1、學(xué)案6核裂變學(xué)案7核聚變學(xué)案8粒子和宇宙目標(biāo)定位 1.知道重核的裂變反應(yīng)和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件.2.掌握核聚變的定義及發(fā)生條件.3.會(huì)判斷和書寫核裂變、核聚變方程，能計(jì)算核反應(yīng)釋放的能量一、核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)問題設(shè)計(jì)閱讀課本“核裂變”，說明：(1)鈾核裂變是如何發(fā)生的？(2)鈾核裂變?cè)谧匀唤缰心茏园l(fā)進(jìn)行嗎？答案(1)鈾核的裂變核子受激發(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)放出中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去，形成鏈

2、式反應(yīng)(2)重核的裂變只能發(fā)生在人為控制的核反應(yīng)中，在自然界中不會(huì)自發(fā)地發(fā)生鈾核裂變不會(huì)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，分裂產(chǎn)生更多的中子，這些中子繼續(xù)與其他鈾核發(fā)生反應(yīng)，再引起新的裂變，這樣就形成了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)要點(diǎn)提煉1核裂變重核被中子轟擊后分裂成兩個(gè)質(zhì)量差不多的新原子核，并放出核能的過程2鈾核裂變用中子轟擊鈾核時(shí)，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(yīng)是UnBaKr3n.3鏈?zhǔn)椒磻?yīng)由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)4鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件(1)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(2)有足夠數(shù)量的慢中子二、

3、核電站1核電站是利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是反應(yīng)堆，它主要由以下幾部分組成：(1)燃料：鈾棒(2)慢化劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng)，采用石墨、重水或普通水作慢化劑；(3)控制棒：采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法，利用鎘吸收中子的能力很強(qiáng)的特性，控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度2工作原理核燃料裂變釋放能量，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)也使反應(yīng)堆冷卻4核污染的處理在反應(yīng)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(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下三、裂變過程中核能的分析與計(jì)算問題設(shè)計(jì)重核裂變

4、為什么能釋放核能？人們獲得核能的途徑有哪些？通過圖1說明圖1答案中等質(zhì)量的原子核的核子的平均質(zhì)量較小，重核和輕核的核子的平均質(zhì)量較大如果原子序數(shù)較大的重核A分裂成原子序數(shù)小一些的核B和C，會(huì)有質(zhì)量虧損，放出巨大的核能獲得核能的主要途徑：一是重核裂變，二是輕核聚變要點(diǎn)提煉鈾核裂變釋放核能的計(jì)算1首先算出裂變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損m.2根據(jù)Emc2計(jì)算釋放的核能計(jì)算時(shí)要注意m與E單位的對(duì)應(yīng)關(guān)系：若m用kg做單位，則E用J做單位；若m用u做單位，則E用MeV做單位，1 u相當(dāng)于931.5 MeV的能量3若計(jì)算一定質(zhì)量的鈾塊完全裂變時(shí)放出的核能，應(yīng)先算出鈾塊中有多少個(gè)鈾核(設(shè)為n)，則鈾塊裂變釋放的核能En

5、E.四、輕核聚變1聚變兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，釋放出核能的反應(yīng)，稱為核聚變聚變反應(yīng)又稱為熱核反應(yīng)2聚變方程HHHen17.6 MeV.3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1015 m，這要克服電荷間強(qiáng)大的庫(kù)侖斥力作用，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，有一種方法就是給它們加熱，使物質(zhì)達(dá)到幾百萬(wàn)開爾文以上的高溫4重核裂變與輕核聚變的區(qū)別反應(yīng)方式比較項(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)核子放出的能量大約要大34倍燃料儲(chǔ)量情況聚變?nèi)剂蟽?chǔ)量豐

6、富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)容易得多五、粒子1“基本粒子”不基本直到19世紀(jì)末，人們都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的不可再分的最小微粒，后來人們發(fā)現(xiàn)了光子、電子、質(zhì)子、中子，并把它們叫做“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介子和介子及以后的超子等3夸克模型1964年美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的一、對(duì)重核裂變的理解及核能的計(jì)算例1關(guān)于重核的裂變，下列說法正確的是()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的能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)

7、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因而其釋放的能量遠(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，中子從鈾塊中穿過時(shí)，可能碰不到原子核，則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不會(huì)發(fā)生在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會(huì)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查閱相關(guān)資料可得其中各粒子質(zhì)量分別為mU235.043 9 u，mn1.008 67 umSr89.907 7 u

8、，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(huì)減少的，因此選項(xiàng)A、B、C錯(cuò)誤重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)，由于核子平均質(zhì)量減小，發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能綜上所述，選項(xiàng)D正確答案D例2用中子轟擊鈾核(92U)，其中的一個(gè)可能反應(yīng)是分裂成鋇(56Ba)和氪(Kr)兩部分，放出3個(gè)中子各個(gè)核和中子的質(zhì)量如下：mU390.313 91027 kg，mn1.674 91027 kg；mBa234.001 61027 kg，mKr152.604 71027 kg.試寫出核反應(yīng)方程，求出反應(yīng)中釋放

9、的核能解析根據(jù)反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒就可以寫出核反應(yīng)方程鈾核裂變方程為n92U56BaKr3n，根據(jù)核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損，用愛因斯坦質(zhì)能方程就可求出釋放的核能則核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為mmUmnmBamKr3mn0.357 81027 kg.Emc20.357 81027(3108)2 J3.220 21011 J.答案n92U56BaKr3n3.220 21011 J二、對(duì)輕核聚變的理解及核能計(jì)算例3據(jù)新華社報(bào)道，由我國(guó)自行設(shè)計(jì)、研制的世界第一套全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(又稱“人造太陽(yáng)”)已完成了首次工程調(diào)試下列關(guān)于“人造太陽(yáng)”的說法正確的是()A“人造太陽(yáng)”的核反應(yīng)方程是HHHenB“人

10、造太陽(yáng)”的核反應(yīng)方程是UnBaKr3nC根據(jù)公式Emc2可知，核燃料的質(zhì)量相同時(shí)，聚變反應(yīng)釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多D根據(jù)公式Emc2可知，核燃料的質(zhì)量相同時(shí)，聚變反應(yīng)釋放的能量與裂變反應(yīng)相同解析HHHen是氫核聚變方程，故A項(xiàng)正確；根據(jù)氫核聚變特點(diǎn)，相同質(zhì)量的核燃料，氫核聚變釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多，故選項(xiàng)C正確答案AC例4太陽(yáng)內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核同時(shí)放出兩個(gè)正電子的熱核反應(yīng)，這個(gè)核反應(yīng)釋放出的大量能量就是太陽(yáng)的能源(已知質(zhì)子質(zhì)量為mH1.007 3 u，氦核質(zhì)量為mHe4.001 5 u，電子質(zhì)量為me0.000 55 u)(1)寫出這個(gè)核反應(yīng)方程(2)這一核反應(yīng)能

11、釋放多少能量？(3)已知太陽(yáng)每秒釋放的能量為3.81026 J，則太陽(yáng)每秒減少的質(zhì)量為多少千克？解析(1)由題意可得核反應(yīng)方程應(yīng)為4HHe2e.(2)反應(yīng)前的質(zhì)量m14mH41.007 3 u4.029 2 u，反應(yīng)后的質(zhì)量m2mHe2me4.001 5 u20.000 55 u4002 6 u，mm1m20.026 6 u，由質(zhì)能方程得，釋放能量Emc20.026 6931.5 MeV24.78 MeV.(3)由質(zhì)能方程Emc2得太陽(yáng)每秒減少的質(zhì)量m kg4.22109 kg.答案(1)4HHe2e(2)24.78 MeV(3)4.22109 kg重核的裂變核聚變1(對(duì)重核裂變的理解)關(guān)于鈾

12、核裂變，下列說法正確的是()A鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，但只能裂變成兩種不同的核B鈾核裂變時(shí)還能同時(shí)釋放數(shù)目不等的中子C為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易進(jìn)行，最好用純鈾235D鈾塊的體積對(duì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無(wú)影響答案BC解析鈾核受到中子的沖擊，會(huì)引起裂變，裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，具有極大的偶然性，但裂變成兩塊的情況比較多，也有的分裂成多塊，并放出數(shù)目不等的中子，鈾235受中子的轟擊時(shí)，裂變的概率大，而鈾238只有俘獲能量在1 MeV以上的中子時(shí)才能引起裂變，且裂變的幾率小，而要引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，需使鈾塊體積超過臨界體積，故B、C正確2(一種重核裂變的核能計(jì)算)一個(gè)鈾235吸收一個(gè)中子后發(fā)生的一種核反應(yīng)方程是2

13、35 92Un136 54XeSr10n，放出的能量為E，鈾235核的質(zhì)量為M，中子的質(zhì)量為m，氙136核的質(zhì)量為m1，鍶90核的質(zhì)量為m2，真空中光速為c，則釋放的能量E等于()A(Mm1m2)c2B(Mmm1m2)c2C(Mm1m29m)c2D(m1m29mM)c2答案C解析鈾235裂變時(shí)的質(zhì)量虧損：mMmm1m210mMm1m29m，由質(zhì)能方程可得Emc2(M9mm1m2)c2.3(對(duì)輕核聚變的理解)某科學(xué)家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論，其中的兩個(gè)核反應(yīng)方程為HCNQ1，HNCXQ2.方程中Q1、Q2表示釋放的能量，相關(guān)的原子核質(zhì)量見下表：原子核HHeHeCNN質(zhì)量/u1.007 8

14、3.016 04.002 612.000 013.005 715.000 1以下推斷正確的是()AX是He，Q2 Q1 BX是He，Q2 Q1CX是He，Q2 Q1 DX是He，Q2 Q1答案B解析由核反應(yīng)過程必須遵守的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知X是He.放出熱量分別為Q1和Q2的兩個(gè)核反應(yīng)中質(zhì)量虧損分別為0.002 1 u和0.005 3 u，故Q2Q1.4(對(duì)輕核聚變的核能計(jì)算)一個(gè)氘核(H)和一個(gè)氚核(H)結(jié)合成一個(gè)氦核(He)，同時(shí)放出一個(gè)中子，已知氘核質(zhì)量為m12.014 1 u，氚核質(zhì)量為m23.016 0 u，氦核質(zhì)量為m34.002 6 u，中子質(zhì)量為m41.008 665 u，

15、求：(1)寫出聚變的核反應(yīng)方程；(2)此反應(yīng)過程中釋放的能量為多少？平均每個(gè)核子釋放出多少核能？答案(1)HHHen(2)17.5 MeV3.5 MeV解析(1)核反應(yīng)方程為HHHen.(2)此反應(yīng)過程的質(zhì)量虧損為m2.014 1 u3.016 0 u4.002 6 u1.008 665 u0.018 835 u，Emc20.018 835931.5 MeV17.5 MeV.平均每個(gè)核子釋放的核能為 MeV3.5 MeV.題組一對(duì)重核裂變的理解及核能計(jì)算1下列核反應(yīng)中，屬于核裂變反應(yīng)的是()A.5BnLiHeB.UThHeC.7NHe8OHD.UnBaKr3n答案D解析由核裂變反應(yīng)的特點(diǎn)知，D

16、正確2為使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)平穩(wěn)進(jìn)行，下列辦法可行的是()A鈾塊可制成任何的體積B鈾核裂變釋放的中子可直接去轟擊另外的鈾核C通過慢化劑將產(chǎn)生的中子減速D用鎘棒作為慢化劑使中子減速答案C解析由于使鈾塊發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的體積應(yīng)大于臨界體積，故A錯(cuò)誤；鈾核裂變釋放出的為快中子，不能直接用來轟擊鈾核，必須用慢化劑減速，而鎘棒是用于控制中子數(shù)量的，故C正確，B、D錯(cuò)誤3一個(gè)235 92U原子核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應(yīng)的裂變方程為235 92UnXSr2n，則下列敘述正確的是()AX原子核中含有86個(gè)中子BX原子核中含有141個(gè)核子C因?yàn)榱炎儠r(shí)釋放能量，根據(jù)Emc2，所以裂變后的總質(zhì)量數(shù)增加D因?yàn)榱炎儠r(shí)釋放

17、能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少答案A解析X原子核中的核子數(shù)為(2351)(942)140個(gè)，B錯(cuò)誤；中子數(shù)為140(9238)86個(gè)，A正確；裂變時(shí)釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，但是其總質(zhì)量數(shù)是不變的，C、D錯(cuò)誤4秦山核電站第三期工程中有兩個(gè)6105 kW發(fā)電機(jī)組已實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電發(fā)電站的核能來源于92 U的裂變，下列說法正確的是()A反應(yīng)堆中核反應(yīng)速度通常是采用調(diào)節(jié)92U的體積來控制的B.92U的一種可能裂變?yōu)?2Un54XeSr2nC.92U是天然放射性元素，升高溫度后它的半衰期會(huì)縮短D雖然核電站能提供很大的能量，但它對(duì)環(huán)境的污染比火電站嚴(yán)重答案B解析反應(yīng)堆中核反應(yīng)速度由控制棒(鎘棒)

18、吸收中子的多少來控制，A錯(cuò)；U裂變有多種可能性，這是其中常見的一種，B對(duì)；放射性元素的半衰期由原子核本身決定，與溫度、壓強(qiáng)等外界條件無(wú)關(guān)，C錯(cuò)；核電站的核能是清潔能源，污染少，D錯(cuò)5裂變反應(yīng)是目前核能利用中常用的反應(yīng)，以原子核92U為燃料的反應(yīng)堆中，當(dāng)92U俘獲一個(gè)慢中子后發(fā)生的裂變反應(yīng)可以有多種方式，其中一種可表示為：92U n 54Xe Sr3n235043 91.008 7138.917 893.915 4反應(yīng)方程下方的數(shù)字是中子及有關(guān)原子核的靜止質(zhì)量(以原子質(zhì)量單位u為單位)已知1 u的質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量為9.3102 MeV，此裂變反應(yīng)釋放出的能量是_ MeV.答案179.8解析Emc2

19、(235.043 91.008 7138.917 893.915 431.008 7)9.3102 MeV179.8 MeV.題組二對(duì)輕核聚變的理解和核能計(jì)算6關(guān)于聚變，以下說法正確的是()A兩個(gè)氘核可以聚變成一個(gè)中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)釋放出能量B同樣質(zhì)量的物質(zhì)發(fā)生核聚變反應(yīng)時(shí)放出的能量比同樣質(zhì)量的物質(zhì)發(fā)生核裂變反應(yīng)時(shí)釋放的能量大得多C聚變反應(yīng)的條件是聚變物質(zhì)的體積達(dá)到臨界體積D發(fā)生聚變反應(yīng)的原子核必須有足夠大的動(dòng)能答案BD7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(kù)侖斥力做功B輕核聚變需要幾百萬(wàn)開爾文的高溫，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(wàn)開爾文的高溫，所以氫

20、彈可以利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)D太陽(yáng)和許多恒星內(nèi)部都在激烈地進(jìn)行著熱核反應(yīng)，在地球內(nèi)部也可以自發(fā)地進(jìn)行答案ABC解析輕核聚變時(shí)，要使輕核之間距離達(dá)到1015 m，所以必須克服庫(kù)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發(fā)生作用的范圍，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，原子核的溫度必須達(dá)到幾百萬(wàn)開爾文時(shí)才有這樣的能量，這樣高的溫度可以利用原子彈爆炸獲得，故B、C正確；在太陽(yáng)和許多恒星內(nèi)部都存在著熱核反應(yīng)，但在地球內(nèi)部不會(huì)自發(fā)地進(jìn)行，D錯(cuò)誤8關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是()A一次聚變反應(yīng)一定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多B聚變反應(yīng)每個(gè)核子釋放的平均能量一定比裂變反應(yīng)大C聚變反應(yīng)中粒子的比結(jié)合能變

21、小D聚變反應(yīng)中由于形成質(zhì)量較大的核，故反應(yīng)后質(zhì)量增大答案B解析在一次聚變反應(yīng)中釋放的能量不一定比裂變反應(yīng)多，故A錯(cuò)誤；由于聚變反應(yīng)中釋放出巨大能量，則比結(jié)合能一定增加，質(zhì)量發(fā)生虧損，故C、D錯(cuò)誤9當(dāng)兩個(gè)中子和兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)粒子時(shí)，放出28.30 MeV的能量，當(dāng)三個(gè)粒子結(jié)合成一個(gè)碳(C)核時(shí)，放出7.26 MeV的能量，則當(dāng)6個(gè)中子和6個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)碳(C)核時(shí)，釋放的能量約為()A21.04 MeV B35.56 MeVC77.64 MeV D92.16 MeV答案D解析6個(gè)中子和6個(gè)質(zhì)子可結(jié)合成3個(gè)粒子，放出能量328.30 MeV84.90 MeV,3個(gè)粒子再結(jié)合成一個(gè)碳核，放出7.26 MeV能量，故6個(gè)中子和6個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)碳核時(shí)，釋放能量為84.90 MeV7.26 MeV92.16 M