第五章　4　核裂变与核聚变 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版选择性必修三

4　核裂变与核聚变
[学习目标]　
1.知道什么是核裂变、核聚变和链式反应，知道链式反应和核聚变的条件(重点)。
2.会书写核裂变和核聚变方程，会利用质量亏损计算核裂变和核聚变产生的核能(重难点)。
3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度。
一、核裂变的发现
1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。巨大的核能是从哪里来的？
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1．核裂变：铀核在被______轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。
2．铀核裂变
用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是U＋ n→Ba＋Kr＋________。
3．链式反应
中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应____________继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应。
4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生________反应的________体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
5．核裂变的能量：重核裂变为中等质量的原子核、发生质量亏损，所以________能量。
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________标准煤完全燃烧时释放的化学能。
1．如图所示为核裂变示意图。
(1)重核裂变是一种天然现象吗？
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(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
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2．总结维持链式反应的条件。
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例1　2020年11月27日0时41分，“华龙一号”福清核电站5号机组首次并网成功，标志着我国正式进入核电技术先进国家行列。“华龙一号”利用的是铀核裂变释放的核能，其裂变方程为U＋n→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是(　　)
A．裂变后粒子的总核子数减少
B．X原子核中含有85个中子
C．裂变反应前后质量没有变化
D．裂变后新核的平均结合能比铀核的小
1．重核裂变是中子轰击质量较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。
2．重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后有质量亏损，根本原因是重核的平均结合能比中等质量的核的平均结合能小。所以在重核裂变为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。
例2　铀核裂变的许多核反应中的其中一个是U＋n→Ba＋Kr＋3n。
(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量(U、Ba、Kr、n的质量分别为235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u,1 u相当于931.5 MeV能量，阿伏加德罗常数NA＝6.02×
1023 mol－1)；
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(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2.94×107 J/kg)
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二、反应堆与核电站
1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是__________，它的主要组成部分：
组成部分 材料 作用
裂变材料(核燃料) ______(浓缩铀) 提供核燃料
减速剂(慢化剂) ______、______或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速
控制棒 ______ 吸收中子，控制反应速度
热交换器 ____或液态的____ 传输热量
防护层 厚______层 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害
2.工作原理
(1)核燃料发生________释放能量，使反应区温度升高。
(2)能量输出：水或液态的金属钠等流体在反应堆内外__________，把反应堆内的________传输出去，用于________，同时也使反应堆冷却。
3．核污染的处理
在反应堆的外面需要修建很厚的________，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的________，需要装入特制的容器，________。
4．核电站发电的优点
(1)消耗的核燃料少。
(2)作为核燃料的铀、钍等地球上可采储量大，所能提供的能量大。
(3)对环境的污染比火力发电小。
例3　如图为普通核反应堆的结构示意图，通过铀235链式反应实现核能的可控释放。下列关于核反应堆工作中的说法正确的是(　　)
A．正常运行的反应堆，水泥防护层外能检测到大量α粒子
B．中子速度越快越容易发生链式反应
C．通过改变镉棒的插入深度来控制反应速度
D．铀核裂变时释放能量的多少与生成物种类无关
三、核聚变
1．定义：两个______结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。
2．核反应方程(举例)：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。
3．条件：使轻核的距离达到______ m以内。
方法：需要加热到很高的______，因此核聚变又叫热核反应。
4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核______成氦核释放的______能。
5．人工热核反应的应用——氢弹
原理：首先由化学炸药引爆__________，再由__________爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
6．核聚变与核裂变的比较
(1)优点：①轻核聚变产能__________；②地球上核聚变燃料氘储量______，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁。
(2)缺点：核聚变需要的温度太______，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。
科学家提出的解决方案：①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是________。
②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的______或X射线从各个方向照射参加反应物质，使它们“挤”在一起发生反应。
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？
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例4　2021年5月28日，在中科院合肥物质科学研究院，有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，向核聚变能源应用迈出重要一步。下列关于聚变的说法正确的是(　　)
A．任何两个原子核都可以发生聚变
B．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小
C．两个轻核结合成质量较大的核，核子的平均结合能减小
D．核聚变比核裂变更为安全、清洁，是目前利用核能的主要方式
例5　两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014 u，氦核质量为4.002 u。
(1)写出相应的核反应方程；
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(2)求出1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量。已知：阿伏加德罗常数NA为6.0×1023 mol－1，氘核的摩尔质量为2 g/mol，1 u相当于931.5 MeV的能量(结果保留两位有效数字)。
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4　核裂变与核聚变
[学习目标]　1.知道什么是核裂变、核聚变和链式反应，知道链式反应和核聚变的条件(重点)。2.会书写核裂变和核聚变方程，会利用质量亏损计算核裂变和核聚变产生的核能(重难点)。
3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度。
一、核裂变的发现
1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。巨大的核能是从哪里来的？
答案　铀核的裂变。
1．核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。
2．铀核裂变
用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是U＋ n→Ba＋Kr＋3n。
3．链式反应
中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应。
4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
5．核裂变的能量：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。
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2800 t标准煤完全燃烧时释放的化学能。
1．如图所示为核裂变示意图。
(1)重核裂变是一种天然现象吗？
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
答案　(1)重核裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，所以重核裂变不是一种天然现象。
(2)不是。有中子轰击铀块且铀块的体积大于等于临界体积，才会发生链式反应。
2．总结维持链式反应的条件。
答案　(1)铀块的体积大于等于临界体积或铀块的质量大于等于临界质量。
(2)有慢中子轰击。
(3)有足够浓度的铀235。
例1　2020年11月27日0时41分，“华龙一号”福清核电站5号机组首次并网成功，标志着我国正式进入核电技术先进国家行列。“华龙一号”利用的是铀核裂变释放的核能，其裂变方程为U＋n→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是(　　)
A．裂变后粒子的总核子数减少
B．X原子核中含有85个中子
C．裂变反应前后质量没有变化
D．裂变后新核的平均结合能比铀核的小
答案　B
解析　核反应过程中，质量数守恒，所以裂变后粒子的总核子数不变，A错误；设X原子核中有x个质子，质量数为y，则92＝x＋38，235＋1＝y＋95＋1×2，解得x＝54，y＝139，所以X原子核中含有中子数为y－x＝85，B正确；裂变释放核能，所以有质量亏损，C错误；裂变释放核能是因为新核的平均结合能比铀核的大，D错误。
1．重核裂变是中子轰击质量较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。
2．重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后有质量亏损，根本原因是重核的平均结合能比中等质量的核的平均结合能小。所以在重核裂变为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。
例2　铀核裂变的许多核反应中的其中一个是U＋n→Ba＋Kr＋3n。
(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量(U、Ba、Kr、n的质量分别为235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u,1 u相当于931.5 MeV能量，阿伏加德罗常数NA＝6.02×
1023 mol－1)；
(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2.94×107 J/kg)
答案　(1)200.6 MeV　(2)5.14×1026 MeV　2 797.3 t
解析　(1)裂变反应的质量亏损为
Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7) u＝0.215 3 u。
一个铀235原子核裂变后释放的能量为
ΔE＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV。
(2)1 kg铀235原子核中含原子核的个数为
N＝×6.02×1023个≈2.56×1024个，
1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量
ΔEN＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV。
设相当于完全燃烧的煤的质量为m，
有ΔEN＝qm，
所以m＝＝ kg≈2797.3 t。
二、反应堆与核电站
1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它的主要组成部分：
组成部分 材料 作用
裂变材料(核燃料) 铀棒(浓缩铀) 提供核燃料
减速剂(慢化剂) 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速
控制棒 镉棒 吸收中子，控制反应速度
热交换器 水或液态的金属钠 传输热量
防护层 厚水泥层 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害
2.工作原理
(1)核燃料发生核裂变释放能量，使反应区温度升高。
(2)能量输出：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。
3．核污染的处理
在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。
4．核电站发电的优点
(1)消耗的核燃料少。
(2)作为核燃料的铀、钍等地球上可采储量大，所能提供的能量大。
(3)对环境的污染比火力发电小。
例3　如图为普通核反应堆的结构示意图，通过铀235链式反应实现核能的可控释放。下列关于核反应堆工作中的说法正确的是(　　)
A．正常运行的反应堆，水泥防护层外能检测到大量α粒子
B．中子速度越快越容易发生链式反应
C．通过改变镉棒的插入深度来控制反应速度
D．铀核裂变时释放能量的多少与生成物种类无关
答案　C
解析　正常运行的核反应堆主要的辐射有γ辐射和中子辐射，所以水泥防护层外不可能检测到大量α粒子，故A错误；中子速度越快越不容易使链式反应发生，故B错误；利用镉棒对中子吸收能力强的特点，通过改变镉棒的插入深度，从而改变中子的数量来控制反应速度，故C正确；核裂变释放的能量与反应前后质量亏损有关，铀核裂变时会因生成物种类不同导致质量亏损不同，释放能量不同，故D错误。
三、核聚变
1．定义：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．核反应方程(举例)：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。
3．条件：使轻核的距离达到10－15 m以内。
方法：需要加热到很高的温度，因此核聚变又叫热核反应。
4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能。
5．人工热核反应的应用——氢弹
原理：首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
6．核聚变与核裂变的比较
(1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘储量丰富，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁。
(2)缺点：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。
科学家提出的解决方案：①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器。
②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射参加反应物质，使它们“挤”在一起发生反应。
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？
答案　轻核的聚变反应，是两个轻核结合成质量较大的核，要使得核力发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15 m以内；同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大，因而需要核子有很大的动能才能克服，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。
例4　2021年5月28日，在中科院合肥物质科学研究院，有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，向核聚变能源应用迈出重要一步。下列关于聚变的说法正确的是(　　)
A．任何两个原子核都可以发生聚变
B．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小
C．两个轻核结合成质量较大的核，核子的平均结合能减小
D．核聚变比核裂变更为安全、清洁，是目前利用核能的主要方式
答案　B
解析　只有两个质量较小的原子核才可以聚变成一个中等质量的原子核，并不是任何两个原子核都可以发生聚变，A错误；核聚变反应会放出大量的能量，根据质能方程可知反应会发生质量亏损，两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小，平均结合能增大，B正确，C错误；核聚变的最终产物是氦，无污染，而核裂变产生的固体核废料具有放射性，因此核聚变更加清洁和安全，但是还不是目前利用核能的主要方式，D错误。
例5　两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014 u，氦核质量为4.002 u。
(1)写出相应的核反应方程；
(2)求出1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量。已知：阿伏加德罗常数NA为6.0×1023 mol－1，氘核的摩尔质量为2 g/mol,1 u相当于931.5 MeV的能量(结果保留两位有效数字)。
答案　(1)H＋H→He　(2)3.6×1027 MeV
解析　(1)核聚变反应的方程为H＋H→He
(2)两个氘核结合成一个氦核时释放的能量为
ΔE＝(2×2.014 u－4.002 u)×931.5 MeV≈24.22 MeV
1 kg氘中含有的氘核数为
n＝×NA＝×6.0×1023个＝3.0×1026个
1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量为
E＝ΔE＝1.5×1026×24.22 MeV≈3.6×1027 MeV。