第三章原子核 3.5-3.6核裂变核聚变1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件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知道热核反应，了解受控核聚变反应研究的发展. 学习目标定位学习目标定位 学习探究区一、一、重核裂变重核裂变二、二、裂变过程中核能的分析与计算裂变过程中核能的分析与计算三三、、核聚变发生的条件及特点核聚变发生的条件及特点 一、重核裂变问题设计问题设计(1)铀核裂变是如何发生的？铀核裂变是如何发生的？答案 答案 (1)铀核的裂变铀核的裂变①①核核子子受受激激发发：：当当中中子子进进入入铀铀235后后，，便便形形成成了了处处于于激激发发状状态态的的复复核核，，复复核核中中由由于于核核子子的的激激烈烈运运动动，，使使核核变变成成不规则的形状不规则的形状. ②②核核子子分分裂裂：：核核子子间间的的距距离离增增大大，，因因而而核核力力迅迅速速减减弱弱，，使使得得原原子子核核由由于于质质子子间间的的斥斥力力作作用用而而分分裂裂成成几几块块，，同同时时放放出出2～～3个个中中子子，，这这些些中中子子又又引引起起其其他他铀铀核核裂裂变变，，这这样样，，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应. (2)重核裂变在自然界中能自发进行吗？重核裂变在自然界中能自发进行吗？答答案案 重重核核的的裂裂变变只只能能发发生生在在人人为为控控制制的的核核反反应应中中，，自自然然界界不不会会自自发发地地发发生生.铀铀核核裂裂变变不不会会自自发发地地进进行行，，要要使使铀铀核核裂裂变变，，首首先先要要利利用用中中子子轰轰击击铀铀核核，，使使铀铀核核分分裂裂，，分分裂产生更多的中子，这样形成了链式反应裂产生更多的中子，这样形成了链式反应. 要点要点提炼提炼1.铀核裂变铀核裂变用用 轰轰击击铀铀核核时时，，铀铀核核发发生生裂裂变变，，其其产产物物是是多多种种多多样样的的，，其其中中两两种种典典型型的的反反应应是是 U＋＋ → → Ba＋＋ Kr＋＋ ；； U＋＋ → → Xe＋＋ Sr＋＋ .中子中子 2.链式反应链式反应由由重重核核裂裂变变产产生生的的 使使裂裂变变反反应应一一代代接接一一代代继继续续下下去去的过程，叫做核裂变的链式反应的过程，叫做核裂变的链式反应.3.链式反应的条件链式反应的条件(1)铀铀块块的的体体积积 临临界界体体积积或或铀铀块块的的质质量量 临临界界质质量量.(2)有足够数量的有足够数量的慢慢中子中子.中子中子大于大于大于大于 例例1 关于铀核裂变，下列说法正确的是 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，但只能裂变成两种铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不不 同同的核的核B.铀核裂变时还能同时释放铀核裂变时还能同时释放2～～3个中子个中子C.为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀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铀块的体积对产生链式反应无影响 解解析析 铀铀核核受受到到中中子子的的冲冲击击，，会会引引起起裂裂变变，，裂裂变变的的产产物物是是多多种种多多样样的的，，具具有有极极大大的的偶偶然然性性，，但但裂裂变变成成两两块块的的情情况况比比较较多多，，也也有有的的分分裂裂成成多多块块，，并并放放出出几几个个中中子子，，铀铀235受受中中子子的的轰轰击击时时，，裂裂变变的的概概率率大大，，而而铀铀238只只有有俘俘获获能能量量在在1 MeV以以上上的的中中子子才才能能引引起起裂裂变变，，且且裂裂变变的的几几率率小小，，而而要要引引起起链链式式反反应应，，需需使使铀铀块块体体积积超超过过临临界界体体积积，，故故B、、C正确正确.答案 答案 BC返回返回 问题设计问题设计二、裂变过程中核能的分析与计算重重核核裂裂变变为为什什么么能能释释放放核核能能？？人人们们获获得得核核能能的的途途径径有有哪哪些？通过图些？通过图1说明说明.图图1 答答案案 中中等等质质量量的的原原子子核核的的核核子子的的平平均均质质量量较较小小，，重重核核和轻核的核子的平均质量较大和轻核的核子的平均质量较大.从从题题图图中中可可以以看看出出，，铁铁原原子子核核中中核核子子的的平平均均质质量量最最小小.如如果果原原子子序序数数较较大大的的重重核核A分分裂裂成成原原子子序序数数小小一一些些的的核核B和和C，，会会有有质质量量亏亏损损，，放放出出巨巨大大的的核核能能.获获得得核核能能的的主主要途径：一是重核裂变，二是轻核聚变要途径：一是重核裂变，二是轻核聚变. 要点要点提炼提炼铀铀核裂变释放核能的计算核裂变释放核能的计算1.首先算出裂变反应中发生的质量亏损首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm.2.根据根据 计算计算释放的核能释放的核能计计算算时时注注意意Δm与与ΔE单单位位的的对对应应关关系系，，若若Δm用用kg做做单单位位，，ΔE用用J做做单单位位；；Δm用用u做做单单位位，，ΔE用用MeV做做单单位位，，1 u相当于相当于931.5 MeV的能量的能量.ΔE＝＝Δmc2 3.若若计计算算一一定定质质量量的的铀铀块块完完全全裂裂变变时时放放出出的的核核能能，，应应先先算算出出铀铀块块中中有有多多少少个个铀铀核核(设设为为n)，，则则铀铀块块裂裂变变释释放放的的核能核能E＝＝ .nΔE 例例2 2011年年3月月11日日，，日日本本发发生生了了9.1级级大大地地震震，，并并引引发发海海啸啸，，在在此此次次灾灾害害中中，，日日本本福福岛岛核核电电站站发发生生了了核核泄泄露露，，对对附附近近的的环环境境造造成成了了很很大大的的危危害害.核核泄泄露露产产生生的的射射线线具具有有非非常常大大的的危危害害性性，，能能够够使使动动植植物物体体内内的的细细胞胞发发生生癌癌变变，，致致使使生生物物死死亡亡.根根据据以以上上材材料料回回答答以以下下问问题题：：核核电电站站的的发发电电原原理理是是通通过过核核裂裂变变产产生生巨巨大大的的能能量量，，完完成成下下面面铀铀核核裂裂变变可可能能的的一一个个反反应应方方程程 ＋＋________，， 并并计计算算1 kg铀铀核核裂裂变变放放出出的的能能量量是是______ J.(结结果果保保留留两两位位有有效效数数字字，， U、、 Ba、、 Kr和和中中子子的的质质量量分分别别为为235.049 3 u,140.913 9 u,91.897 3 u,1.008 7 u，，1 u＝＝1.66××10－－27 kg) 解解析析 一一个个铀铀原原子子核核裂裂变变放放出出的的核核能能为为ΔE＝＝Δmc2＝＝(235.049 3 u－－140.913 9 u－－91.897 3 u－－2××1.008 7 u)××1.66××10－－27 kg××(3××108 m/s)2＝＝3.3××10－－11 J，，E＝＝ NA·ΔE＝＝ ××6.02××1023××3.3××10－－11 J＝＝8.45××1013 J.答案 答案 3 n 8.45××1013返回返回 要点要点提炼提炼三、核聚变发生的条件及特点1.从从比比结结合合能能的的图图线线看看，，轻轻核核聚聚变变后后比比结结合合能能增增加加，，因因此此聚变反应是一聚变反应是一个个 反应反应.2.聚聚变变发发生生的的条条件件：：要要使使轻轻核核聚聚变变，，必必须须使使轻轻核核接接近近核核力力发发生生作作用用的的距距离离 m，，这这要要克克服服电电荷荷间间强强大大的的斥斥力力作作用用，，要要求求使使轻轻核核具具有有足足够够大大的的动动能能.要要使使原原子子核核具具有有足足够够大大的的动动能能，，就就要要给给它它们们 ，，使使物物质质达达到到几几百百万万开开尔尔文文的的高高温温.放能放能10－－15加热加热 3.核裂变与核聚变的区别核裂变与核聚变的区别 反反应应方式方式比比较较项项目目核裂核裂变变核聚核聚变变放能原理放能原理重核分裂成两个或重核分裂成两个或多个多个①① 的的原子核，放出核能原子核，放出核能两个两个轻轻核核结结合成合成②② 的的原子核，原子核，放出核能放出核能中等质量中等质量质质量较大量较大 放能多少放能多少聚聚变变反反应应比裂比裂变变反反应应平均每个核子放平均每个核子放出的能量大出的能量大约约要要③③ 3～～4倍倍核核废废料料处处理理难难度度聚聚变变反反应应的核的核废废料料处处理要比裂理要比裂变变反反应应④④ 得得多多大大简单简单 例例3 太太阳阳内内部部持持续续不不断断地地发发生生着着四四个个质质子子聚聚变变为为一一个个氦氦核核同同时时放放出出两两个个正正电电子子的的热热核核反反应应，，这这个个核核反反应应释释放放出的大量能量就是太阳的能源出的大量能量就是太阳的能源.(1)写出这个核反应方程写出这个核反应方程.解解析析 核核反反应应方方程程 ，，而而X只只能能是是2个个正正电电子子.因此核反应方程应为因此核反应方程应为 .答案 答案 (2)这一核反应能释放多少能量？这一核反应能释放多少能量？解解析析 反反应应前前的的质质量量m1＝＝4mp＝＝4××1.007 3 u＝＝4.029 2 u，，反反应应后后m2＝＝mHe＋＋2me＝＝4.001 5 u＋＋2××0.000 55 u＝＝4.002 6 u，，Δm＝＝m1－－m2＝＝0.026 6 u，，由由质质能能方方程程得得，，释放能量释放能量ΔE＝＝Δmc2＝＝0.026 6××931.5 MeV＝＝24.78 MeV.答案 答案 24.78 MeV (3)已已知知太太阳阳每每秒秒释释放放的的能能量量为为3.8××1026 J，，则则太太阳阳每每秒秒减少的质量为多少千克？减少的质量为多少千克？(mp＝＝1.007 3 u，，mHe＝＝4.001 5 u，，me＝＝0.000 55 u)解析 解析 由质能方程由质能方程ΔE＝＝Δmc2得每秒减少的质量得每秒减少的质量Δm＝＝ kg＝＝4.2××109 kg.答案 答案 4.2××109 kg返回返回 课堂要点小结核裂变核裂变核聚变核聚变核裂变核裂变定义及发现定义及发现链式反应的条件链式反应的条件V≥≥V临临足够的慢中子足够的慢中子应用应用原子弹原子弹核电站核电站核聚变核聚变定义定义聚变发生的条件聚变发生的条件受控热核反应受控热核反应优点优点可控方案可控方案返回返回 自我检测区1234 12341.关于重核的裂变，下列说法正确的是关于重核的裂变，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，一定发生链式反应中子从铀块中通过时，一定发生链式反应C.重核裂变释放出大量的能量，产生明显的质量亏损重核裂变释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，， 所以所以核子数减少核子数减少D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均平均 质量质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量质量 亏损亏损，放出核能，放出核能 1234解解析析 根根据据重重核核发发生生裂裂变变的的条条件件和和裂裂变变放放能能的的原原理理分分析析可可知知，，裂裂变变时时因因铀铀核核俘俘获获中中子子即即发发生生核核反反应应，，是是核核能能转转化化为为其其他他形形式式能能的的过过程程.因因而而其其释释放放的的能能量量是是远远大大于于其其俘俘获中子时吸收的能量的获中子时吸收的能量的.链链式式反反应应是是有有条条件件的的，，即即铀铀块块的的体体积积必必须须不不小小于于其其临临界界体积体积.如如果果体体积积小小，，中中子子从从铀铀块块中中穿穿过过时时，，碰碰不不到到原原子子核核，，则则链式反应就不会发生链式反应就不会发生. 1234在在裂裂变变反反应应中中核核子子数数是是不不会会减减少少的的，，如如 U裂裂变变为为 Sr和和 Xe的核反应，其核反应方程为的核反应，其核反应方程为：：其中各粒子质量分别为其中各粒子质量分别为mU＝＝235.043 9 u，，mn＝＝1.008 67 umSr＝＝89.907 7 u，，mXe＝＝135.907 2 u质量亏损为质量亏损为Δm＝＝(mU＋＋mn)－－(mSr＋＋mXe＋＋10mn)＝＝0.151 0 u 1234可可见见铀铀裂裂变变的的质质量量亏亏损损是是远远小小于于一一个个核核子子的的质质量量的的，，核核子数是不会减少的，因此选项子数是不会减少的，因此选项A、、B、、C错误错误.重重核核裂裂变变为为中中等等质质量量的的原原子子核核时时，，由由于于平平均均质质量量减减小小，，还会再发生质量亏损，从而释放出核能还会再发生质量亏损，从而释放出核能.综上所述，选项综上所述，选项D正确正确.答案 答案 D 12342.下列关于聚变的说法中，正确的是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，因此聚变又轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此聚变又叫做叫做 热核反应热核反应C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹利利 用用原子弹引发热核反应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，太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在在 地球地球内部也可以自发地进行内部也可以自发地进行 1234解解析析 轻轻核核聚聚变变时时，，要要使使轻轻核核之之间间距距离离达达到到10－－15 m，，所以必须克服库仑斥力做功，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；正确；原原子子核核必必须须有有足足够够的的动动能能，，才才能能使使它它们们接接近近到到核核力力能能发发生生作作用用的的范范围围，，实实验验证证实实，，原原子子核核必必须须处处在在几几百百万万开开尔尔文文下下才才有有这这样样的的能能量量，，这这样样高高的的温温度度通通过过利利用用原原子子弹弹爆爆炸获得，故炸获得，故B、、C正确；正确； 1234在在太太阳阳和和其其他他恒恒星星内内部部都都存存在在着着热热核核反反应应，，但但在在地地球球上上不会自发地进行，不会自发地进行，D错误错误.答案 答案 ABC 12343.一一个个铀铀235原原子子俘俘获获一一个个中中子子后后，，裂裂变变为为氙氙139和和锶锶94，，同同时时放放出出三三个个中中子子，，写写出出核核反反应应方方程程并并计计算算一一个个铀铀核核裂裂变变时时释释放放的的核核能能.已已知知mU＝＝235.043 94 u，，mXe＝＝138.918 44 u，，mSr＝＝93.915 47 u，，mn＝＝1.008 665 u，，1 u相当于相当于931.5 MeV. 1234解析 解析 核反应方程为核反应方程为反应中的质量亏损为反应中的质量亏损为Δm＝＝(mU＋＋mn)－－(mXe＋＋mSr＋＋3mn)＝＝(235.043 94＋＋1.008 665) u－－(138.918 44＋＋93.915 47＋＋3××1.008 665) u＝＝0.192 7 u所以，一个铀核裂变释放的核能为所以，一个铀核裂变释放的核能为ΔE＝＝0.192 7××931.5 MeV≈≈179.5 MeV答案 答案 179.5 MeV 12344.一一个个质质子子和和两两个个中中子子聚聚变变为为一一个个氚氚核核，，已已知知质质子子质质量量mH＝＝1.007 3 u，，中中子子质质量量mn＝＝1.008 7 u，，氚氚核核质质量量m＝＝3.018 0 u.(1)写出聚变方程；写出聚变方程；解析 解析 聚变方程聚变方程 .答案 答案 1234(2)求释放出的核能；求释放出的核能；解解析析 质质量量亏亏损损Δm＝＝mH＋＋2mn－－m＝＝(1.007 3＋＋2××1.008 7－－3.018 0) u＝＝0.006 7 u，，释放的核能释放的核能ΔE＝＝0.006 7××931.5 MeV＝＝6.24 MeV答案 答案 6.24 MeV 1234(3)求平均每个核子释放的能量求平均每个核子释放的能量.解析 解析 平均每个核子放出的能量为平均每个核子放出的能量为 MeV＝＝2.08 MeV答案 答案 2.08 MeV 。
