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第6节 核聚变
第7节 粒子物理学简介(选学)
核心要点突破
课堂互动讲练
知能优化训练
第 7节
课前自主学案
课标定位
1.知道什么是核聚变，理解热核反应及其条件．
2．了解可控核聚变反应研究的进展情况．
3．了解恒星演化中的核反应情况．
课标定位
课前自主学案
较重原子核
高温
3．特点
(1)在消耗相同质量的核燃料时，核聚变反应比核裂变反应_________________．
(2)核聚变反应时_______放射性废料产生．
(3)核聚变反应所用的燃料氘，在地球上的储量_____________．
(4)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠________________就可以使反应进行下去．
能释放更多的能量
非常丰富
没有
自身产生的能量
思考感悟
(1)核聚变为什么需要在超高温条件下才能发生？
(2)氢弹与原子弹相比谁的威力更大？
提示：(1)使轻核发生聚变反应，必须使它们接近到10－15 m．由于原子核带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服电荷之间的很大的斥力作用，这就要使核具有很大的动能才行．当物质达到几百万度以上的高温时，原子核核外电子已经完全脱离，成为等离子体，这时小部分原子核就有足够的动能克服相互间的库仑斥力，
在相互碰撞中接近到可发生聚变反应的距离而发生核反应．
(2)氢弹是利用原子弹爆炸产生的超高温而引起轻核的聚变，从而释放出更为巨大的能量，因此氢弹的威力更大．
二、可控核聚变反应研究的进展
1．聚变反应堆：___________情况下释放能量的装置．
2．环流器：又叫___________，是一种环形磁约束受控热核反应装置．
三、恒星演化中的核反应
1．太阳约在50亿年前开始了核聚变，点燃了自己并成为一颗能__________、___________的恒星．
2．太阳在约50亿年后进入老年期，并逐渐成为一颗红巨星，最终变成一个与地球差不多大小的太阳残骸．
受控聚变
托卡马克
自我维持
长期稳定
核心要点突破
2．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10－15 m，但是原子核是带正电的，要使它们接近10－15 m就必须克服很大的库仑斥力作用，这就要求原子核应具有足够的动能，方法是给原子核加热，使其达到几百万度的高温．
3．氢弹
氢弹是一种利用轻核聚变反应，在瞬间放出巨大能量的装置．由于轻核聚变需要几百万度的高温才能进行，所以先利用原子弹爆炸达到这样高的温度，在高温高压下，进而使核燃料发生核反应，原子弹爆炸时产生的高温，可以使其中的轻核发生如下核反应
4．重核裂变和轻核聚变的对比
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3～4倍
核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
原料的蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富.1 L海水中大约有0.03 g 氘，如果用来进行热核反应放出的能量约和燃烧300 L汽油相当
可控性 速度比较容易进行人工控制，现在的核电站还都是用裂变反应释放核能 目前，除氢弹以外，人们还不能控制它
特别提醒：(1)发生聚变反应的主线：轻核距离近——需要克服库仑斥力——需要足够的动能——需要给核加热．
(2)聚变反应比裂变反应中每个核子平均释放能量大．
(3)目前正在研究可控热核反应，但还未达到可应用阶段．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
1．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是( )
A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大
C．聚变反应中粒子的比结合能变小
D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加
解析：选B.在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，故C、D错误．
二、核反应与核能释放分析
1．可以从核子的比结合能上看，如图3－6－1.
图3－6－1
从图中可以看出，铁的比结合能最大，也就是核子结合成铁或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大．因此两个比铁轻的原子核结合时，或比铁重的重核分裂时，都要放出能量．
2．根据核子的平均质量图分析，如图3－6－2，由图中可以看出，铁原子核子的平均质量最小，如果原子序数较大的A裂变成B和C，或者原子序数较小的D和E结合成F核，都会有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程，都要放出能量．
图3－6－2
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
2．太阳每秒辐射出来的能量约为3.8×1026 J，这些能量是( )
①重核的裂变反应中产生的
②轻核的聚变反应中产生的
③原子核的衰变反应中产生的
④热核反应中产生的
A．①② B．②③
C．③④ D．②④
解析：选D.由于太阳的主要成分是氢，它释放出的巨大能量来源于氢核的聚变反应．这一反应又叫热核反应，故D正确．
课堂互动讲练
聚变反应中的产物和能量
下面是一核反应方程 H＋H―→He＋X.用c表示光速，则( )
A．X是质子，核反应放出的能量等于质子质量乘c2
B．X是中子，核反应放出的能量等于中子质量乘c2
例1
C．X是质子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与质子的质量和，再乘c2
D．X是中子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与中子的质量和，再乘c2
【思路点拨】 由题目可获取以下信息：核反应中已知反应物和主要生成物，解答本题可依据核反应中电荷数和质量数守恒确定X，再由质能方程确定放出的能量．
【答案】 D
聚变反应中核能的计算
一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH＝1.0073 u，中子质量mn＝1.0087 u，氚核质量m＝3.018 u.
(1)写出聚变方程；
(2)释放出的核能有多大？
(3)平均每个核子释放的能量有多大？
例2
【答案】 见自主解答
【方法总结】 从数据上看题中聚变释放的能量并不很大，但如果考虑到轻核的摩尔质量很小，可知聚变出1 kg氚放出的核能远大于核裂变；因此，轻核聚变能释放出比重核裂变更多的能量．
变式训练2 太阳不断地向外辐射能量，太阳内部存在大量氢，在超高温作用下，氢原子被电离，互相碰撞能使4个氢核聚变成一个氦核He，同时放出大量能量．已知质子质量mH＝1.0078 u，α粒子质量mα＝4.0026 u，正电子质量me＝0.00055 u.
(1)写出这个核反应方程式；
(2)核反应中释放的能量为多少兆电子伏；
(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？
答案：见解析
知能优化训练
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第1节 原子核的组成与核力
第2节 放射性 衰变
核心要点突破
课堂互动讲练
知能优化训练
第2节
课前自主学案
课标定位
1.知道什么是天然放射现象．
2．知道三种射线的本质和区分方法．
3．知道原子核的组成，知道什么是同位素．
4．知道核力只存在于相邻核子之间，且核力有别于库仑力．
5．理解半衰期及衰变方程的书写．
课标定位
课前自主学案
一、原子核的组成
1．核子：1919年卢瑟福发现了质子，1932年，查德威克发现了中子，____和_____统称为核子．
2．中子不带电，原子核的电荷数等于质子数，原子核子的质量数A、中子数N、电荷数Z的关系为：__________.
3．同位素：__________相同而_________不同的原子核互称为同位素．
质子
中子
A＝N＋Z
原子序数
中子数
二、核力
1．定义：_____之间的相互作用力．又称强力．
2．核力的特征
(1)在核的线度内，核力比库仑力大得多．
(2)核力是短程力，当两个核子中心相距大于核子本身线度时，核力几乎完全消失．
(3)核力与电荷______，质子与质子、质子与中子以及中子与中子之间的核力是_________．
核子
无关
相等的
三、核反应
1．定义：用一定能量的粒子轰击原子核，改变了核的结构，这样的过程叫做核反应．
2．在核反应中，________和________守恒．
质量数
电荷数
贝克勒尔
居里夫妇
放射
五、衰变
1．放射性衰变：放射性元素自发地蜕变为另一种元素，同时_________的现象．
2．三种射线
(1)α射线：带正电的α粒子流，速度只有光速的10%，穿透能力弱，容易被物质吸收．
(2)β射线：带负电的电子流，速度很快，穿透能力强．
(3)γ射线：波长极短的电磁波，穿透能力极强．
放出射线
半数
思考感悟
(1)γ射线一定是伴随α、β衰变产生的吗？
(2)γ光子与γ射线相同吗？
提示：(1)放射性物质放出γ射线是由α、β衰变形成的新核处于激发态，它通过辐射光子而回到基态，因此γ射线是由于原子核处于激发状态而向低能级跃迁时释放出的能量，也正是如此，有些处于激发态的原子核在发生跃迁时，也会放出γ射线，并且γ射线的频率也不是一个定值，是有一定范围的，因此，γ射线不一定都是由α、β衰变而产生的．
(2)γ光子和γ射线都是由于原子核变化过程中处于激发状态而向低能量状态跃迁时释放出的，前者说明释放出一个个粒子，即γ光子，后者说明释放出的大量光子形成的、能够被显示的射线．由此可知，两者并不相同．
核心要点突破
一、对原子核组成的理解
1．原子核的组成
(1)概述
原子核是由质子、中子构成的，质子带正电，中子不带电．原子核内质子和中子的个数并不一定相同．
(2)基本关系：核电荷数＝质子数(Z)＝元素的原子序数＝核外电子数．
质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数．
2．对核子数、电荷数、质量数的理解
(1)核子数：质子和中子质量差别非常微小，二者统称为核子，所以质子数和中子数之和叫核子数．
(2)电荷数(Z)：原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍，通常这个整数叫做原子核的电荷数．
(3)质量数(A)：原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和，而质子与中子质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个整数叫做原子核的质量数．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
1．据最新报道，放射性同位素钬Ho，可有效治疗癌症，该同位素原子核内中子数与核外电子数之差是( )
A．32 B．67
C．99 D．166
解析：选A.根据原子核的表示方法得核外电子数＝质子数＝67，中子数为166－67＝99，故核内中子数与核外电子数之差为99－67＝32，故A对，B、C、D错．
二、对原子核中质子与中子的比例的认识
1．核子比例关系
自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多．如图3－1－1所示．
稳定核的质子数与中子数的关系
图3－1－1
2．形成原因
(1)这与核力与电磁力的不同特点有关：原子核大到一定程度时，相距较远的质子间的核力非常小，较多的质子集聚在一起的核力不足以平衡它们之间的库仑力，原子核就不稳定了．这时，如果不再成对地增加质子和中子，而只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定．
(2)核力的饱和性：稳定的重原子核里，中子数要比质子数多．由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果我们继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的．所以原子核大小也受到限制．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
2．关于原子核中质子和中子的说法，正确的是( )
A．原子核中质子数和中子数一定相等
B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多
C．原子核都是非常稳定的
D．由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，不可能无节制的增大原子核而仍稳定存在
解析：选D.由稳定核的质子数与中子数的关系图像可知，质量越大的原子核内中子数越多于质子数．A、B错误；放射现象说明原子核也会发生变化，C错误；由核力作用特点可知，核子数越多的原子核越不稳定，D正确．
三、对放射线的认识
1．α、β、γ射线性质、特征比较
种类 α射线 β射线 γ射线
组成 高速氦核流 高速电子流 光子流(高频电磁波)
带电荷量 2e －e 0
质量 4mp
mp＝1.67×10－27 kg 静止质量为零
速度 0.1c 0.99c c
在电场或磁场中 偏转 与α射线反向偏转 不偏转
贯穿本领 最弱用纸能挡住 较强穿透几毫米厚的铝板 最强穿透几厘米厚的铅板
电离作用 很强 较弱 很弱
2.在电场、磁场中偏转情况的比较
(1)在匀强电场中，α射线偏离较小，β射线偏离较大，γ射线不偏离，如图3－1－2.
图3－1－2
(2)在匀强磁场中，α射线偏转半径较大，β射线偏转半径较小，γ射线不偏转，如图3－1－3.
图3－1－3
特别提醒：(1)如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式存在，放射性都不受影响．也就是说，放射性与元素存在的状态无关，放射性仅与原子核有关．因此，原子核不是组成物质的最小微粒，原子核也存在着一定结构．
(2)β射线的电子是从原子核中放出来的，但电子并不是原子核的组成部分．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
3．放射性元素发射出α、β、γ三种射线，以下说法中正确的是( )
A．α射线是由不带电的粒子组成
B．β射线是由带正电的粒子组成
C．γ射线的贯穿本领最强
D．γ射线的电离本领最强
解析：选C.α射线是氦核组成的粒子流，所以选项A错误；β射线是高速电子流，所以选项B错误；γ射线的贯穿本领最强，电离本领最弱，所以选项C正确，D错误．
2．衰变方程的书写特点
(1)核反应过程一般是不可逆的，所以核反应只能用箭头，不能用等号．
(2)核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒而杜撰出不符合实际的生成物来书写核反应方程．
(3)当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
4．由原子核的衰变规律可知( )
A．放射性元素一次衰变可同时产生α射线和β射线
B．放射性元素发生β衰变时，新核的化学性质不变
C．放射性元素发生衰变的快慢不可人为控制
D．放射性元素发生正电子衰变时，新核质量数不变，核电荷数增加1
解析：选C.一次衰变不可能同时产生α射线和β射线，只可能同时产生α射线和γ射线或β射线和γ射线；原子核发生衰变后，新核的核电荷数发生了变化，故新核(新的物质)的化学性质理应发生改变；发生正电子衰变时，新核质量数不变，核电荷数减少1.
五、对核反应的认识
1．条件：用α粒子、质子、中子，甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变．
2．实质：用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞，将原子核打开，而是粒子打入原子核内部使核发生了转变．
特别提醒：天然放射性元素是少数重核元素，而人工放射性元素是通过人工方法制造出的轻核元素，它们的原子核都具有不稳定性，能自发地放出射线．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
5．关于原子核的衰变和核反应，下列说法正确的是( )
A．原子核自发的放出粒子的现象叫衰变
B．衰变的实质是粒子对核撞击后释放出α粒子或β粒子
C．核反应的实质是粒子对核撞击而打出新粒子使核变为新核
D．核反应的实质是粒子打入核内使原子核发生了变化
解析：选AD.由于衰变是指原子核自发地放出粒子而变为新核，并非靠外界因素，故A正确，B错误；核反应实质是指粒子轰击原子核，与核发生反应，而非粒子撞击打出粒子使核发生变化，C错误，D正确．
2．影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关．
3．适用条件：半衰期是一个统计概念，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定何时发生衰变，但可以确定各个时刻发生衰变的概率，即某时衰变的可能性，因此，半衰期只适用于大量的原子核．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
6．关于放射性元素的半衰期( )
A．是放射样本质量减少一半所需的时间
B．是原子核有半数发生衰变所需的时间
C．与外界压强和温度有关，与原子的化学状态无关
D．可以用于测定地质年代、生物年代等
课堂互动讲练
原子核的组成
已知镭的原子序数是88，原子核质量数是226.试问：
(1)镭核中质子数和中子数分别是多少？
(2)镭核的核电荷数和所带电荷量是多少？
(3)若镭原子呈中性，它核外有多少电子？
例1
【思路点拨】 通过质量数、质子数、中子数、核电荷数、电子数间的关系确定相应数值；利用洛伦兹力充当向心力求出两种同位素的半径之比．
【精讲精析】 因为原子序数与核内质子数、核电荷数、中性原子的核外电子数都是相等的．原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和．
由此可得：
(1)镭核中的质子数等于其原子序数，故质子数为88，中子数N等于原子核的质量数A与质子数Z之差，即
N＝A－Z＝226－88＝138.
(2)镭核的核电荷数和所带电量分别是
Z＝88，Q＝Ze＝88×1.6×10－19 C＝1.41×10－17 C.
【答案】 见精讲精析
【方法总结】 核电荷数与原子核的电荷量是不同的，组成原子核的质子的电荷量都是相同的，所以原子核的电荷量一定是质子电荷量的整数倍，我们把核内的质子数叫核电荷数，而这些质子所带电荷量的总和才是原子核的电荷量，本题容易把电荷数误认为是原子核的电荷量而造成错解．
三种射线的分析与鉴别
将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，图3－1－4中表示射线偏转情况中正确的是( )
例2
图3－1－4
【思路点拨】 根据三种射线的实质分析在电磁场中的受力及运动规律．
【精讲精析】 已知α粒子带正电，β粒子带负电，γ射线不带电，根据正、负电荷在磁场中运动受洛伦兹力方向和正、负电荷在电场中受电场力方向，可知A、B、C、D四幅图中α、β粒子的偏转方向都是正确的，但偏转的程度需进一步判断．
【答案】 AD
【方法总结】 (1)因为α粒子带正电，β粒子带负电，γ不带电，所以α、β会在电场或磁场中偏转，γ射线不偏转．
(2)α、β粒子在电场中做类平抛运动，用平抛的规律研究，在磁场中做圆周运动利用洛伦兹力提供向心力进行研究．
变式训练2 如图3－1－5所示，
x为未知的放射源，L为薄铝片，
计数器对α粒子、β粒子、γ光子
均能计数．若在放射源和计数
器之间加上L后，计数器的计数率大幅度减小，在L和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，则x可能是( )
图3－1－5
A．α、β和γ的混合放射源
B．纯α放射源
C．α和γ的放射源
D．纯γ放射源
解析：选C.在放射源和计数器之间加上铝片后，计数器的计数率大幅度减小，说明射线中有穿透力很弱的粒子，即α粒子，在铝片和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，说明穿过铝片的粒子中无带电粒子，故只有γ射线．因此放射源可能是α和γ的放射源．
半衰期和衰变规律的应用
例3
【思路点拨】 由于大气中14C的含量为一定值，古生物失去活力后与大气的交换结束，14C随衰变逐渐减少，因此可依据衰变规律确定年代．
【答案】 B
答案：CD
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本章优化总结
专题归纳整合
章末综合检测
本章优化总结
知识网络构建
知识网络构建
原子核
原子核的组成——核子
核变化
核能
粒子
专题归纳整合
四种核反应类型辨析
某种元素的原子核变为另一种元素的原子核的过程叫核反应，常见的核反应可分为衰变、人工转变、重核裂变和轻核聚变．不同的核反应过程中都伴随着核子(质子、中子)数目的变化和能量的变化，但具体说来又有很多不同，下面我们进行列表比较.
衰变 人工转变 重核裂变 轻核聚变
概念 原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的过程，也叫天然放射现象 人工用高速粒子轰击原子核，产生另一种新核的过程 重核分裂成质量较小的原子核，释放出核能的过程 轻核结合成质量较大的原子核，释放出能量的过程
发现者或重要贡献者 贝克勒尔 卢瑟福、查德威克、居里夫妇等
例1
【精讲精析】 选项B中的方程是卢瑟福当初用α粒子轰击氮原子核发现质子的方程，不是β衰变方程，选项B错误；重核裂变是指一个原子序数较大的核分裂成两个中等质量核的反应，而D选项不符合，D错误．只有选项A、C正确．
【答案】 AC
1．计算核能关键确定质量亏损Δm，
若Δm单位为 kg，则ΔE＝Δmc2
若Δm单位为u，则ΔE＝Δm×931.5 MeV.
2．核反应过程中只有内力作用故动量守恒．
3．核反应过程质量亏损放出的核能以γ光子形式辐射出来或转变为新核和粒子的动能，故核反应前后总能量守恒．
核能的计算及动量、能量守恒的综合问题
静止在匀强磁场中的锂核俘获一个速度为7.7×104 m/s的中子而发生核反应，反应中放出的α粒子的速度为2×104 m/s，其方向与反应前的中子相同，如图3－1所示．
(1)写出核反应方程式；
(2)求反冲核的速度；
(3)试大致画出反冲核子粒子的轨迹；
(4)当α粒子旋转6周时，反冲核旋转几周．
例2
图3－1
图3－2
【答案】 见精讲精析
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第3节 放射性的应用、危害与防护
第4节 原子核的结合能
核心要点突破
课堂互动讲练
知能优化训练
第 4节
课前自主学案
课标定位
1.了解放射性的应用、危害，知道如何防护放射性．
2．认识原子核的结合能，理解爱因斯坦的质能方程．
3．能根据质量亏损利用质能方程计算结合能．
课标定位
课前自主学案
一、放射性的应用
1．利用射线的特性
(1)利用α射线电离放射源周围的空气，或利用α射线消除因摩擦而积累的静电．
(2)利用β射线测定薄物的厚度与密度．
(3)利用γ射线进行无损探伤，或者利用γ射线育种、杀灭害虫、保鲜食品、杀死癌细胞．
2．把放射性同位素作为__________来了解机件的磨损情况、对农作物合理施肥等．
3．利用衰变特性进行考古和探矿等．
示踪原子
二、放射性的危害与防护
1．放射线的来源：________和____________的两种．
2．放射线的危害：对人体组织造成伤害，导致细胞损伤，破坏人体DNA的分子结构等．
3．放射性防护的基本方法：_______防护、_____防护、_______防护、__________等．
天然的
人工产生
距离
时间
屏蔽
仪器监测
思考感悟
医学上做射线治疗用的放射性元素，应选半衰期长的还是短的？为什么？
提示：应选择半衰期较短、衰变较快的放射性元素．由于放射性同位素跟同种元素的非放射性同位素具有相同的化学性质，故可作为示踪原子．但由于放射线对人体有伤害，一旦研究结束，就希望放射性同位素放出的射线量大大减小，因此，应选择半衰期较短、衰变较快的放射性元素做示踪原子．
释放出的能量
三、原子核的结合能及其计算
1．结合能：由分散的核子结合成原子核的过程中所______________称为原子核的结合能，它也等于把原子核中的各个核子拆开时______________所需做的功．
2．结合能的计算
(1)质量亏损：原子核的静质量与构成它的所有核子单独存在的总静质量的差．
(2)爱因斯坦质能方程：____________，由此式也可得出ΔE＝Δmc2.
克服核力
E＝mc2
四、比结合能曲线
平均结合能曲线
图3－3－1
困难
1．比结合能越大，取出一个核子就越______，核就越_____，比结合能是原子核稳定程度的_________．
2．曲线中间高两头低，说明中等原子核(A＝40～120)的比结合能最大，近似于一个常数(8.6 MeV)，表明中等核最_______．
3．质量较大的重核(A>120)和质量较小的轻核(A<40)比结合能都_______，且轻核的比结合能还有些________．
稳定
量度
稳定
较小
起伏
核心要点突破
2．结合能和比结合能
由于核力的存在，核子结合成原子核时要放出一定的能量，原子核分解成核子时，要吸收同样多的能量．核反应中放出或吸收的能量称为核结合能．
比结合能(又叫平均结合能)：原子核的结合能与核子数之比．比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定．
3．结合能与电离能
要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、赋予光子等途径让它得到13.6 eV的能量．这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能，不过通常把它叫做氢原子的电离能，而结合能一词只用在原子核中．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
1．对结合能、比结合能的认识，下列正确的是( )
A．一切原子核均具有结合能
B．自由核子结合为原子核时，可能吸收能量
C．结合能越大的原子核越稳定
D．比结合能越大的原子核越稳定
解析：选AD.由自由核子结合成原子核的过程中，核力做正功，释放出能量．反之，将原子核分开变为自由核子它需要赋予相应的能量，该能量即为结合能，故A正确，B错误；对核子较多的原子核的结合能越大，但它的比结合能不一定大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性，故C错误，D正确．
二、质量亏损与核能的计算
1．正确认识质量亏损
在谈到结合能和质量亏损时，有的人误认为，当核子组成原子核时，有质量亏损，放出结合能的过程中，是质量变成能量．这是对质能方程的一种误解．按相对论，物体的质量是与速度有关的量，当物体的速度越大时，物体的质量越大．物体运动时的运动质量与物体静止时的静止质量间存在一定关系．当物体以远小于光速运动时，质量的这一变化很不明显．上述所说的质子、中子、原子核的质量都是指静质量．质量亏损，是静质量发生了变化．
如一个质子和一个中子结合成氘核的这一过程中，2.22 MeV的能量是以辐射光子形式放出的，光子的静质量为零，但这个光子的运动质量为：hν/c2.由此可见，当计算进光子的质量后，虽说反应前后发生了质量亏损，这部分亏损恰好与光子的运动质量是相同的．反应前后的质量仍是守恒量，质量亏损并非这部分质量消失．当然，也就不存在质量转变成能量的问题．
2．核能的计算方法
核能的计算是原子物理的重要方面和高考的热点问题，其基本方法是：
(1)根据核反应方程，计算核反应前与核反应后的质量亏损Δm.
(2)根据爱因斯坦质能方程E＝mc2或ΔE＝Δmc2计算核能．
(3)计算过程中Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳．
解析：两个中子和一个质子的总量是
m1＝2mn＋mp＝3.0246 u，mH＝3.0180 u
Δm＝m1－mH＝0.0066 u
而1 u相当于931.5 MeV, 故
ΔE＝0.0066×931.5 MeV＝6.15 MeV.
答案：0.0066 u 6.15 MeV
课堂互动讲练
放射性同位素的应用
用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现．天然放射性同位素只不过40几种，而今天人工制造的放射性同位素已达1000多种，每种元素都有放射性同位素．放射性同位素在农业、医疗卫生和科学研究的许多方面得到了广泛的应用．
例1
(1)带电的验电器在放射线照射下电荷会很快消失．其原因是( )
A．射线的贯穿作用
B．射线的电离作用
C．射线的物理、化学作用
D．以上三个选项都不是
(2)图3－3－2是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图．如工厂生产的是厚度为1 mm的铝板，在α、β、γ三种射线中，你认为对铝板的厚度起主要作用的是________射线．
图3－3－2
(3)在我国首先用人工方法合成牛胰岛素时，需要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛素的结晶是同一种物质，为此曾采用放射性同位素14C作________．
【精讲精析】 (1)选B.因放射线的电离作用，空气中与验电器所带电荷电性相反的离子与之中和，从而使验电器所带电荷消失．
(2)α射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度为1 mm的铝板，因而探测器不能探测，γ射线穿透物质的本领极强，穿透1 mm厚的铝板和几 mm厚的铝板打在探测器上很难分辨，β射线也能够穿透1 mm甚至几毫米厚的铝板，但厚度不同，穿透后β射线的强度明显不同，探测器容易分辨．
(3)把掺入14C的人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素混合到一起，经过多次重新结晶后，得到了放射性14C分布均匀的牛胰岛素结晶，这就证明了人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素完全融为一体，它们是同一种物质．这种把放射性同位素的原子掺到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可以知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的，从而可以了解某些不容易察明的情况或规律，人们把作这种用途的放射性同位素叫做示踪原子．
【答案】 见精讲精析
【题后反思】 这是一道运用放射线的特性解决实际问题的试题．要求同学们对这三种射线的穿透性有所了解，并具有一定的表达能力．放射源放出的三种射线的贯穿本领不同，如果遮挡物的厚度不同，会引起贯穿后射线的强度发生变化，利用这一特点，可实现自动控制．
变式训练1 在放射性同位素的应用中，下列做法正确的是( )
A．应该用α射线探测物体的厚度
B．应该用γ粒子放射源制成“烟雾报警器”
C．医院在利用放射线诊断疾病时用半衰期较长的放射性同位素
D．放射育种利用γ射线照射种子使遗传基因发生变异
解析：选D.由于α粒子的穿透能力很弱，无法用其探测物体的厚度，故A错误；烟雾报警器是利用射线的电离作用，而γ粒子的电离作用很弱，故B错误；由于人体长期接触放射性元素会影响健康，因此诊断疾病时应该利用半衰期短的同位素，故C错误；放射育种是利用γ射线照射种子改变遗传基因，故D正确．
对质能方程的理解
为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”．对于爱因斯坦提出的质能方程E＝mc2，下列说法中不正确的是( )
例2
A．E＝mc2表明物体具有的能量与其质量成正比
B．根据ΔE＝Δmc2可以计算核反应中释放的核能
C．一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损
D．E＝mc2中的E是发生核反应中释放的核能
【精讲精析】 E＝mc2中的E表示物体具有的总能量，m表示物体的质量，故A说法正确；对于ΔE＝Δmc2表示的意义是当物体的能量增加或减小ΔE时，它的质量也会相应地增加或减少Δm，故B说法正确，只有当出现质量亏损时，才能释放核能，故C说法正确；公式E＝mc2中，E的质量为m的物体所对应的能量，而非核反应中释放的能量，D错误，故选D.
【答案】 D
变式训练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．
核能的计算
例3
【思路点拨】 解答本题的前提是首先必须判断核反应过程中，反应前后质量是增加还是减少，再根据质能方程进行计算．
【自主解答】 反应前总质量MN＋MHe＝18.01140 u，
反应后总质量MO＋MH＝18.01305 u，
可以看出，反应后总质量增加，故该反应是吸收能量的反应．
【答案】 吸收能量 1.5 MeV
吸收的能量利用ΔE＝Δmc2来计算，若反应过程中质量亏损1 u，就会释放931.5 MeV的能量，故：
ΔE＝(18.01305－18.01140)×931.5 MeV≈1.5 MeV.
变式训练3 质子、中子和氦核的质量分别为m1、m2和m3，真空中的光速为c，当质子和中子结合成氦核时，释放的能量是( )
A．(2m1＋2m2)c2
B．m3c2
C．(m3－2m1－2m2)c2
D．(2m1＋2m2－m3)c2
解析：选D.氦核由两个质子和两个中子结合而成，结合时总质量减小，质量亏损Δm＝(2m1＋2m2－m3)．
释放的能量为：ΔE＝(2m1＋2m2－m3)c2.
知能优化训练
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第5节 核裂变
核心要点突破
课堂互动讲练
知能优化训练
第 5节
课前自主学案
课标定位
1.理解重核的裂变，知道核裂变的条件．
2．知道什么是链式反应，及发生链式反应所需要的条件．
3．了解核电站，知道核反应堆．
课标定位
课前自主学案
裂变
最小
二、核电站、核反应堆
1．作用：控制__________的速度，把核能平稳地转化为电能．
2．核反应堆：是控制链式反应的______设施，是使核裂变链式反应在_______控制下安全进行的装置．
链式反应
核心
人为
思考感悟
重核裂变为何会释放出能量？裂变反应中质量会发生亏损吗？
提示：由于重核的比结合能中等质量的原子核要小，当裂变为中等质量的原子核时，比结合能增加，必然放出能量．由于裂变反应中释放能量，反应后质量一定发生了亏损．
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：重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,1 kg铀全部裂变放出的能量相当于2500 t优质煤燃烧时释放的能量．裂变时能产生几万度的高温．
3．铀核裂变的条件
(1)铀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裂爆炸(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)．
特别提醒：裂变的链式反应需要一定的条件才能维持下去：
(1)要有足够浓度的铀235；
(2)要有足够数量的慢中子；
(3)铀块的体积要大于临界体积．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
1．关于铀核的裂变，下列说法正确的是( )
A．铀核裂变的产物是多种多样的
B．铀核裂变时能同时释放出2～3个中子
C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用浓缩铀235
D．铀块的体积对产生链式反应无影响
解析：选ABC.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，具有偶然性，裂变成两块的情况较多，也可能分裂成多块，并放出2～3个中子．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用浓缩铀235，并且要使铀块的体积超过临界体积，故A、B、C正确，D错误．
二、核电站及组成部分的功能
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．
特别提醒：在计算重核裂变释放的核能时，主要从以下两个方面进行：(1)根据爱因斯坦的质能方程计算，确定反应前、后的质量亏损，然后由ΔE＝Δmc2计算．
(2)由于1原子质量单位相当于931.5 MeV的能量，即1 u＝931.5 MeV，将质量亏损换算为原子质量单位Δm′，则ΔE＝Δm′×931.5 MeV.
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
2．关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是( )
A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度
B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量
D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
解析：选C.镉棒并不能释放中子，也不能使中子减速，对铀核裂变也没有阻碍作用，而是利用对中子吸收能力强的特点，控制中子数量的多少而控制核反应速度，故C正确．
课堂互动讲练
对核裂变的理解
关于重核的裂变，以下说法正确的是( )
A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B．中子进入铀块中时，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，所以核子数量减小
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
例1
【思路点拨】 解答本题时从核能的来源，产生链式反应的条件，裂变反应遵循的规律几个方面分析判断．
【精讲精析】 根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程．而并非中子的能量，故A错误．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积．如果体积小，中子进入铀块时，裂变中产生的中子散失到外界，没有足够的中子，则链式反应就不会发生，故B错误．
可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此C错误，重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，发生质量亏损，从而释放出核能．故D正确．
【答案】 D
【方法总结】 (1)重核发生裂变的条件是：①要俘获慢中子；②铀块的体积要大于临界体积.
(2)重核裂变放能的原因是：重核核子的平均质量大于中等核核子的平均质量．
解析：选A.X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140个，B错误．中子数为140－(92－38)＝86个，A正确．裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D错．
裂变反应中核能的计算
已知一个铀235核裂变时能释放200 MeV的能量，问1 kg铀完全裂变能释放多少能量？相当于多少吨燃烧值为2.94×107 J/kg的煤所放出的能量？
例2
【思路点拨】 解答本题可按以下思维过程进行
【答案】 8.2×1013 J 2789 t
【方法总结】 在计算裂变反应中释放的核能相当于多少煤，或某一时间用多少核燃料等的有关问题时，一般地根据核反应方程求出一个铀核裂变时发生的质量亏损，根据质能方程计算出释放的能量，然后由阿伏伽德罗常量计算某质量的铀核总共释放的能量，相当于多少其他燃料释放的能量等；在计算过程中要注意统一单位．
变式训练2 在其他能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势．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．
知能优化训练
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