《2015高中物理 3.5-3.6 核裂变 核聚变 学案（教科版选修3-5）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2015高中物理 3.5-3.6 核裂变 核聚变 学案（教科版选修3-5）（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、学案学案 5 核裂变核裂变 核聚变核聚变学习目标定位 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.了解核反应堆的工作原理及常见核反应堆类型.3.知道热核反应，了解受控核聚变反应研究的发展1核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒2核能运算：Emc2.(1)若 m 单位为 kg，则 E 的单位为 J；(2)若 m 单位为 u，则 E 的单位为 MeV，可直接利用 Em931.5 MeV 计算核能3核裂变(1)历史事实1938 年，德国化学家、物理学家哈恩等发现用中子轰击铀核的产物中含有中等质量的原子核钡和氪1947 年，我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇首先观察到中子轰击铀核的三分裂现象(2)核
2、裂变：把重核分裂成几个中等质量原子核的现象(3)铀核裂变方程举例U nBaKr3 n235921 01445689361 04链式反应(1)链式反应：如果一个反应过程的产物能够再次引发这种反应，从而使反应一旦开始后就能自动延续下去，这种反应过程就称为链式反应当一个中子引起一个铀核裂变后，裂变释放的中子再引起其他的铀核裂变，且能一代一代继续下去，这就是铀核裂变的链式反应(2)临界体积：能够发生链式反应的裂变物质的最小体积叫做临界体积，它是发生链式反应的一个重要因素5核电站(1)核反应堆：是控制链式反应的核心设施，是核电站的核心(2)分类：按引起裂变的中子能量分为慢中子反应堆和快中子反应堆目前运行
3、的大多是慢中子反应堆根据减速剂的不同，又分为轻水堆、重水堆和石墨堆等(3)组成：反应堆由核材料、减速剂、控制棒、反射层、热交换器、防护层构成6热核反应(1)定义：把轻原子核聚合成较重原子核的反应，简称核聚变核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应(2)核反应举例： H H He n2 13 14 21 0(3)特点：在消耗相同质量的核燃料时，核聚变反应比核裂变反应能释放更多的能量；核聚变反应没有放射性废料产生；核聚变反应所用的燃料储量丰富.一、重核裂变问题设计(1)铀核裂变是如何发生的？(2)重核裂变在自然界中能自发进行吗？答案 (1)铀核的裂变核子受激发：当中子进入铀 235 后，便形成
4、了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出 23 个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应(2)重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，自然界不会自发地发生铀核裂变不会自发地进行，要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这样形成了链式反应要点提炼1铀核裂变用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中两种典型的反应是U nBaKr3 n；U nXeSr10 n.235921 01445689
5、361 0235921 01365490381 02链式反应由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应3链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积或铀块的质量大于临界质量(2)有足够数量的慢中子例 1 关于铀核裂变，下列说法正确的是( )A铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B铀核裂变时还能同时释放 23 个中子C为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀 235D铀块的体积对产生链式反应无影响解析 铀核受到中子的冲击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况比较多，也有的分裂成多块，并放出几个中子，铀 235 受
6、中子的轰击时，裂变的概率大，而铀 238 只有俘获能量在 1 MeV 以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故 B、C 正确答案 BC二、裂变过程中核能的分析与计算问题设计重核裂变为什么能释放核能？人们获得核能的途径有哪些？通过图 1 说明图 1答案 中等质量的原子核的核子的平均质量较小，重核和轻核的核子的平均质量较大从题图中可以看出，铁原子核中核子的平均质量最小如果原子序数较大的重核 A 分裂成原子序数小一些的核 B 和 C，会有质量亏损，放出巨大的核能获得核能的主要途径：一是重核裂变，二是轻核聚变要点提炼铀核裂变释放核能的计算1首先算出裂变反应
7、中发生的质量亏损 m.2根据 Emc2计算释放的核能计算时注意 m 与 E 单位的对应关系，若 m 用 kg 做单位，E 用 J 做单位；m 用 u 做单位，E 用 MeV 做单位，1 u 相当于 931.5 MeV 的能量3若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核(设为 n)，则铀块裂变释放的核能 EnE.例 2 2011 年 3 月 11 日，日本发生了 9.1 级大地震，并引发海啸，在此次灾害中，日本福岛核电站发生了核泄露，对附近的环境造成了很大的危害核泄露产生的射线具有非常大的危害性，能够使动植物体内的细胞发生癌变，致使生物死亡根据以上材料回答以下问题：核电
8、站的发电原理是通过核裂变产生巨大的能量，完成下面铀核裂变可能的一个反应方程U nBaKr_，并计算 1 kg 铀核裂变放出的能量是_ J(结果保235921 0141569236留两位有效数字，U、Ba、Kr 和中子的质量分别为 235.049 3 u,140.913 9 u,91.897 3 23592141569236u,1.008 7 u，1 u1.661027 kg)解析 一个铀原子核裂变放出的核能为 Emc2(235.049 3 u140.913 9 u91.897 3 u21.008 7 u)1.661027 kg(3108 m/s)23.31011 J，ENAE1 0002356
9、.0210233.31011 J8.451013 J.1 000235答案 3 n 8.4510131 0三、核聚变发生的条件及特点要点提炼1从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应2聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离 1015 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温3核裂变与核聚变的区别反应方式比较项目核裂变核聚变放能原理重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核
10、子放出的能量大约要大34 倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多例 3 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源(1)写出这个核反应方程(2)这一核反应能释放多少能量？(3)已知太阳每秒释放的能量为 3.81026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？(mp1.007 3 u，mHe4.001 5 u，me0.000 55 u)解析 (1)核反应方程 4 H He X，而 X 只能是 2 个正电子因此核反应方程应为1 14 20 20 24 H He2 e.1 14 20 1(2)反应前的质量 m14
11、mp41.007 3 u4.029 2 u，反应后 m2mHe2me4.001 5 u20.000 55 u4.002 6 u，mm1m20.026 6 u，由质能方程得，释放能量Emc20.026 6931.5 MeV24.78 MeV.(3)由质能方程 Emc2得每秒减少的质量m kg4.2109 kg.Ec23.8 10263 1082答案 (1)4 H He2 e (2)24.78 MeV1 14 20 1(3)4.2109 kg核裂变核聚变Error!Error!1关于重核的裂变，下列说法正确的是( )A核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B中子从铀块中通过时，一定发生链式反应
12、C重核裂变释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少D由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能答案 D解析 根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程因而其释放的能量是远大于其俘获中子时吸收的能量的链式反应是有条件的，即铀块的体积必须不小于其临界体积如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生在裂变反应中核子数是不会减少的，如U 裂变为Sr 和Xe 的核反应，其核反应方程为：U nSrXe10 n23592903813654235
13、921 09038136541 0其中各粒子质量分别为mU235.043 9 u，mn1.008 67 umSr89.907 7 u，mXe135.907 2 u质量亏损为 m(mUmn)(mSrmXe10mn)0.151 0 u可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此选项A、B、C 错误重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，还会再发生质量亏损，从而释放出核能综上所述，选项 D 正确2下列关于聚变的说法中，正确的是( )A要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此聚变又叫做热核反应C原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢
14、弹利用原子弹引发热核反应D太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行答案 ABC解析 轻核聚变时，要使轻核之间距离达到 1015 m，所以必须克服库仑斥力做功，A 正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万开尔文下才有这样的能量，这样高的温度通过利用原子弹爆炸获得，故 B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球上不会自发地进行，D 错误3一个铀 235 原子俘获一个中子后，裂变为氙 139 和锶 94，同时放出三个中子，写出核反应方程并计算一个铀核裂变时释放的核能已知 mU235.043 94
15、u，mXe138.918 44 u，mSr93.915 47 u，mn1.008 665 u，1 u 相当于 931.5 MeV.答案 U nXeSr3 n 179.5 MeV235921 01395494381 0解析 核反应方程为U nXeSr3 n235921 01395494381 0反应中的质量亏损为m(mUmn)(mXemSr3mn)(235.043 941.008 665) u(138.918 4493.915 4731.008 665) u0.192 7 u所以，一个铀核裂变释放的核能为E0.192 7931.5 MeV179.5 MeV4一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量 mH1.007 3 u，中子质量 mn1.008 7 u，氚核质量 m3.018 0 u.(1)写出聚变方程；(2)求释放出的核能；(3)求平均每个核子释放的能量答案 (1) H2 n H (2)6.24 MeV1 11 03 1(3)2.08 MeV解析 (1)聚变方程 H2 n H.1 11 03 1(2)质量亏损 mmH2mnm(1.007 321.008 73.018 0)
