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1、高中物理高中物理选修选修3-5粤教版粤教版第五节第五节 裂变和聚变裂变和聚变目标定位目标定位1.知道重核的裂知道重核的裂变反反应和和链式反式反应发生的条件生的条件.2.掌握核聚掌握核聚变的定的定义及及发生条件生条件.3.会会计算裂算裂变、聚、聚变所所释放的放的能量能量一、核裂变与链式反应一、核裂变与链式反应1核裂变核裂变：_分裂分裂为两个或两个以上的两个或两个以上的较轻质量的核的反量的核的反应2链式反应链式反应：一个核的裂：一个核的裂变能能够引引发一个或一个以上的核一个或一个以上的核发生裂生裂变，让核裂核裂变的的过程能程能_进行下去，源源不断地将行下去，源源不断地将_释放出来放出来3铀铀235
2、与铀与铀238比较比较(1)天然天然铀储量：量：铀238占占99.3%.铀235占占0.7%.重核重核自自发核能核能(2)与中子的作用特点与中子的作用特点铀235俘俘获各种能量的中子都会各种能量的中子都会发生裂生裂变，而且俘，而且俘获能能量低的中子量低的中子发生裂生裂变的几率的几率_铀238只有俘只有俘获能量能量_ 1 MeV的中子才可能的中子才可能发生裂生裂变，并且几率并且几率_ ，俘，俘获能量低于能量低于1 MeV的中子的中子时，不，不发生裂生裂变，而，而变为铀239.为使使链式反式反应容易容易发生，最好生，最好选用用_4一种典型的裂变反应方程一种典型的裂变反应方程较大大大于大于很小很小铀
3、2355临界体积临界体积：能：能够发生生链式反式反应的的铀块的的_体体积二、受控热核反应二、受控热核反应1核聚变核聚变：轻核核结合成合成质量量_核，核，轻核聚核聚变必必须在高温在高温下下进行，因此又叫行，因此又叫_2能量变化能量变化：轻核聚核聚变后，平均后，平均结合能合能_ ，反，反应中会中会_能量能量4核反应条件核反应条件：必：必须使它使它们的距离达到的距离达到_m以内，使核具以内，使核具有足有足够的的_ ，轻核才能核才能够发生聚生聚变最小最小较大的大的热核反核反应增加增加释放放1015动能能5特点特点：在消耗相同：在消耗相同质量的核燃料量的核燃料时，轻核聚核聚变比重核裂比重核裂变_的能量的
4、能量热核反核反应一旦一旦发生，就不再需要外界生，就不再需要外界给它它能量，靠能量，靠_就会使反就会使反应继续下去下去6受控热核反应受控热核反应：如果要使巨大的：如果要使巨大的热核反核反应能量不是以爆炸的能量不是以爆炸的形式形式释放，而是在人工控制下逐放，而是在人工控制下逐渐地地释放出来并加以利用放出来并加以利用(例例如如发电)，这称称为受控受控热核反核反应7实现受控热核反应的条件实现受控热核反应的条件(1)要把要把热核燃料加核燃料加热到非常高的温度；到非常高的温度；(2)要使聚要使聚变反反应维持下去并能加以控制以提供可用的能量；持下去并能加以控制以提供可用的能量；(3)使使热核反核反应释放的能
5、量足以放的能量足以补偿形成聚形成聚变过程中所程中所损失的失的能量，能量，这个条件称个条件称为“点火点火”条件条件.释放更多放更多自身自身产生的生的热一、核裂变和链式反应一、核裂变和链式反应1核子受激发核子受激发：当中子：当中子进入入铀235后，便形成了后，便形成了处于激于激发状状态的复核，复核中由于核子的激烈运的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核，使核变成不成不规则的形状的形状2核子分裂核子分裂：核子：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于原子核由于质子子间的斥力作用而分裂成几的斥力作用而分裂成几块，同，同时放出放出23个中子，个中子，这些中子又
6、引起其他些中子又引起其他铀核裂核裂变，这样，裂，裂变就会不断地就会不断地进行下去，形成行下去，形成链式反式反应3能量能量：铀核裂核裂变为中等中等质量的原子核，量的原子核，发生生质量量亏亏损，所，所以放出能量一般来以放出能量一般来说，平均每个核子放出的能量，平均每个核子放出的能量约为1 MeV，1 kg铀235全部裂全部裂变放出的能量相当于放出的能量相当于2 800 t优质煤煤燃燃烧时释放的能量，裂放的能量，裂变时能能产生几万度的高温生几万度的高温4用中子用中子轰击铀核核时，铀核裂核裂变的的产物是多种多物是多种多样的，其中的，其中两种典型的反两种典型的反应是：是：【例例1】(单选单选)关于重核的
7、裂关于重核的裂变，下列，下列说法正确的是法正确的是()A核裂核裂变时释放的能量等于它俘放的能量等于它俘获中子中子时得到的能量得到的能量B重核裂重核裂变时释放出大量的能量，放出大量的能量，产生明生明显的的质量量亏亏损，所以核子数减少，所以核子数减少C铀核自核自发放出放出粒子、粒子、粒子粒子时要要释放能量，核放能量，核电站利站利用的就是用的就是这一能量一能量D重核的比重核的比结合能小于中等合能小于中等质量核的比量核的比结合能，所以重合能，所以重核裂核裂变成中等成中等质量核量核时，要放出核能，有，要放出核能，有质量量亏亏损答案答案D解析解析核电站利用的是裂变链式反应所放出的核能原子核电站利用的是裂变
8、链式反应所放出的核能原子核的衰变以及人工核反应也要释放核能，但天然衰变进行核的衰变以及人工核反应也要释放核能，但天然衰变进行得非常缓慢，放出的能量也很小，人工无法控制，实用价得非常缓慢，放出的能量也很小，人工无法控制，实用价值不大，原子核的人工转变也放出能量，但作为值不大，原子核的人工转变也放出能量，但作为“炮弹炮弹”的粒子击中原子核的机会太少，这种做法得不偿失所以的粒子击中原子核的机会太少，这种做法得不偿失所以核能的获取主要是通过裂变或聚变的途径比结合能是核核能的获取主要是通过裂变或聚变的途径比结合能是核子结合成原子核时，每个核子平均放出的能量，或原子核子结合成原子核时，每个核子平均放出的能
9、量，或原子核拆解成核子时，每个核子平均吸收的能量重核的比结合拆解成核子时，每个核子平均吸收的能量重核的比结合能小于中等质量核的比结合能，即将重核分成核子时比中能小于中等质量核的比结合能，即将重核分成核子时比中等质量核分成核子时每个核子平均吸收的能量小些，可见等质量核分成核子时每个核子平均吸收的能量小些，可见由重核裂变成两个中等质量的核要放出能量，选项由重核裂变成两个中等质量的核要放出能量，选项D正确；铀正确；铀核裂变放出的能量是原子核的核能，而不是中子具有的动能，核裂变放出的能量是原子核的核能，而不是中子具有的动能，选项选项A错误；裂变过程遵守质量数、电荷数守恒规律，错误；裂变过程遵守质量数、
10、电荷数守恒规律，B错误；错误；衰变是自发的现象，铀核衰变后的新核仍是重核，而核电站衰变是自发的现象，铀核衰变后的新核仍是重核，而核电站利用的是裂变核能，选项利用的是裂变核能，选项C错误错误借题发挥借题发挥重核裂变的实质重核裂变的实质(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程过程(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核
11、的比结合能要根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，小所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量mU390.313 91027 kg，mn1.674 91027 kg；mBa234.001 61027 kg，mKr152.604 71027 kg.试写出核反写出核反应方程，求出反方程，求出反应中中释放的核能放的核能解析解析根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒，就可以写出核反应方程能
12、量守恒，就可以写出核反应方程根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能出释放的核能 则核反应前后的质量亏损为则核反应前后的质量亏损为mmUmnmBamKr3mn0.357 81027 kg.由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为Emc20.357 81027(3108)2 J3.220 21011 J.二、核聚变及核能的计算二、核聚变及核能的计算1聚变发生的条件聚变发生的条件：要使：要使轻核聚核聚变，必，必须使使轻核接近核力核接近核力发生作用的距离生作用的距离1015 m，这要克服要克服电荷荷间
13、强强大的斥力作用，大的斥力作用，要求使要求使轻核具有足核具有足够大的大的动能要使原子核具有足能要使原子核具有足够大的大的动能，就要能，就要给它它们加加热，使物，使物质达到几百万开达到几百万开尔尔文的高温文的高温2轻核聚变是放能反应轻核聚变是放能反应：从比：从比结合能的合能的图线看，看，轻核聚核聚变后后比比结合能增加，因此聚合能增加，因此聚变反反应是一个放能反是一个放能反应3聚变方程聚变方程：4重核裂变与轻核聚变的区别重核裂变与轻核聚变的区别重核裂重核裂变轻核聚核聚变放能原理放能原理重核分裂成两个或多重核分裂成两个或多个中等个中等质量的原子核，量的原子核，放出核能放出核能两个两个轻核核结合成合成
14、质量量较大的原子核，放出大的原子核，放出核能核能放能多少放能多少聚聚变反反应比裂比裂变反反应平均每个核子放出的能平均每个核子放出的能量大量大约要大要大34倍倍核核废料料处理理难度度聚聚变反反应的核的核废料料处理要比裂理要比裂变反反应容易得容易得多多反应反应方式方式比较比较项目项目【例例3】(单选单选)以下以下说法正确的是法正确的是()A聚聚变是裂是裂变的逆反的逆反应B如果裂如果裂变释放能量，放能量，则聚聚变反反应必定吸收能量必定吸收能量C聚聚变须将反将反应物加物加热至数百万开至数百万开尔尔文以上的高温，文以上的高温，显然是吸收能量然是吸收能量D裂裂变与聚与聚变均可均可释放巨大的能量放巨大的能量
15、答案答案D解析解析A选项从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，选项从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同裂变但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应；无直接关联，并非互为逆反应；B选项既然裂变与聚变不选项既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量流向上也不必相反；是互为逆反应，则在能量流向上也不必相反；C选项要实选项要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量但聚变反应一旦实现，所释放万开尔文的高温提供能量但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量因此，总的来说，聚变反应的能量远大于所吸收的能量因此，总的来说，聚变反应还是释放能量还是释放能量【例例4】一个一个质子和两个中子聚子和两个中子聚变为一个一个氚核，已知核，已知质子子质量量mH1.007 3 u，中子，中子质量量mn1.008 7 u，氚核核质量量mT3.018 0 u求：求：(1)写出聚写出聚变方程；方程；(2)释放出的核能多大？放出的核能多大？(3)平均每个核子平均每个核子释放的能量是多大？放的能量是多大？
