物理人教版（2019）选择性必修第三册5.4核裂变与核聚变（共18张ppt）

(共18张PPT)
第五章 原子核
第4节 核裂变与核聚变
知识回顾
1、什么是原子核的结合能？
核子结合成原子核时释放的能量，或原子核分解成核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能。
组成原子核的核子数越多，它的结合能越大。
原子核的结合能=核子的平均结合能×核子数
2、什么是比结合能？
原子核的结合能与核子数之比叫作比结合能。
比结合能反映了原子核的稳定程度。比结合能越大，核子结合得越牢固，原子核越稳定 。
中等质量原子核的比结合能大。
3、怎么计算核反应时释放的核能？
(1)利用平均结合能来计算核能：核反应前后系统内所有原子核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的核能。
(2)根据质量亏损计算：计算核反应过程的质量亏损Δm，再根据质能方程ΔE=Δmc2计算核能。
①. 若 Δm的单位是千克，c=3×108 m/s，则ΔE的单位是焦耳（J）
②. 若Δm的单位是原子质量单位u，用ΔE=Δm×931.5 MeV计算，计算得到的ΔE的单位是MeV。
一、核裂变
1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的过程中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。
奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释，铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变。
1、定义：重核分裂成质量较小的核，并释放核能的反应叫做核裂变。
2、铀核的裂变
典型的铀核裂变反应：
用中子轰击铀核时，铀核可能发生裂变，其产物也是多种多样的，核裂变中放出中子，数目有多有少，中子的速度也有快有慢。
铀核裂变不仅有常见的二分裂，还有发生概率很低的三分裂和发生概率极低的四分裂现象。
我国科学家钱三强、何泽慧夫妇于1947年在实验中发现铀核也可能分裂为三部分或四部分，其概率大约是分裂为两部分的概率的 1/300和 1/5 000 。这一研究成果得到了广泛的认可和赞誉。
3、链式反应
当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这个过程叫做核裂变的链式反应．
发生链式反应的条件：
铀块的质量大于临界质量，
或铀块体积大于临界体积。
原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，很有可能碰不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。只有当铀块足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，使链式反应进行下去。通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。
4、裂变反应的能量
铀核裂变时如果生成物不同，释放的能量也有差异。
铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应，如果一个铀235核裂变时释放的能量按200 MeV估 算，1 kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2 800 t 标准煤完全燃烧时释放的化学能！
“热中子（慢中子）”核反应堆示意图
反应堆：通过可控制的链式反应
来释放核能的装置。
1、核燃料：浓缩铀235
2、减速剂：石墨、重水、普通水，使中子减速，易于捕获
3、控制棒：镉，吸引中子，控制链式反应的快慢
核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高。水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却。
二、核电站
核电站工作流程
第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核心反应放出的热使水的内能增加，水温升高。第一回路的水进入交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆。
在热交换器内，第二回路中的水被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。
核电站工作流程
核电站优缺点：
（1）优点：①污染小；②可采储量大；③比较经济。
（2）缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染；
②核废料处理困难。
核污染的处理：
在反应堆外面修建很厚的水泥层，用来屏障裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性。需要装入特制的容器深埋地下。
三、核聚变
1. 核聚变：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。
2. 核聚变条件：使原子核间的距离达到10-15m
3. 实现的方法：把原子核加热到温度达到几百万开尔文
4. 核聚变应用： 氢弹
5. 天然核聚变： 太阳的核燃烧
6. 核聚变的优点：
① 轻核聚变产能效率高；（相同质量的核燃料，反应中产生的能量比较多）
② 地球上核聚变燃料氘和氚储量丰富；
③ 轻核聚变更为安全、清洁。
7. 实现可控核聚变的困难：
核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。
8.解决的两种方案：磁约束 、惯性约束
【例1】我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图)2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础.下列关于聚变的说法正确的是（ AD ）
A.核聚变比核裂变更为安全、清洁
B.任何两个原子核都可以发生聚变
C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加
D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
解析：
与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；
自然界中最容易发现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；
两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；
两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，核子的比结合能增加，D正确。
【例2】一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法中正确的是（ A ）
A.这个反应的核反应方程是
B.这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应
C.辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c 2
解析：
核反应方程满足质量数和电荷数守恒，故A正确；
该反应为聚变反应，故B错误；
聚变反应中亏损的质量转化为能量，以光子的形式放出，故光子能量为E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C错误；
【例3】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，表述正确的有（　 D 　）
A． 是人工核反应
B． 是核裂变反应，该反应吸收能量
C．由于裂变比聚变产能效率高，目前的核电站是利用的裂变，用减速剂把快中子变为热中子，用镉棒控制反应速度
D．核聚变温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度，科学家设想的解决方案是磁约束和惯性约束
解析：A． 是核聚变反应，故A错误；
B． 是核裂变反应，反应过程中有质量亏损，则该反应放出能量，故B错误；
C．由于裂变容易控制且发生的条件比聚变更低，则目前的核电站是利用的裂变，但聚变产能效率高，故C错误；
D．核聚变温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度，科学家设想的解决方案是磁约束和惯性约束，故D正确。
故选D。
答案：D
课堂小结