(共29张PPT)
5．3 聚变与受控热核反应
5．4 核能利用与社会发展
核心要点突破
课堂互动讲练
课前自主学案
知能优化训练
5．3
5．4
课标定位
课标定位
学习目标：1.知道聚变和聚变反应的特点．
2．能写出聚变方程并会计算聚变能量．
3．了解受控热核反应．
4．了解核能的优越性、安全性、废料处理及核能的合理利用．
重点难点：发生聚变的条件及聚变的特点；热核反应是怎样发生的．
课前自主学案
一、聚变与受控热核反应
1．更大的能源宝库
使平均结合能小的轻核聚合成一个较重的原子核，同时会释放核能．把这种释放核能的反应称为____．
一个氘核和一个氚核发生聚变核反应，会释放__________的能量，平均每个核子释放的能量在3MeV以上．海水中含有大量的这种轻核资源．
聚变
17.6 MeV
2．聚变的条件
由于这种核反应需在几千万度的高温下进行，因此，聚变又叫________．太阳及许多恒星内部都在不断地进行着这种热核反应．
3．受控热核反应
科学家设想的受控热核反应的两种方案：即______和惯性约束．当前受人青睐的受控热核反应利用的是磁约束，它是一个利用强磁场约束等离子体的环流器．
热核反应
磁约束
二、核能利用与社会发展
1．核能的优越性
(1)核燃料提供的能量巨大：1 kg铀全部裂变释放的能量相当于2700 t______完全燃烧放出的能量．
(2)核燃料的储量丰富：1 L海水中含有大约0.03 g氘，它发生热核反应放出的能量相当于300 L____完全燃烧．
标准煤
汽油
(3)核燃料的运输和储存方便．
(4)清洁卫生，对环境的污染小：不会排放二氧化碳、氮氧化物等．
2．核安全性与核废料处理
(1)核电站的安全性能
第一道屏障：二氧化铀陶瓷燃料芯块，可以把____以上的裂变产物滞留在芯块内，不向外释放．
98%
第二道屏障：性能良好的锆合金包壳把燃料芯块密封在其中，保证______良好．
第三道屏障：由反应堆压力容器和冷却回路构成的压力边界，保证____的完整性．
第四道屏障：由安全壳把整个反应堆压力边界内的设备包括在内，能承受事故发生时的压力并保证良好的密封性．
密封性
结构
(2)核废料的处理
能回收利用的进行回收再利用，不能回收的高放射性物质固化后____处理．
3．科学家的使命
科学家的责任感，________曾参与建议美国政府制造原子弹，为此他在后半生常常责备自己．
4．为和平而努力
近年来，联合国等国际组织先后通过了一系列条约和协定，限制各国制造和使用核武器．
埋藏
爱因斯坦
思考感悟
在地球上实现受控热核反应的必要性、可能性和困难是什么？
提示：随着社会的发展，人类对能源的消耗、依赖越来越大．地球上的能源是有限的，而受控核聚变具有效率高．
核心要点突破
3．聚变发生的条件
要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，但是原子核是带正电的，要使它们接近10－15m就必须克服电荷间很大的斥力作用，这就要求使核具有足够的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给核加热，使物质达到几千万度的高温．综上所述，核聚变只有在超高温条件下才能发生．
二、聚变与裂变的区别
重核的裂变、轻核的聚变都能释放出巨大的核能，但两者是有区别的．
1．原理不同．
2．放出的能量大小不同．
3．废料处理难度不同．
4．“燃料”的丰富程度不同．
5．两种反应的可控性不同．
特别提醒：可控热核反应：目前正处于探索、实验阶段．
即时应用(即时突破，小试牛刀)
以下说法正确的是( )
A．聚变是裂变的逆反应
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千万度以上的高温，显然是吸收能量
D．裂变与聚变均可释放巨大能量
解析：选D.A项，从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物与生成物完全不同．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，无直接关联，并非互为逆反应．B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．C项，诚然要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百千度高温提供能量．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D正确．
课堂互动讲练
聚变的规律
下列关于聚变的说法中，正确的是
( )
例1
A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功
B．轻核聚变需要几千万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应
C．原子弹爆炸能产生几千万摄氏度的高温，所以氢弹利用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
【精讲精析】 轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15 m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几千万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D正确．
【答案】 ABCD
太阳现正处于主序星演化阶段，它主要是由电子和质子、氦核等原子核组成．维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应为两个电子与四个质子聚变为氦．已知太阳的质量为2×1030 kg，太阳向周围空间辐射能量的总功率为3.8×1026 W.
轻核聚变中能量的计算
例2
【思路点拨】 解答本题时应把握以下三点：
(1)写核反应方程时注意元素符号和两个守恒．
(2)根据质能方程ΔE＝Δmc2，求释放的核能．
(3)根据质能方程ΔE＝Δmc2和ΔE＝Pt求亏损的质量．
【规律总结】 轻核聚变跟重核裂变一样，都是释放核能的核反应．计算核能的方法是，先计算质量亏损，然后由爱因斯坦质能方程计算核能．
变式训练 4个氢核聚变成一个氦核，同时放出两个正电子，释放出2.8×106 eV的能量，写出核反应方程，并计算
1 g氢核完成这个反应后释放出多少焦耳的能量．
答案：见解析
知能优化训练
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5．2 裂变及其应用
核心要点突破
课堂互动讲练
课前自主学案
知能优化训练
5．2
课标定位
课标定位
学习目标：1.知道重核裂变能放出能量，并能计算核能的变化．
2．了解铀核的裂变特点，知道链式反应．
3．了解裂变反应堆的结构、类型及核电站的工作原理．
重点难点：链式反应及其释放核能的计算．
课前自主学案
裂变
二、链式反应及其条件
铀核裂变时释放出的几个中子又轰击其他铀核产生裂变，释放出的中子又轰击重原子核……，这样的反应一代接一代的进行下去的过程，叫做裂变的____反应．通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做____体积，相应的质量叫做____质量．
链式
临界
临界
三、裂变反应堆
1．裂变反应堆的基本构造：________(核燃料)，______(减速剂)，______，______，________，防护层．
2．裂变反应堆的常见类型：______，高温气冷堆，快中子增殖反应堆．
裂变材料
慢化剂
控制棒
反射层
热交换器
重水堆
3．核电站的工作模式：核电站主要由裂变反应堆，第一回路系统，第二回路系统及其他辅助系统组成．如图5－2－1.
图5－2－1
思考感悟
为什么发生链式反应的铀块必须具有一定的体积？
提示：235U被中子碰撞后发生裂变，裂变时又生成2～3个中子，若铀块的体积不够大，生成的中子从铀块中通过时可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了，所以发生链式反应时铀块的体积必须大于临界体积．
核心要点突破
一、铀核的裂变和链式反应
1．发现：1938年12月，德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变，向核能的利用迈出了第一步．
2．裂变的解释
(1)核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状．
(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能．
(3)能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一般说来，平均每个核子放出的能量约为
1 MeV，裂变时能产生几万度的高温．
3．重核裂变的条件
(1)重核的裂变只能发生在人为的核反应中，自然界中不会自发地产生裂变，而是发生衰变．
(2)要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使其分裂，并放出更多的中子，这些中子再去轰击更多的铀核，产生更多的中子，就形成了链式反应．
(3)链式反应速度很快，如不加以控制，能量在瞬间急剧释放引起剧烈爆炸(如原子弹)．如果运用一定方法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)．
即时应用(即时突破，小试牛刀)
1．关于铀核裂变，下述说法正确的是( )
A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核
B．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子
C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好使用纯铀235
D．铀块的体积对产生链式反应无影响
解析：选BC.铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块并释放出几个中子，铀235受到中子的轰击时裂变的概率大，且可以俘获各种能量的中子而引起裂变；而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子时才能引起裂变，且裂变的概率小．引起链式反应，必须使铀块体积超过临界体积．故B、C选项正确．
二、核电站及其组成部分的功能
核电站的核心是核反应堆，核反应堆的主要组成部分及其作用：
1．核燃料：反应堆使用浓缩铀(铀235占3%～4%)，制成铀棒作为核燃料，释放核能．
2．中子慢化剂：铀235具有易俘获慢中子、不易俘获快中子的特点，而核反应中释放的中子多数为快中子，应使用慢化剂使它们的速度降下来，常用作慢化剂的物质有石墨、重水或普通水．
3．控制棒：由吸收中子能力很强的镉制成，用以控制反应速度．
4．保护层：反应堆外层是很厚的水泥壁，可防止射线辐射出去．
5.热交换器：靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去．
6．核电站的优点：(1)消耗的“燃料”很少；(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大；(3)对环境的污染比火电站要小．
即时应用(即时突破，小试牛刀)
2．原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成( )
A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统
B．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统
C．原子燃料、减速剂、碰撞系统和传热系统
D．原子燃料、中子源、原子能存聚系统和输送系统
解析：选A.通过学习，我们知道核反应堆的构成分四部分：原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统．
课堂互动讲练
重核裂变的规律
关于重核的裂变，下列说法正确的是
( )
例1
A．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
C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小
D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
【思路点拨】 由链式反应发生有条件及释放能量与质量亏损关系进行判定．
【精讲精析】 发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，但其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积，如果体积太小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生，故A、B均错．
在裂变反应中核子数是不会减小的，铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减小的，因此选项C错．重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，要发生质量亏损，从而释放出核能，故选项D正确．
【答案】 D
在所有能源中核能具有能量密度大，区域适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．
裂变中释放能量的计算
例2
【思路点拨】 根据裂变反应遵循电荷数和质量数守恒可确定X和a，再由ΔE＝Δmc2求裂变释放的核能，注意这个结果只是一个铀核裂变时释放的．
由爱因斯坦的质能方程可得释放的核能为
ΔE＝Δmc2＝0.3578×10－27×(3×108)2J
＝3.2202×10－11J.
知能优化训练
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5．1 核能来自何方
核心要点突破
课堂互动讲练
课前自主学案
知能优化训练
5．1
课标定位
课标定位
学习目标：1.知道核力是只存在于相邻核子间的短程力．
2．掌握结合能的概念．
3．理解爱因斯坦的质能方程．
重点难点：原子核的结合能及质能方程．
课前自主学案
一、强大的核力
组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起，这种力称为____．核力是一种强相互作用力，在它的作用范围内比_______大的多；核力是种_______，作用范围仅局限于1.5×10－15 m，在大于0.8×10－15 m时表现为引力，超过1.5×10－15 m，核力急剧下降为零；而距离小于0.8×10－15 m时，核力为斥力．
核力
库仑力
短程力
二、什么叫结合能
核子结合成原子核时放出的能量或原子核分解成核子时吸收的能量称为原子核的_______．
核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量叫做___________ (或是结合能与核子数的比值，又叫比结合能)．平均结合能越大的原子核越稳定．
结合能
平均结合能
三、如何计算结合能
组成原子核的核子的总质量与原子核的质量之差叫做核的________．或理解为核反应前与反应后的总质量之差．质量亏损与能量间的关系遵守爱因斯坦质能方程：E＝mc2，核能的计算公式为：________，其中Δm是质量亏损．
质量亏损
ΔE＝Δmc2
如果核反应后质量增加Δm，就意味着____ΔE的能量，如果反应后质量减少Δm，就意味着____ΔE的能量
吸收
放出
思考感悟
为什么不用核力做功的多少计算结合能？
提示：尽管人们认识到相邻核子间存在核力．但核力存在的规律还不能像库仑力那样准确的表示．所以无法计算核力的功，也就无法用核力做功的多少计算结合能了．
核心要点突破
一、对核力的认识
1．核力的概念
组成原子核的核子间的很强的相互作用力，在它的作用范围内，核力比库仑力大得多．
2．核力的特点
(1)核力是短程力，作用范围在2.0×10－15m之内．核力在大于0.5×10－15m时表现为吸引力，且随距离增大而减小，超过2.0×10－15m，核力急剧下降几乎消失；而在距离小于0.5×10－15m，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起．
(2)每个核子只跟它相邻的核子间才有核力作用．
(3)核力与核子是否带电无关，质子与质子间、质子与中子间、中子与中子间都存在核力作用．
(4)从力的分类看，核力是性质力，不是效果力．
特别提醒：因为核力是短程的强相互作用力，使原子核拆散为核子时很困难；核子结合为原子核时也是困难的，并伴随着巨大的核能．
即时应用(即时突破，小试牛刀)
1．关于核力的说法正确的是( )
A．核力同万有引力没有区别，都是物体间的作用
B．核力就是电磁力
C．核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内
D．核力与电荷有关
解析：选C.核力是短程力，超过1.5×10－15m，核力急剧下降，几乎消失，故C对；核力与万有引力、电磁力不同，故A、B不对；核力与电荷无关，故D错．
二、结合能
1．对结合能的理解
原子核的核子间存在强大的核力，使得原子核成为一个坚固的集合体，要把原子核中的核子拆散，就得克服核力而做巨大的功；反之，要把核子集合成一个原子核，则能放出巨大的能量．结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为了把核子分开而需要的能量．结合能越大，把核子分开而需要的能量就越多，原子核越稳定．
2．核能的计算
根据爱因斯坦的质能方程，核反应中释放的核能的计算式为ΔE＝Δmc2，其中Δm为质量亏损，c为光速，ΔE是与亏损质量相对应的能量．
特别提醒：核能计算时可用两种单位表示
(1)用ΔE＝Δmc2计算，计算时Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”．
(2)用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算，因1 u相当于931.5 MeV的能量，所以计算时Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”．
即时应用(即时突破，小试牛刀)
2．关于质能方程，下列哪些说法是正确的( )
A．质量减少，能量就会增加，在一定条件下质量转化为能量
B．物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加一定值
C．物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系
D．某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的
解析：选BD.质能方程E＝mc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的，当物体获得一定的能量，即能量增加某一定值时，它的质量也相应增加一定值，并可根据ΔE＝Δmc2进行计算，所以B、D正确．
课堂互动讲练
对核力与结合能的认识
下列说法正确的是( )
例1
A．核力广泛存在于自然界中的核子之间
B．核力只发生在相距1.5×10－15m的核子之间，大于0.8×10－15m为吸引力，而小于0.8×10－15m为斥力
C．核子结合成原子核时，需吸收能量
D．使一个氘核分解成一个中子和一个质子时，吸收的能量是一个恒定值
【精讲精析】 由核力的特点知道，只有相距1.5×10－15m的核子之间存在核力，核力发生在质子与质子、质子与中子之间，由此知A错B对，核子结合成原子核时放出能量，C错．由质能方程知D对．
【答案】 BD
下列说法中，正确的是( )
对爱因斯坦质能方程的理解
例2
A．爱因斯坦质能方程反映了物体质量就是能量，它们之间可以互相转化
B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所蕴含能量的量度
C．核反应中出现的“质量亏损”是消失的质量转化为能量
D．因在核反应中产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒
【思路点拨】 爱因斯坦质能方程是质能相当关系，不是质量与能量的转化关系．
【精讲精析】 E＝mc2说明能量与质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，并不是说明了能量与质量之间存在相互转化的关系，故A项错误，而B项正确．核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是从静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变为能量，故C项错误．在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，在核反应前后只是物质由静质量变为动质量，故D错误．
【答案】 B
核能的计算
例3
【思路点拨】 首先比较反应前后的总质量判断是吸能反应还是放能反应，然后再根据质能方程求能量．
【自主解答】 反应前总质量mN＋mHe＝18.01122 u
反应后总质量mO＋mH＝18.01269 u
因为反应中质量增加，所以此反应是吸能反应，所吸能量为ΔE＝Δmc2
＝[(mO＋mH)－(mN＋mHe)]c2
＝(18.01269－18.01122)×931.5 MeV
＝1.37 MeV.
【答案】 吸能 1.37 MeV
【方法总结】核反应中是释放能量还是吸收能量取决于质量亏损是减小还是增加．
解析：先计算质量亏损：
Δm＝11.6505×10－27 kg＋1.6736×10－27 kg－2×6.6466×10－27 kg＝3.09×10－29kg.
由质能方程：ΔE＝Δmc2＝3.09×10－29×(3×108)2 J＝2.78×10－12 J.
知能优化训练
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