＝3.018u．(1)寫出聚變方程；(2)釋放出的核能有多大？(3)平均每個(gè)核子釋放的能量有多大？解：(1)聚變方程為H＋2n→H．(2)質(zhì)量虧損Δm＝mH＋2mn－m＝(1.0073＋2×1.0087－3.018)u＝0.0067u．釋放的核能ΔE＝Δmc2＝0.0067×931.5MeV≈6.24MeV．B．該核反應(yīng)吸收的能量為E＝(m1－m2－m3)c2C．核反應(yīng)前后系統(tǒng)總動(dòng)量減小D．該核反應(yīng)釋放的能量為E＝(2m1－m2－m3)c2【答案】D1．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)鍵是求出核反應(yīng)過(guò)程中的質(zhì)量虧損，然后代入ΔE＝Δmc2進(jìn)行計(jì)算．1．核反應(yīng)堆的組成核反應(yīng)堆由堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和防護(hù)層等部分組成．其中控制棒用能吸收慢中子的鎘或硼鋼制成，以控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度．之所以把它叫作“堆”，是因?yàn)槭澜缟系谝粋€(gè)核反應(yīng)堆是用石墨塊(用以控制反應(yīng)速度)和金屬鈾塊(反應(yīng)燃料)一層一層交替地“堆”起來(lái)而構(gòu)成的．核能利用2．核反應(yīng)堆與原子彈爆炸的比較原子彈爆炸時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度是無(wú)法控制的，為了用人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使核能比較平緩地釋放出來(lái)，人們制成了核反應(yīng)堆(核電站的核心設(shè)施)．核反應(yīng)堆是人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置．3．核電站發(fā)電的主要原理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)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去．反應(yīng)堆放出的熱使水變成水蒸氣，這些高溫高壓的蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電．這一部分的工作原理和火力發(fā)電相同．例5關(guān)于核反應(yīng)堆和輕核聚變，下列說(shuō)法正確的是 (

)A．只要有中子打入鈾塊中就會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)B．鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)，反應(yīng)激烈時(shí)，將鎘棒拔出一些C．普通水能使中子減速D．要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離達(dá)到10－10m以內(nèi)【答案】C【解析】要使鈾塊發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，需要鈾塊達(dá)到臨界體積，A錯(cuò)誤；鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)，反應(yīng)激烈時(shí)，應(yīng)將鎘棒插入一些，B錯(cuò)誤；反應(yīng)堆中最常使用的慢化劑主要是石墨、重水和普通水，C正確；要使輕核發(fā)生聚變，必須使輕核接近合力發(fā)生作用的距離，需要達(dá)到10－15m以內(nèi)，D錯(cuò)誤．變式7

(多選)關(guān)于原子核反應(yīng)堆，下面說(shuō)法正確的是 (

)A．鎘棒是核燃料，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．石墨的作用是吸收中子D．冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱量【答案】BD【解析】核燃料即為用濃縮鈾制成的鈾棒，鈾棒裂變時(shí)釋放核能；鎘棒具有很強(qiáng)的吸收慢中子的能力，通過(guò)控制鎘棒插入的深度來(lái)控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，即可控制反應(yīng)堆的功率；石墨的作用是使裂變產(chǎn)生的快中子減速成為慢中子；冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱量，B、D正確，A、C錯(cuò)誤．小練?隨堂鞏固1．20世紀(jì)60年代，我國(guó)以國(guó)防為主的尖端科技取得了突破性的發(fā)展．1964年，我國(guó)第一顆原子彈試爆成功；1967年，我國(guó)第一顆氫彈試爆成功．關(guān)于原子彈和氫彈，下列說(shuō)法正確的是 (

)A．原子彈和氫彈都是根據(jù)核裂變?cè)硌兄频腂．原子彈和氫彈都是根據(jù)核聚變?cè)硌兄频腃．原子彈是根據(jù)核裂變?cè)硌兄频模瑲鋸検歉鶕?jù)核聚變?cè)硌兄频腄．原子彈是根據(jù)核聚變?cè)硌兄频?，氫彈是根?jù)核裂變?cè)硌兄频摹敬鸢浮緾【解析】原子彈是根據(jù)重核裂變研制的，而氫彈是根據(jù)輕核聚變研制的，C正確，A、B、D錯(cuò)誤．2．鈾核裂變時(shí)，對(duì)于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的重要因素，下列說(shuō)法中正確的是

(

)A．鈾塊的質(zhì)量是重要因素，與體積無(wú)關(guān)B．為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好直接利用裂變時(shí)產(chǎn)生的中子C．若鈾235的體積超過(guò)它的臨界體積，裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就能夠發(fā)生D．能否發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與鈾塊的質(zhì)量無(wú)關(guān)【答案】C【解析】要使鈾核裂變產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，鈾塊的體積必須大于臨界體積，但鈾核的質(zhì)量無(wú)論怎樣，只要組成鈾塊的體積小于臨界體積，則不會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的中子為快中子，這些快中子不能直接引發(fā)新的裂變．如果鈾塊的質(zhì)量大，則其體積大，若超過(guò)臨界體積則發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，A、B、D錯(cuò)誤，C正確．3．(2024年江西開學(xué)考試)我國(guó)“玲龍一號(hào)”(ACP100)是全球首個(gè)陸上商用模塊化小型核反應(yīng)堆，被稱為“核能移動(dòng)充電寶”，可以作為我國(guó)將來(lái)的核動(dòng)力航母的動(dòng)力和電能來(lái)源．下列說(shuō)法正確的是 (

)A．“玲龍一號(hào)”核反應(yīng)堆的核燃料是取自海水中的氘B．“玲龍一號(hào)”原理是利用輕核的聚變