4.5 裂变和聚变 学案（2020年粤教版高中物理选修3-5）

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1、第五节裂变和聚变学科素养与目标要求物理观念：1.知道什么是裂变，知道链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义及发生的条件.科学思维：1.会书写核裂变、核聚变的核反应方程.2.会计算裂变、聚变所产生的核能.一、核裂变与链式反应1.核裂变比较重的一个核分裂为两个较轻的核并释放出能量的反应.2.链式反应一个核的裂变能够引发一个或一个以上的核发生裂变，让核裂变的过程自己持续下去，源源不断地将核能释放出来的反应.3.一种典型的裂变反应方程UnKrBa3n4.临界体积能够发生链式反应的铀块的最小体积.二、受控热核反应1.核聚变比较轻的两个核结合成一个较重的核，并释放出能量的反应叫核聚变.2.能量变化核聚变

2、后，平均结合能增加，反应中会释放能量.3.核反应举例HHHen17.6 MeV.4.核反应条件必须使它们的距离接近到1015 m，使核具有足够的动能，轻核才能够发生聚变.5.受控热核反应热核反应能量在人工控制下逐渐地释放出来并加以利用(例如发电)，这称为受控热核反应.6.实现受控热核反应的条件(1)要把热核燃料加热到非常高的温度；(2)使热核反应释放的能量足以补偿形成聚变过程中所损失的能量，这个条件称为“点火”条件.1.判断下列说法的正误.(1)铀核的裂变是一种天然放射现象.()(2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变.()(3)铀核裂变的产物是钡和氪，且固定不变，同时放出三个中子.()(4)

3、核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大.()(5)轻核聚变比裂变更完全、清洁.()2.氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：HHHeX，式中X是某种粒子.已知：H、H、He和粒子X的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u，其中c是真空中的光速.由上述反应方程和数据可知，粒子X是_，该反应释放出的能量为_ MeV(结果保留3位有效数字).答案n(或中子)17.6解析根据质量数和电荷数守恒可得X是n(中子).核反应中的质量亏损为m2.014 1 u3.016 1 u4.002 6 u1.008

4、 7 u0.018 9 u所以该反应释放出的能量为Emc217.6 MeV.一、核裂变与其释放的核能的计算1.常见的裂变方程(1)UnXeSr2n(2)UnBaKr3n2.链式反应发生的条件(1)铀块的体积大于或等于临界体积.(2)有足够浓度的铀235.(3)有足够数量的慢中子.3.铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应.例1(2018临川一中期末)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，这种现象称为核裂变，其反应方程为UnBaKr3X.下列说法正确的是()A.核反应方程中X为质子B.核反应方程中X为电子C.由核反应方程可得钡核的平均结

5、合能比铀核的平均结合能大D.此核反应能自动延续下去，故铀块的体积对于维持核反应是无关紧要的答案C解析根据核反应中质量数守恒和电荷数守恒，可得核反应方程中X为中子n，A、B错误；根据原子核的平均结合能曲线可知，钡核的平均结合能比铀核的平均结合能大，C正确；如果铀块的体积小于临界体积，此核反应不能自动延续下去，所以铀块的体积对于维持核反应是很重要的，D错误.例2铀核裂变的许多可能的核反应中的一个是UnBaKr3n.(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量(U、Ba、Kr、n的质量数分别为235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u,1 u相当于93

6、1.5 MeV的能量)；(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于完全燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94107 J/kg)答案(1)200.6 MeV(2)5.141026MeV相当于完全燃烧2 797.3 t煤解析(1)裂变反应的质量亏损为m(235.043 91.008 7140.913 991.897 331.008 7) u0.215 3 u.一个铀235原子核裂变后释放的能量为Emc20.215 3931.5 MeV200.6 MeV.(2)1 kg铀235中含原子核的个数约为N6.0210232.561024个，1 kg铀235原子核发生裂变时释放的

7、总能量ENNE2.561024200.6 MeV5.141026 MeV.设煤的热值为q，煤的质量为m，有ENqm，所以m kg2 797.3 t二、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，使物质达到几百万度以上的高温.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，因此聚变反应是一个放能反应.3.聚变方程HHHen.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

8、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3(2018成都外国语学校高二期末)氘核、氚核、中子、氦核的质量分别是m1、m2、m3、m4，氘核与氚核结合成一个氦核并释放一个中子：HHHen.对于这个反应，以下说法正确的是()A.氘核和氚核的平均结合能比氦核大，所以该反应会释放核能B.氘核和氚核的核子的平均质量比氦核大，所以该反应会吸收一定的能量C.该反应是轻核的聚变，对应的质量亏损是mm1m2(m3m4)D.该反应是轻核的聚变，反应中释放的核能为(m3m4m1m2)c

9、2答案C解析氘核和氚核的平均结合能小于氦核的平均结合能，氘核和氚核的核子平均质量比氦核大，该反应会放出一定的能量，故A、B错误；该反应是轻核的聚变，对应的质量亏损是mm1m2(m3m4)，释放的核能为Emc2(m1m2m3m4)c2，故C正确，D错误.针对训练大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电.氘核聚变反应方程是：HHHen.已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u,1 u931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为()A.3.7 MeV B.3.3 MeVC.2.7 MeV D.0.93 MeV答案B解析根

10、据质能方程，氘核聚变释放的核能Emc2，质量亏损m2mHmHemn0.003 5 u，则E0.003 5931 MeV3.3 MeV，故B正确，A、C、D错误.1.(核裂变及链式反应)(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中的一种裂变反应为UnBaKr3n，下列说法正确的有()A.上述裂变反应中伴随着中子放出B.铀块体积对链式反应的发生无影响C.铀核的链式反应可人工控制D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响答案AC解析从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，A对；铀块体积对链式反应的发生有影响，B错；铀核的链式反应可人工控制，C对；铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，D错.2.(对

11、核聚变的理解)科学家发现在月球上含有丰富的He(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2He2HHe，关于He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He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，B正确，A、C错误；目前核电站大多采用重核裂变的方法来发电，D错误.3.(核反应方程的理解)(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一.下列释放核能的反应方程中，表述正确的是()A.HHHen是核聚变反应B.HHHe

12、n是衰变C.UnBaKr3n是核裂变反应D.UnXeSr2n是衰变答案AC解析两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应，故A对，B错.重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应，故C对.原子核放出或粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变，原子核的衰变的反应物只有一种，故D错.4.(核聚变释放核能的计算)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.(已知质子质量为mH1.007 3 u，氦核质量为mHe4.001 5 u，正电子质量为me0.000 55 u，1 u931.5 M

13、eV/c2，结果保留三位有效数字)(1)写出这个核反应方程.(2)求这一核反应能释放的能量.(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？答案(1)4HHe2e(2)24.8 MeV (3)4.22109 kg解析(1)由题意可得核反应方程应为4HHe2e.(2)反应前的质量m14mH41.007 3 u4.029 2 u，反应后的质量m2mHe2me4.001 5 u20.000 55 u4.002 6 u，质量亏损mm1m20.026 6 u，由质能方程得，释放的能量Emc20.026 6931.5 MeV24.8 MeV.(3)由质能方程Emc2得太阳每秒减少的质量m kg4.22109 kg.