5.4 核裂变和核聚变（共24张PPT）课件 2024-2025学年高二物理鲁科版（2019）选择性必修第三册

(共24张PPT)
第五章 原子核与核能
第4节 核裂变和核聚变
较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢
秦山核电站
原子弹
1.知道什么是裂变、聚变和链式反应,知道链式反应和聚变的条件。
2.会书写裂变和聚变方程,会利用质量亏损计算裂变和聚变产生的核能。
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、重核裂变
20世纪30年代，科学家用中子轰击铀核，发现铀核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量。科学家从生物学的细胞分裂中得到启示，把这种核反应过程称为核裂变。核裂变是释放核能的方法之一。
为什么会发生裂变呢？
科学家认为，中子击中 后，将复合成 ，且处于高激发状态。 要发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球形的核，核子间的距离增大，核力迅速减小，不能抵消质子间的库仑斥力从而不能使核恢复原状， 就分裂成两部分，同时放出中子。
裂变示意图
铀核的裂变
用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。
铀核裂变的产物是多种多样的
典型裂变
生成钡（Ba）和氪（Kr），同时释放三个中子
1个 裂变为 和 释放的能量计算
反应过程中质量减小了Δm＝0.2153u，释放的能量
ΔE=0.2153×931.5 MeV=200.55 MeV
1kg的铀235全部裂变，释放出的核能相当于两千余吨标准煤完全燃烧释放的能量。
铀核裂变时释放出的能量是巨大。
科学书屋：核裂变的发现
1934年，在中子和人工放射性发现的启发下，费米用中子轰击铀238，得到了一种新的放射性元素，费米误认为这种新元素是原子序数为93的超铀元素。后来证实费米的结论是错误的。
1938年，约里奥一居里夫妇用慢中子照射铀盐，分离出了类似镧（Z＝57）的放射性元素。他们对中子与铀（Z＝92）发生反应生成核电荷数与铀相距很远的镧感到疑惑。
德国科学家哈恩等人看到了约里奥一居里夫妇的实验结果后，重复做了有关实验，不仅肯定了镧的存在，而且发现了放射性钡核（Z＝56）。哈恩将这个结果告诉了迈特纳，这位奥地利女物理学家认为：铀核俘获一个中子后分裂成两个大致相等的部分，这就是核裂变。哈恩因发现核裂变现象而获得1944年诺贝尔化学奖。
核裂变的发现引起了科学界的极大轰动，许多科学家投入到重核裂变的研究中。不久，科学家通过实验证明了链式反应的可能性，为人类应用原子能打开了大门。
二、链式反应
链式反应能否持续，与铀块质量和体积是否有关？
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，很可能打不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。
只有当铀核足够大时，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。
1.定义：在U核裂变释放出巨大能量的同时,平均每次可以放出 个中子,这些中子称为第1代中子,如果其中至少有一个继续轰击U,使之发生裂变,就能产生第2代中子,这样不断继续下去,中子会不断 ,裂变反应就会不断加强,就形成了裂变的链式反应。
2~3
增加
2.临界体积：能够发生链式反应的铀块的 体积称为临界体积。
最小
发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。
二、链式反应
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。
核反应堆：人工控制链式反应的装置
太阳是靠什么为地球生命提供巨大能量的呢
现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应。
采用轻核聚变成较重核引起结合能变化的方式可获得核能，这样的核反应称为核聚变。
核反应方程
反应过程中质量减小了Δm＝0.0188u，释放的能量
ΔE=0.0188×931.5 MeV=17.51 MeV
平均每个核子释放的结合能要比裂变中平均每个核子释放的能量大得多。
三、轻核聚变
轻核聚变燃料较易获得
轻核聚变释放的能量巨大，而且能源泉也容易获得，氘可以从海洋中提取，数量极巨；氚可以用以下反应得到。
轻核聚变是较理想的能源。但控制反应目前还属难题。如果能实现可控轻核聚变反应，就可实现人造“小太阳”的梦想。
四、可控热核聚变
要使轻核发生聚变，必须使它们的间距达到核力作用的范围。要使它们达到这种程度，必须克服原子核间巨大的库仑斥力，这就得让核子获得足够大的动能。以氘核发生聚变为例，必须在大约108K高温下，使氘核获得至少70keV的动能才能达到核力作用的范围而发生核聚变。在这样的高温下，原子已完全电离，形成了物质第四态-等离子态。高温等离子的密度及高温必须维持一定时间才能实现聚变，但这是非常困难的。
目前，约束高温等子体的方法有三种：一是引力约束，二是磁约束，三是惯性约束。
1.引力约束：靠巨大的引力，把高温等离子体约束在一起，维持热核反应的方法，就是引力约束。
2.磁约束利用磁场将高温、高密度等离子体约束在一定的容积内，且维持足够长的时间，使其达到核聚变的条件。目前最有发展前途的是环流器，又称托卡马克装置。
3.惯性约束：利用强激光从多个方向同时轰击氘和氚的混合燃料丸（微小球体，直径几毫米），使燃料丸的表面层形成等离子体，在强激光的惯性压力下，内层燃料丸密度迅速增大，直径减小，温度升高，引起热核聚变。
1.(多选)关于重核裂变的说法正确的是(　　)
A.重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多
B.只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应
C.为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子
D.裂变过程中释放能量，质量亏损
AD
2.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（ ）
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
AD
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（　 　）
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
D
4.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
B
链式反应的条件：
重核分裂成质量较小的核，并释放核能的反应
核裂变和核聚变
核裂变
核聚变
裂变方程：
核反应堆与核电站的工作流程
临界体积、临界质量
两个轻核结合成质量较大的核的反应
聚变方程：
优点：产能效率高；聚变燃料的储量丰富；更安全、清洁
实现可控核聚变的方法：引力约束、磁约束、惯性约束