2019-2020年高中物理第四章原子核第五節(jié)裂變和聚變教學(xué)案粵教版選修3-5.doc

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2019-2020年高中物理第四章原子核第五節(jié)裂變和聚變教學(xué)案粵教版選修3-5 1．兩個輕核聚合成一個較重核的反應(yīng)叫核聚變，較重的核分裂成兩個較輕核的反應(yīng)叫核裂變。 2．一個核的裂變引發(fā)一個或一個以上的核發(fā)生裂變，讓核裂變過程自己持續(xù)下去的核反應(yīng)叫做鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 3．為了使鈾核裂變時放出的中子再引起其他鈾核裂變，就可使裂變反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最好是利用純鈾235；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，碰不到原子核，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不會發(fā)生。 4．要使輕核聚變，就必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15 m，由于原子核是帶正電的，就必須克服電荷間很大的斥力作用，這就要求使核具有足夠的動能，就要給核力加熱，使物質(zhì)達(dá)到幾百萬度以上的高溫，使輕核在互相碰撞中接近到可以發(fā)生聚變的程度。因此這種反應(yīng)又叫做熱核反應(yīng)。 5．如果要使巨大的熱核反應(yīng)能量不是以爆炸的形式釋放，而是在人工控制下逐漸地釋出來并加以利用(例如發(fā)電)，這稱為受控?zé)岷朔磻?yīng)。 6．太陽輻射能量主要來自太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)。 核裂變與鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 1.核裂變 (1)概念：較重的一個核分裂成兩個較輕的核時，會釋放出能量，這種核反應(yīng)叫做核裂變。 (2)鈾核裂變分析： 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，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，同時放出2～3個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進(jìn)行下去，釋放出越來越多的核能。 ③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。一般說來，平均每個核子放出的能量約為1 MeV,1 kg鈾235全部裂變放出的能量相當(dāng)于2 800 t優(yōu)質(zhì)煤燃燒時釋放的能量。 (3)鈾235和鈾238的比較 在天然鈾中，99.3%的是U,0.7%的是U，雖然中子都能引起這兩種鈾核發(fā)生裂變，但它們和中子作用的情況明顯不同。 ①U俘獲各種能量的中子都會發(fā)生裂變，且俘獲低能量的中子發(fā)生裂變的概率大。 ②U只有在俘獲的中子的能量大于1 MeV時才能發(fā)生核反應(yīng)，且裂變的幾率較小。對于低于1 MeV的中子只與鈾核發(fā)生彈性碰撞，不能引起核反應(yīng)。 2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng) (1)定義：發(fā)生裂變時，為了讓核裂變過程自己持續(xù)下去，源源不斷地將核能釋放出來，這樣的核反應(yīng)叫做鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 (2)示意圖：如圖4－5－1所示 圖4－5－1 3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件 (1)鈾塊的體積大于臨界體積。體積超過臨界體積時，保證中子能夠碰到鈾核。 (2)有足夠濃度的鈾235。 (3)有足夠數(shù)量的慢中子。 (1)重核的裂變只能發(fā)生在人為控制的核反應(yīng)中，自然界不會自發(fā)地產(chǎn)生。如鈾核裂變不能自發(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。 (2)重核裂變反應(yīng)速度很快，不加控制的話，能量在很短的瞬間急劇釋放。如果采用其他方法對反應(yīng)速度加以控制就可以和平地利用這種巨大的核能。核電站就是可控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 1．裂變反應(yīng)中釋放出的能量來自于(　　) A．核子消失轉(zhuǎn)化為能量 B．原子中電子與原子核的電勢能減小 C．入射的中子消失轉(zhuǎn)化為能量 D．原子核的平均結(jié)合能變大，釋放出能量 解析：發(fā)生核反應(yīng)過程中，核子數(shù)保持守恒，中子未消失，故A、C錯誤。能量來自于原子核內(nèi)部，因重核在分裂為中等質(zhì)量的原子核時，平均結(jié)合能增加而釋放出能量，C錯誤，D正確。 答案：D 受控?zé)岷朔磻?yīng) 1.核聚變 (1)概念：兩個輕核聚合成一個較重的核時，會釋放出能量，這種核反應(yīng)叫做核聚變。 (2)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10－15 m，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能。 2．熱核反應(yīng) (1)概念：要使輕核聚變，就要求使輕核具有足夠大的動能，給輕核加熱到很高的溫度，當(dāng)物質(zhì)達(dá)到幾百萬度以上的高溫時，一部分原子核就具有足夠的動能而發(fā)生聚變，因此核聚變又叫熱核反應(yīng)。 (2)熱核反應(yīng)的優(yōu)點(與裂變相比) ①產(chǎn)生的能量大； ②反應(yīng)后生成的放射性物質(zhì)易處理； ③熱核反應(yīng)的燃料在地球上儲量豐富。 (3)熱核反應(yīng)的兩種方式 ①爆炸式熱核反應(yīng)； ②受控式熱核反應(yīng)(目前正處于探索、實驗階段)。 3．核聚變與核裂變的區(qū)別 (1)原理不同 重核的裂變是重核裂變成幾個中等質(zhì)量的原子核，放出能量，而聚變是幾個輕核聚變(結(jié)合)成一個中等質(zhì)量的原子核，放出巨大的能量。 (2)放出能量的大小不同 重核裂變時，平均每個核子釋放的能量約為1兆電子伏，而輕核的聚變，平均每個核子釋放出3兆電子伏以上的能量，即聚變比裂變能放出更多的能量。 (3)廢料處理難度不同 裂變產(chǎn)生的廢料處理起來比較困難，而熱核反應(yīng)的廢料處理要簡單得多。 (4)“燃料”的豐富程度不同 熱核反應(yīng)所需要的“燃料”——氘在地球上非常豐富，1升海水中大約有0.03克氘，如果用來進(jìn)行熱核反應(yīng)，放出的能量約和燃燒300升汽油相當(dāng)。而裂變?nèi)剂稀櫾诘厍蛏蟽α坑邢?，尤其是用于核裂變的?35，在鈾礦中僅占0.7 %，相比起來聚變的燃料——氘要豐富得多。我國是一個“貧鈾”國家，貯藏量不多。 (5)兩種反應(yīng)的可控制性不同 裂變反應(yīng)速度可以比較容易地進(jìn)行人工控制，因此，現(xiàn)在國際上的核電站都是利用裂變放出能量，而聚變反應(yīng)的可控制性比較困難，世界上許多國家都積極研究可控?zé)岷朔磻?yīng)的理論和技術(shù)。 2．(雙選)下列說法正確的是(　　) A．聚變反應(yīng)中有質(zhì)量虧損，所以必向外界放出能量 B．使核發(fā)生聚變反應(yīng)必須使核之間的距離接近到110－15 m，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 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)到發(fā)生核力的范圍，才能使它們緊密地結(jié)合起來，B正確，C錯誤；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。 答案：AB 對裂變反應(yīng)的理解 [例1]　關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是(　　) A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量 B．中子進(jìn)入鈾塊中時，一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)量減小 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，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，裂變時因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程。而并非中子的能量，故A錯誤。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，中子進(jìn)入鈾塊時，裂變中產(chǎn)生的中子散失到外界，沒有足夠的中子，則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不會發(fā)生，故B錯誤。在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會減少的，如U裂變?yōu)镾r和Xe的核反應(yīng)，其核反應(yīng)方程為U＋n―→Sr＋Xe＋10n， 其中各粒子質(zhì)量分別為 mU＝235.043 9 u，mn＝1.008 67 u， mSr＝89.907 7 u，mXe＝135.907 2 u， 質(zhì)量虧損為 Δm＝(mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn)＝0.151 0 u 可見鈾裂變的質(zhì)量虧損是遠(yuǎn)小于一個核子的質(zhì)量的，核子數(shù)是不會減少的，因此C錯誤，重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時，由于平均質(zhì)量減小，發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能。故D正確。 [答案]　D (1)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件是： ①要俘獲慢中子； ②鈾塊的體積大于或等于臨界體積． (2)重核裂變會釋放能量的理解 ①從平均結(jié)合能上看，中等質(zhì)量的原子核平均結(jié)合能較大，質(zhì)量較大的重核分裂為中等質(zhì)量原子核時，要放出能量。 ②從核子的平均質(zhì)量上看，中等質(zhì)量的原子核內(nèi)核子的平均質(zhì)量較小，如果由核子平均質(zhì)量較大的重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量原子核，質(zhì)量要虧損，所以要放出能量。 輕核聚變的理解與計算 [例2]　兩個氘核聚變產(chǎn)生一個中子和一個氦核(氦的同位素)。已知氘核質(zhì)量m0＝2.013 6 u，氦核質(zhì)量mHe＝3.0150 u，中子質(zhì)量mn＝1.008 7 u。 (1)寫出聚變方程并算出釋放的核能(已知1 u相當(dāng)于931.5 MeV)； (2)若反應(yīng)前兩氘核的動能均為Ek0＝0.35 MeV，它們正面對撞發(fā)生核聚變，且反應(yīng)后釋放的核能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，則反應(yīng)產(chǎn)生的氦核和中子的動能各為多大？ [解析]　(1)聚變的核反應(yīng)方程為2H→He＋n。 這個核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為： Δm＝2m0－(mHe＋mn) ＝(22.013 6－3.015 0－1.008 7)u＝0.003 5 u。 釋放的核能為ΔE＝0.003 5931.5 MeV＝3.26 MeV。 (2)把兩個氘核作為一個系統(tǒng)，對撞過程中動量守恒，由于反應(yīng)前兩核動能相同，其動量等值反向，因此反應(yīng)前后系統(tǒng)的總動量恒為零，即： 0＝mHevHe＋mnvn① 又由于反應(yīng)前后能量守恒，故反應(yīng)后氦核和中子的總動能為： mHev＋mnv＝ΔE＋2Ek0② 因為mHe∶mn＝3∶1， 所以氦核和中子的速率之比為：＝ 把這兩個關(guān)系式代入②式得： ΔE＋2Ek0＝4mHev＝4EkHe。 解得氦核的動能和中子的動能分別為： EkHe＝(3.26＋20.35) MeV＝0.99 MeV， Ekn＝3EkHe＝2.97 MeV。 [答案]　(1)2H→He＋n　3.26 MeV (2)0.99 MeV　2.97 MeV (1)計算核聚變中釋放的核能，方法與其他核反應(yīng)相似。首先，應(yīng)算出聚變前的核子質(zhì)量和反應(yīng)后的質(zhì)量，進(jìn)而求出質(zhì)量虧損Δm＝m前－m后，再運(yùn)用愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2求出釋放的總能量。該類問題是原子物理部分在高考中的熱點。 (2)此類問題常犯的錯誤在于運(yùn)用能量守恒定律解題時沒有將該反應(yīng)過程中由于質(zhì)量虧損釋放的核能考慮進(jìn)去，而認(rèn)為作用后的總動能等于作用前的總動能。 聚變反應(yīng)H＋H→He＋n，反應(yīng)原料氘(H)富存于海水中，而氚(H)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通過中子轟擊鋰核(Li)的人工核轉(zhuǎn)變得到。則： (1)請把下列用中子轟擊鋰核(Li)產(chǎn)生一個氚核(H)和一個新核的人工核轉(zhuǎn)變方程填寫完整： Li＋________―→________＋H。 (2)在(1)中，每生產(chǎn)1 g的氚同時有多少個Li核實現(xiàn)了核轉(zhuǎn)變？(阿伏加德羅常數(shù)N＝6.01023個/mol) (3)一個氘核和一個氚核發(fā)生核聚變時，平均每個核子釋放的能量為E0＝5.610－13 J。求發(fā)生核聚變時的質(zhì)量虧損。 解析：(1)Li＋n→He＋H (2)因為1 g氚為 mol，根據(jù)該反應(yīng)方程實現(xiàn)核轉(zhuǎn)變的 Li核也為 mol，所以有6.01023＝2.01023個Li核實現(xiàn)了核轉(zhuǎn)變。 (3)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2， 核聚變中有5個核子參加了反應(yīng)，所以該核聚變中的質(zhì)量虧損Δm＝＝ kg≈3.110－29 kg。 答案：(1)n　He　(2)2.01023個 (3)3.110－29 kg 1．(雙選)我國科學(xué)家研制“兩彈”所涉及的基本核反應(yīng)有： (1)U＋n→Sr＋Xe＋kn (2)H＋H→He＋dn 關(guān)于這兩個方程的下列說法，正確的是(　　) A．方程(1)屬于α衰變 B．方程(2)屬于輕核聚變 C．方程(1)中k＝10，方程(2)中d＝1 D．方程(1)中k＝6，方程(2)中d＝1 解析：方程(1)應(yīng)屬于重核裂變而不是α衰變，選項A錯誤；方程(2)為輕核聚變，選項B正確；核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒、核電荷數(shù)守恒，方程(1)中：235＋1＝90＋136＋k1，解得k＝10，方程(2)中：2＋3＝4＋d1，解得d＝1，選項C正確、D錯誤。 答案：BC 2．下列核反應(yīng)方程，屬于裂變反應(yīng)的有(　　) A.U→Th＋He B.U＋n→Ba＋Kr＋3n C.P→Si＋e D.Be＋He→6C＋n 解析：A選項是α衰變，B選項是裂變，C選項是放射性元素的衰變，D選項是查德威克發(fā)現(xiàn)中子的人工轉(zhuǎn)變方程，故B正確，A、C、D錯。 答案：B 3．2006年3月23日央視報道，中科院離子物理所經(jīng)過八年的艱苦奮斗，終于建成了世界上第一個全超導(dǎo)的托卡馬克試驗裝置并調(diào)試成功；這種裝置被稱為“人造太陽”(如圖1所示)， 圖1 它能夠承受上億攝氏度高溫且能夠控制等離子態(tài)的核子發(fā)生聚變并穩(wěn)定持續(xù)地輸出能量，就像太陽一樣為人類提供無限清潔的能源。在下列核反應(yīng)方程中有可能是該裝置內(nèi)部所進(jìn)行的核反應(yīng)的是(　　) A.N＋He→O＋H B.H＋H→He＋n C.U→Th＋He D.U＋n→Ba＋Kr＋3n 解析：由題意可知，核反應(yīng)為聚變反應(yīng)，故C、D錯．由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知A錯B對。 答案：B 4．重核裂變和輕核聚變是人們獲得核能的兩個途徑，下列說法中正確的是(　　) A．裂變過程質(zhì)量增加，聚變過程質(zhì)量虧損 B．裂變過程質(zhì)量虧損，聚變過程質(zhì)量增加 C．裂變過程和聚變過程都有質(zhì)量增加 D．裂變過程和聚變過程都有質(zhì)量虧損 解析：裂變和聚變中都有核能的釋放，由愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2可知均有質(zhì)量虧損，故D對。 答案：D 5．下列關(guān)于聚變的說法中，錯誤的是(　　) A．要使聚變產(chǎn)生，必須克服庫侖斥力做功 B．輕核聚變需要幾百萬攝氏度的高溫，因此聚變又叫做熱核反應(yīng) C．原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng) D．太陽和許多恒星內(nèi)部都在激烈地進(jìn)行著裂變反應(yīng) 解析：輕核聚變時，要使輕核之間的距離達(dá)到10－15 m，所以必須克服庫侖斥力做功，A正確；原子核必須有足夠的動能，才能使它們接近到核力能發(fā)生作用的范圍，實驗證實，原子核必須處在幾百萬攝氏度下才有這樣的能量，這樣高的溫度通常利用原子彈爆炸獲得，故B、C正確；在太陽內(nèi)部或其他恒星內(nèi)部都存在著熱核反應(yīng)，D錯誤。 答案：D 6．鈾核裂變時，對于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的重要因素，下列說法中正確的是(　　) A．鈾塊的質(zhì)量是重要因素，與體積無關(guān) B．為了使鈾235裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好直接利用裂變時產(chǎn)生的快中子 C．若鈾235的體積超過它的臨界體積，裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就能夠發(fā)生 D．裂變能否發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與鈾塊的質(zhì)量無關(guān) 解析：要發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)必須使鈾塊體積(或質(zhì)量)大于臨界體積或臨界質(zhì)量，故A、D 錯，C對。鈾235俘獲慢中子發(fā)生裂變的概率大，快中子使鈾235發(fā)生裂變的幾率小，故B錯。 答案：C 7．氫彈和原子彈各是根據(jù)什么原理制造的(　　) A．都是根據(jù)重核裂變原理 B．都是根據(jù)輕核聚變原理 C．原子彈是根據(jù)輕核聚變原理，氫彈是根據(jù)重核裂變原理 D．原子彈是根據(jù)重核裂變原理，氫彈是根據(jù)輕核聚變原理 解析：氫彈是根據(jù)輕核聚變，原子彈是根據(jù)重核裂變，故選項D對。 答案：D 8．使兩個氘核發(fā)生聚變，必須使它們之間的距離接近到r0，也就是接近到核力能夠發(fā)生作用的范圍，溫度很高時，由氘原子構(gòu)成的物質(zhì)將成為等離子體，已知等離子體熱運(yùn)動的平均動能為Ek＝k1T，式中k1為波爾茲曼常量，T為熱力學(xué)溫度，兩個氘核之間的電勢能為Ep＝k，k為靜電力常量，r為核之間的距離，則使氘核發(fā)生聚變的溫度至少應(yīng)為(　　) A.　　　　　　　 B. C. D. 解析：由能量守恒定律可得Ek＝E p，即k1T＝k，解得T＝，選項B對。 答案：B 9．一個質(zhì)子和兩個中子聚變?yōu)橐粋€氚核，已知質(zhì)子質(zhì)量mH＝1.007 3 u，中子質(zhì)量mn＝1.008 7 u，氚核質(zhì)量m＝3．018 0 u (1)寫出聚變方程； (2)釋放出的核能多大？ (3)平均每個核子釋放的能量是多大？ 解析：(1)聚變方程H＋2n→H (2)質(zhì)量虧損 Δm＝mH＋2mn－m ＝(1.007 3＋21.008 7－3.018 0) u ＝0.006 7 u 釋放的核能 ΔE＝Δmc2＝0.006 7931.5 MeV≈6.24 MeV。 (3)平均每個核子放出的能量為 MeV＝2.08 MeV。 答案：(1)H＋2n→H　(2)6.24 MeV (3)2.08 MeV 10．現(xiàn)有的核電站比較廣泛采用的核反應(yīng)之一是： U＋n―→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ (1)核反應(yīng)方程中的是反中微子，它不帶電，質(zhì)量數(shù)為零．試確定生成物鋯(Zr)的電荷數(shù)Z與質(zhì)量數(shù)A； (2)已知鈾核的質(zhì)量為235.0439 u，中子質(zhì)量為1.0087 u，釹(Nd)核的質(zhì)量為142.9098 u，鋯核的質(zhì)量為 89．9047 u；又知1 u＝931.5 MeV，試計算1 kg鈾235大約能產(chǎn)生的能量是多少。 解析：(1)鋯的電荷數(shù)Z＝92－60＋8＝40， 質(zhì)量數(shù)A＝236－146＝90， 核反應(yīng)方程中應(yīng)用符號Zr表示。 (2)1 kg鈾235的鈾核數(shù)為 n＝6.021023個。 不考慮核反應(yīng)中生成的電子質(zhì)量，1個鈾核反應(yīng)發(fā)生的質(zhì)量虧損為 Δm＝235.0439 u－142.9098 u－89.9047 u－21.0087 u≈0.212 u， 1 kg鈾235完全裂變產(chǎn)生的能量約為 E＝nΔmc2＝6.0210230.212931.51061.610－19 J≈8.091013 J。 答案：(1)40　90　(2)8.091013 J