4.3核聚变-4.4核能的利用与环境保护 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-5）

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1、第第 3 节节 核聚变核聚变 第第 4 节节 核能的利用与环境保护核能的利用与环境保护 目标定位 1.了解聚变反应的特点及其条件.2.了解可控热核反应及其研究和发展.3.了解核 电站的构造和基本原理，了解核武器的种类.4.了解核能利用的优势、危害及其防护措施 一、轻核聚变 1定义 采用轻核聚合成较重核引起结合能变化的方式获得核能的核反应，称为轻核聚变 2核反应举例 2 1H 3 1H 4 2He 1 0n. 3能量变化 轻核聚变后，平均结合能增加，反应中会释放能量 二、可控热核聚变反应 1热核聚变反应的条件 必须使原子核的距离达到 10 15 m 以下，使核具有足够的动能，轻核才能够发生聚变

2、2约束聚变材料的方法 引力约束、磁约束、惯性约束 三、核能的利用与环境保护 1核电站是将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂，它的核心设施是核反应堆 2核武器 原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器 (1)原子弹：是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置 (2)氢弹：是一种靠惯性约束、不需人工控制而实现聚变的反应装置 3核能的优势与危害 (1)优势：核能发电比燃煤发电的成本低；核电站对环境污染比燃煤发电小得多 (2)危害：核废料具有高放射性 一、核聚变及核能的计算 1聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近到核力发生作用的距离 10 15 m 内， 这要克服电荷间强大的斥力作用， 要求使轻

3、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 2轻核聚变是放能反应：从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变 反应是放能反应 3聚变方程： 2 1H 3 1H 4 2He 1 0n. 4重核裂变与轻核聚变的区别 反应方式 比较项目 重核裂变 轻核聚变 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容易得多 【例 1】 以下说法正确的是( ) A聚变是裂变

4、的逆反应 B如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量 C聚变须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量 D裂变与聚变均可释放巨大的能量 答案 D 解析 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 裂变是重核分裂成中等质量核， 而聚变则是轻核聚合成为较重核， 无直接关联， 并非互为逆反应，A 项错；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， B 项错；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 应还是释放能量，故 C

5、 项错，D 项对 【例 2】 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 mT3.018 0 u求： (1)写出聚变方程 (2)释放出的核能是多大？ (3)平均每个核子释放的能量是多大？ 答案 见解析 解析 (1)聚变方程11H210n 31H. (2)质量亏损 mmH2mnmT(1.007 321.008 73.018 0) u0.006 7 u， 释放的核能 E0.006 7931.5 MeV6.24 MeV. (3)平均每个核子放出的能量为6.24 3 MeV2.08 MeV. 借题发挥 轻核聚变释放核能的计算方法

6、(1)根据质量亏损计算 根据爱因斯坦质能方程， 用核子结合成原子核时质量亏损(m)的千克数乘以真空中的光速(c 3108 m/s)的平方，即 Emc2. (2)根据 1 原子质量单位(u)相当于 931.5 MeV 能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子 质量单位数乘以 931.5 MeV，即 Em 的数值931.5 MeV 注意：式中 m 的单位为 kg，E 的单位是 J；式中 m 的单位是 u，E 的单位是 MeV. 针对训练 1 氘核(21H)和氚核(31H)结合成氦核(42He)的核反应方程：21H31H 42He10n17.6 MeV (1)这个核反应称为_ (2)要发生这样的核反

7、应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文式中 17.6 MeV 是核 反应中_(选填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物 质的总质量_(选填“增加”或“减少”)了_kg(保留一位有效数字) 答案 (1)聚变 (2)放出 减少 310 29 解析 在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由 Emc2，可以求得 mE c2 310 29 kg. 二、核反应类型的判断 【例 3】 下列说法不正确的是( ) A.21H31H 42He10n 是聚变 B.235 92U 1 0n 140 54Xe 94 38Sr2 1 0n 是裂变 C.226 88Ra 222 86Rn

8、4 2He 是 衰变 D.24 11Na 24 12Mg 0 1e 是裂变 答案 D 解析 A 选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核，是聚变反应，故 A 选项 正确； B 选项的核反应是铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核， 并放出几个中子， 是裂变反应，故 B 选项正确；在 C 选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了 粒子， 是 衰变，C 选项是正确的；而 D 选项应是 衰变，不正确故答案为 D. 借题发挥 主要核反应类型有： (1)衰变：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出 或 粒子 (2)人工转变：人工转变常用 粒子(也可用质子、中子等)轰击原子核，该核捕获 粒子

9、后产 生新原子核，并放出一个或几个粒子 (3)核裂变：核裂变时铀核捕获中子裂变为两个(或多个)中等质量的核，并放出几个中子 (4)核聚变：轻核聚合成中等质量的核反应 针对训练 2 (多选)下列说法正确的是( ) A.15 7N 1 1H 12 6C 4 2He 是 衰变方程 B.11H21H 32He 是核聚变反应方程 C.238 92U 234 90Th 4 2He 是核裂变反应方程 D.42He27 13Al 30 15P 1 0n 是原子核的人工转变方程 答案 BD 解析 选项 A、D 为原子核的人工转变，选项 B 为轻核聚变，选项 C 为原子核的 衰变， 故选项 B、D 正确. 对核聚

10、变的理解及其核反应方程 1科学家发现在月球上含有丰富的32He(氦 3)，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料， 其参与的一种核聚变反应的方程式为32He32He 211H42He，关于32He 聚变下列表述正确的 是( ) A聚变反应不会释放能量 B聚变反应产生了新的原子核 C聚变反应没有质量亏损 D目前核电站都采用32He 聚变反应发电 答案 B 解析 核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，这是人 类利用核能的途径之一目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电 2某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为 1 1H 12 6C

11、13 7NQ1， 1 1H 15 7N 12 6CXQ2 方程中 Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表： 原子核 1 1H 3 2He 4 2He 12 6C 13 7N 15 7N 质量/u 1.007 8 3.016 0 4.002 6 12.000 0 13.005 7 15.000 1 以下推断正确的是( ) AX 是32He，Q2Q1 BX 是42He，Q2Q1 CX 是32He，Q2Q1 DX 是42He，Q2Q1 答案 B 解析 根据核反应中质量数与电荷数守恒容易求得新核 X 的质量数为 4、电荷数为 2，即 X 是42He；根据表中提供的数据，可以求得第 2 个核反

12、应的质量亏损大，根据爱因斯坦质能方 程必然有 Q1Q2. 核反应类型的判断 3 现有三个核反应： 24 11Na 24 12Mg 0 1e 235 92U 1 0n 141 56Ba 92 36Kr3 1 0n 2 1H 3 1H 4 2 He10n.下列说法正确的是( ) A是裂变，是 衰变，是聚变 B是聚变，是裂变，是 衰变 C是 衰变，是裂变，是聚变 D是 衰变，是聚变，是裂变 答案 C 解析 原子核自发地放出某种粒子成为新的原子核，叫做衰变，为 衰变原子序数较大 的重核分解成原子序数较小的原子核，叫做重核裂变，为裂变原子序数较小的原子核聚 合成原子序数较大的原子核，叫做轻核聚变，为聚变

13、故正确答案为 C. 计算核聚变释放的能量 4一个氘核(21H)和一个氚核(31H)结合成一个氦核(42He)，同时放出一个中子，已知氘核质量 为 m12.014 1 u，氚核质量为 m23.016 0 u，氦核质量为 m34.002 6 u，中子质量为 m4 1.008 7 u，求： (1)写出聚变的核反应方程； (2)此反应过程中释放的能量为多少？平均每个核子释放出多少核能？ 答案 (1)21H31H 42He10n (2)17.5 MeV 3.5 MeV 解析 (1)核反应方程为21H31H 42He10n. (2)此反应过程的质量亏损为 m2.014 1 u3.016 0 u4.002 6 u1.008 7 u0.018 8 u， E0.018 8931.5 MeV17.5 MeV. 平均每个核子释放的核能为17.5 5 MeV3.5 MeV.