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高中物理人教版选择性必修三教案
第五章 原子核
第5.4节 核裂变和核聚变
学习目标
1.了解核裂变反应及链式反应的条件,并能计算裂变释放的核能。
2.知道裂变反应堆的工作原理及其类型,知道如何控制核反应的速度以及核电站的工作流程。
3.了解核聚变反应及条件,会计算核聚变中释放的核能。
4.了解可控热核反应及其研究和发展。
课前导学
基础知识导学
核裂变的发现
1．核裂变：重核被______轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反应．
2．铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多样的，其中一种典型的裂变是U＋n―→Ba＋Kr＋________.
3．链式反应：由重核裂变产生的中子使核裂变反应________继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应．
4．临界体积和临界质量：把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，相应的质量叫做临界质量．
5．核裂变的能量：1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于________标准煤完全燃烧时释放的化学能．
反应堆与核电站
1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是________，它主要由以下几部分组成：
(1)燃料：________；
(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用____、____和________作慢化剂；
(3)控制棒：为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收____的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些____，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫做控制棒．
(4)水泥防护层：用来____裂变产物放出的各种射线．
2．工作原理：__________释放的能量，使反应区温度升高．
3．能量输出：核燃料____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外________，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．
4．核污染的处理：为避免____对人体的伤害和________对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的______，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的________，需要装入特制的容器，________.
拓展：
铀核裂变的一种核裂变反应方程，生成物是Ba和Kr，铀核裂变的另一种核反应方程：
U＋n→Xe＋Sr＋10n
在这个反应式中，生成物是Xe和Sr.
点睛：
石墨：碳原子
重水：两个氘原子与一个氧原子形成的化合物，D2O分子量20
轻水：普通水，H2O分子量18
图解：
（一）核聚变
核聚变
1．核聚变
(1)定义：两个________结合成质量较大的核的核反应．
(2)典型的核聚变：H＋H→____＋n＋17.6 MeV.
(3)条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到____ m以内，核力才能起作用．由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的________．这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达______开尔文，因此聚变又叫________．
(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是____．需要用______爆炸产生的高温高压引发核爆炸．
(5)太阳能：太阳的主要成分是____，太阳中心温度可达1.6×107K，在此高温下，氢核聚变成氮核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部____释放的核能．
2．受控热核反应
(1)聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高．第二：地球上核聚变燃料的储量丰富．第三：轻核聚变更为安全、清洁．
(2)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温．
(3)控制方法
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____从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应．
知识点探究
知识点一 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。你知道巨大的核能是从哪里来的吗
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.铀核的裂变
(1)铀核受激发:当中子进入铀235后,使核处于激发状态,由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状。
(2)铀核分裂: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。
(3)核能的释放:裂变中比结合能变大,因而释放核能。
(4)常见的裂变方程
UnXeSr+n
UnBaKr+n
3.链式反应
(1)定义:由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程,叫作核裂变的链式反应。
(2)临界体积和临界质量:把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。
(3)条件
①有足够数量的慢中子轰击。
②铀块的体积大于临界体积,或铀块的质量大于临界质量。
4.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全部发生核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。
【思考】
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发生链式反应吗
角度1 对核裂变的理解
例1 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,所以核子数要减少
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
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。
角度2 裂变产生核能的计算
例2 用中子轰击铀核U),其中的一个可能反应是分裂成钡Ba)和氪Kr)两部分,放出3个中子。各个核和中子的质量如下(计算结果保留到小数点后两位):
mU=390.313 9×10-27 kg,mn=1.674 9×10-27 kg;mBa=234.001 6×10-27 kg,mKr=152. 604 7×10-27 kg。
(1)试写出该核反应方程;
(2)求出反应中释放的核能;
(3)我国第一座核电站——秦山核电站总装机容量达到650万千瓦,若该核电站中发生的反应为(1)中反应,则秦山核电站一年需要消耗多少千克的铀核U)
铀核裂变释放核能的计算
(1)首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm。
(2)根据ΔE=Δmc2计算释放的核能。
(3)若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能,应先算出铀块中有多少个铀核(设为n),则铀块完全裂变释放的核能E=nΔE。
知识点二 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
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,用来屏蔽核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。
【思考】
核电站发电有哪些优点
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
训练 (2025·河北承德月考)统计显示,一座百万千瓦电功率的核电厂和燃煤电厂相比,每年可以减少二氧化碳排放600多万吨,可见核能是减排效应较大的能源之一。下列对于铀235相关的核反应的描述说法正确的是( )
A.铀块的体积越小,越容易发生链式反应
B.发生链式反应的核反应方程为UBa+Kr+n
C.在核反应堆中,中子的速度越快,铀核越容易发生核裂变
D.核反应堆中,在铀棒之间插入一些镉棒,主要是为了调节中子数量,控制反应速度
知识点三 核聚变
万物生长靠太阳(如图),太阳在我们日常生活中是不可替代的,它提供给地球足够的能源,如果说太阳一旦没有了,那么地球上的一切生物都将随之消失。你知道太阳的能量来源吗
1.核聚变
(1)定义:两个轻核结合成质量较大的核,并释放出能量的反应。
(2)举例HH→Hen+17.6 MeV。
(3)条件:要使轻核发生聚变,必须使它们的距离达到10-15m 以内,核力才能起作用。由于原子核都带正电,要使它们接近到这种程度,必须克服巨大的库仑斥力,这就要求原子核具有足够的动能。
获得足够动能的办法,就是把它们加热到很高的温度,温度高达几百万开尔文,因此核聚变又叫热核反应。
(4)应用:目前,人工产生的热核反应主要用在核武器上,那就是氢弹,需要用原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
(5)太阳能:太阳的主要成分是氢。太阳的中心温度达1.6×107 K。在这样的高温下,氢核聚变成氦核的反应不停地进行着,太阳能就来自于太阳内部核聚变释放的核能。
2.受控热核反应
(1)核聚变的优点:第一,轻核聚变产能效率高。第二,地球上核聚变燃料氘储量丰富,而氚可以利用锂来制取,足以满足核聚变需要。第三,轻核聚变更为安全、清洁。
(2)核聚变的难点:需要的温度太高,地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。
(3)控制方法
①磁约束:利用磁场来约束参加反应的物质,目前性能最好的一种磁约束装置是环流器。
②惯性约束:核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的物质,使它们“挤”在一起发生反应。
【思考】
发生核聚变需要什么条件
例4 (2023·天津卷,3)关于太阳上进行的核聚变,下列说法正确的是( )
A.核聚变需要在高温下进行
B.核聚变中电荷不守恒
C.太阳质量不变
D.太阳上进行的核反应为UnBaKr+n
例5 (2024·浙江1月选考)已知氘核质量为2.014 1 u,氚核质量为3.016 1 u,氦核质量为4.002 6 u,中子质量为1.008 7 u,阿伏加德罗常数NA取6.0×1023 mol-1,氘核摩尔质量为2 g·mol-1,1 u相当于931.5 MeV。关于氘与氚聚变成氦,下列说法正确的是( )
A.核反应方程式为HHHen
B.氘核的比结合能比氦核的大
C.氘核与氚核的间距达到10-10 m就能发生核聚变
D.4 g氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025 MeV
随堂对点自测
1.(反应堆与核电站)如图是慢中子反应堆的示意图,对该反应堆,下列说法正确的是( )
A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B.快中子跟慢化剂的原子核碰撞后的能量减少,变成慢中子,慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C.控制棒由镉做成,当反应过于激烈时,使控制棒插入浅一些,让它少吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些
D.要使裂变反应更激烈一些,应使控制棒插入深一些,使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子,链式反应的速度就会快一些
2.(核聚变)(2023·湖南卷,1)2023年4月13日,中国“人造太阳”反应堆中科院环流器装置(EAST)创下新纪录,实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行,为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步,下列关于核反应的说法正确的是( )
A.相同质量的核燃料,轻核聚变比重核裂变释放的核能更多
B.氘氚核聚变的核反应方程为HHHee
C.核聚变的核反应燃料主要是铀235
D.核聚变反应过程中没有质量亏损
3.(重核裂变)铀原子核既可发生衰变,也可发生裂变。其衰变方程为UTh+X,裂变方程为Un→YKr+n,其中Un、YKr的质量分别为m1、m2、m3、m4,光在真空中的传播速度为c。下列叙述正确的是( )
A.U发生的是β衰变
B.Y原子核中含有56个中子
C.若提高温度U的半衰期将会变小
DU裂变时释放的能量为(m1-2m2-m3-m4)c2
课后巩固训练
对点题组练
题组一 核裂变的发现 反应堆与核电站
1.下列核反应中属于裂变反应的是( )
AOnNH
BSiHPn
CUnBaKr+n
DRaRnHe
2.据悉我国第四代反应堆核能系统—钍基熔盐堆核能系统研究已获重要突破。该系统是以钍作为核燃料,钍核Th俘获一个中子后经过两次β衰变可得到核燃料铀233。铀核U的一种典型裂变产物是氪Kr和钡Ba,同时释放出巨大能量。下列说法正确的是( )
A.钍核Th有90个中子,142个质子
B.钍核俘获一个中子后经过两次β衰变的核反应方程是Thn→U
C.产生U的核反应方程是ThU+e
D.铀核裂变反应方程是UnKr+Ba+n
3.核电站是利用反应堆释放出的能量将水变成高温高压的水蒸气来推动汽轮发电机发电的。反应堆的核反应方程式为Un→Xe+X+1n,其中UnXe、X的质量分别为m1、m2、m3、m4,真空中光速为c,以下说法正确的是( )
A.X原子核中含有中子数为52
B.该反应质量亏损Δm=m1-m3-m4
C.该反应释放的能量为(m1-10m2-m3-m4)c2
DU的比结合能大于Xe的比结合能
4.铀核裂变的产物是多样的,一种典型的情形是生成钡和氪,同时放出3个中子,核反应方程是UnBaKr+n,以下说法正确的是( )
A.该反应质量数守恒,没有质量亏损
BU的中子数比Ba的多91个
CU的比结合能比Ba的大
DBa的结合能比Kr的大
题组二 核聚变
5.(多选)下列关于核聚变的说法中,正确的是( )
A.要使核聚变发生,必须克服库仑斥力做功
B.轻核聚变需要几百万开尔文的高温,因此轻核聚变又叫热核反应
C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温,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,在地球内部也可以自发地进行
6.(人教版教材P125T7改编)太阳就是一个巨大的热核反应堆,氢核聚变成氦核的反应不停地进行着,不断地放出能量。太阳的总输出功率约为3.8×1026 W,太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。已知光速为3×108 m/s,估算太阳每秒失去质量的数量级为( )
A.106 kg B.109 kg
C.1012 kg D.1015 kg
7.已知氘核的比结合能为1.1 MeV,氦核的比结合能为7.1 MeV,则两个氘核结合成一个氦核时( )
A.释放出4.9 MeV的能量
B.吸收4.9 MeV的能量
C.吸收24.0 MeV的能量
D.释放出24.0 MeV的能量
8.关于氢的同位素氘和氚的核聚变,其核反应方程为HHHe+X+17.6 MeV,光速c=3.0×108 m/s,则下列说法正确的是( )
A.H的比结合能大于He的比结合能
B.粒子X具有较强的电离能力
C.一个氘核和一个氚核发生核聚变,亏损的质量约为3.1×10-29 kg
D.提升等离子体的密度,在常温常压下也能发生聚变反应
综合提升练
9.(2025·湖北武汉重点高中高二下期末)我国自主研发的“玲珑一号”核反应堆,是全球最小的商用核反应堆,核反应方程为UnBaKr+n+γ,反应产物Ba会发生β衰变。已知核UBaKr和n的质量分别是235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u和1.008 7 u,1 u为1.66×10-27 kg,真空中的光速c=3×108 m/s。则下列说法正确的是 ( )
A.核反应方程中的x=57,y=89
BU核的比结合能小于Ba核的比结合能
CBa的衰变方程为BanXe
D.一个U核裂变放出的核能约为3.2× 10-10 J
10.“嫦娥五号”在月球采集的约2千克月壤中含有地球上鲜有的HeHe是地球上很难得到的清洁、安全和高效的核聚变发电燃料,被科学家们称为“完美能源”。有关He的聚变反应方程如下:
HHHe+X+3.3 MeV;
HeHeHe+2Y+12.86 MeV。
下列说法正确的是( )
A.X为质子,Y为中子
BHe的比结合能比He的比结合能大
C.方程①中,质量亏损约为5.9×10-31 kg
D.方程②中,每个核子平均释放的能量约为2.14 MeV
11.太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应,这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。已知质子质量为mH=1.007 3 u,氦核质量为mHe=4.001 5 u,电子质量为me=0.000 55 u,1 u相当于931.5 MeV的能量,真空中的光速c=3×108 m/s。
(1)写出这个核反应方程;
(2)这一核反应能释放多少能量
(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
培优加强练
12.原子弹和核反应堆都利用了原子核裂变产生的能量。前者可以给人类带来灾难,后者却能用来发电为人类造福。用一个中子轰击U,可发生裂变反应生成Ba和Kr,并释放出几个中子,已知每个中子的质量m1=1.008 u,U的质量m2=235.043 u,Ba的质量m3=140.913 u,Kr的质量m4=91.897 u,质量亏损1 u相当于释放931.5 MeV的能量,光速c=3×108 m/s,铀的摩尔质量为235 g/mol。
(1)请写出上述裂变中的核反应方程;
(2)若某原子弹中有60 kg的U,其中有1.2%发生裂变,真实的裂变情况有很多种,假设发生的都是上述裂变反应,已知阿伏加德罗常数NA=6×1023 mol-1,求这颗原子弹释放的能量(结果保留2位有效数字)。
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第五章 原子核
第5.4节 核裂变和核聚变
学习目标
1.了解核裂变反应及链式反应的条件,并能计算裂变释放的核能。
2.知道裂变反应堆的工作原理及其类型,知道如何控制核反应的速度以及核电站的工作流程。
3.了解核聚变反应及条件,会计算核聚变中释放的核能。
4.了解可控热核反应及其研究和发展。
课前导学
基础知识导学
核裂变的发现
1．核裂变：重核被______轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反应．
2．铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多样的，其中一种典型的裂变是U＋n―→Ba＋Kr＋________.
3．链式反应：由重核裂变产生的中子使核裂变反应________继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应．
4．临界体积和临界质量：把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，相应的质量叫做临界质量．
5．核裂变的能量：1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于________标准煤完全燃烧时释放的化学能．
反应堆与核电站
1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是________，它主要由以下几部分组成：
(1)燃料：________；
(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用____、____和________作慢化剂；
(3)控制棒：为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收____的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些____，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫做控制棒．
(4)水泥防护层：用来____裂变产物放出的各种射线．
2．工作原理：__________释放的能量，使反应区温度升高．
3．能量输出：核燃料____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外________，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．
4．核污染的处理：为避免____对人体的伤害和________对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的______，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的________，需要装入特制的容器，________.
拓展：
铀核裂变的一种核裂变反应方程，生成物是Ba和Kr，铀核裂变的另一种核反应方程：
U＋n→Xe＋Sr＋10n
在这个反应式中，生成物是Xe和Sr.
点睛：
石墨：碳原子
重水：两个氘原子与一个氧原子形成的化合物，D2O分子量20
轻水：普通水，H2O分子量18
图解：
（一）核聚变
核聚变
1．核聚变
(1)定义：两个________结合成质量较大的核的核反应．
(2)典型的核聚变：H＋H→____＋n＋17.6 MeV.
(3)条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到____ m以内，核力才能起作用．由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的________．这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达______开尔文，因此聚变又叫________．
(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是____．需要用______爆炸产生的高温高压引发核爆炸．
(5)太阳能：太阳的主要成分是____，太阳中心温度可达1.6×107K，在此高温下，氢核聚变成氮核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部____释放的核能．
2．受控热核反应
(1)聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高．第二：地球上核聚变燃料的储量丰富．第三：轻核聚变更为安全、清洁．
(2)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温．
(3)控制方法
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____从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应．
知识点探究
知识点一 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。你知道巨大的核能是从哪里来的吗
提示 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.铀核的裂变
(1)铀核受激发:当中子进入铀235后,使核处于激发状态,由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状。
(2)铀核分裂: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。
(3)核能的释放:裂变中比结合能变大,因而释放核能。
(4)常见的裂变方程
UnXeSr+n
UnBaKr+n
3.链式反应
(1)定义:由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程,叫作核裂变的链式反应。
(2)临界体积和临界质量:把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。
(3)条件
①有足够数量的慢中子轰击。
②铀块的体积大于临界体积,或铀块的质量大于临界质量。
4.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全部发生核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。
【思考】
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发生链式反应吗
提示 (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。
角度1 对核裂变的理解
例1 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,所以核子数要减少
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
答案 D
解析 核裂变过程是核能转化为其他形式能的过程,释放的能量远大于俘获中子时得到的能量,A错误;发生链式反应是有条件的,铀块的体积必须大于其临界体积,否则中子从铀块中穿过时,可能碰不到原子核,则不会发生链式反应,B错误;重核裂变时,核子数不变,C错误;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且核子数不变,则重核裂变时,有质量亏损,放出核能,D正确。
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。
角度2 裂变产生核能的计算
例2 用中子轰击铀核U),其中的一个可能反应是分裂成钡Ba)和氪Kr)两部分,放出3个中子。各个核和中子的质量如下(计算结果保留到小数点后两位):
mU=390.313 9×10-27 kg,mn=1.674 9×10-27 kg;mBa=234.001 6×10-27 kg,mKr=152. 604 7×10-27 kg。
(1)试写出该核反应方程;
(2)求出反应中释放的核能;
(3)我国第一座核电站——秦山核电站总装机容量达到650万千瓦,若该核电站中发生的反应为(1)中反应,则秦山核电站一年需要消耗多少千克的铀核U)
答案 (1UnBaKr+n
(2)3.22×10-11 J (3)2.48×103 kg
解析 (1)根据电荷数守恒、质量数守恒可知,核反应方程为UnBaKr+n。
(2)核反应前后的质量亏损
Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=mU-mBa-mKr-2mn=390.313 9×10-27 kg-234.001 6×10-27 kg-152.604 7×10-27 kg-2×1.674 9×10-27 kg=0.357 8×10-27 kg
反应中释放的核能为
ΔE=Δmc2=0.357 8×10-27×(3×108)2 J≈3.22×10-11 J。
(3)秦山核电站一年需要消耗铀核的质量
m=×390.313 9×10-27 kg≈2.48×103 kg。
铀核裂变释放核能的计算
(1)首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm。
(2)根据ΔE=Δmc2计算释放的核能。
(3)若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能,应先算出铀块中有多少个铀核(设为n),则铀块完全裂变释放的核能E=nΔE。
知识点二 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
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,用来屏蔽核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。
【思考】
核电站发电有哪些优点
提示 (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,铀核裂变时会因产物种类不同导致质量亏损不同,释放能量不同,故D错误。
训练 (2025·河北承德月考)统计显示,一座百万千瓦电功率的核电厂和燃煤电厂相比,每年可以减少二氧化碳排放600多万吨,可见核能是减排效应较大的能源之一。下列对于铀235相关的核反应的描述说法正确的是( )
A.铀块的体积越小,越容易发生链式反应
B.发生链式反应的核反应方程为UBa+Kr+n
C.在核反应堆中,中子的速度越快,铀核越容易发生核裂变
D.核反应堆中,在铀棒之间插入一些镉棒,主要是为了调节中子数量,控制反应速度
答案 D
解析 要使链式反应发生,铀块必须达到临界体积,故A错误;只有中子轰击铀核,才能发生裂变反应,其核反应方程为UnBaKr+n,故B错误;在核反应堆中,中子的速度越快,会与铀235“擦肩而过”,铀核越不容易发生核裂变,故C错误;核反应堆中,在铀棒之间插入一些镉棒,可以吸收中子,主要是为了调节中子数量,控制反应速度,故D正确。
知识点三 核聚变
万物生长靠太阳(如图),太阳在我们日常生活中是不可替代的,它提供给地球足够的能源,如果说太阳一旦没有了,那么地球上的一切生物都将随之消失。你知道太阳的能量来源吗
提示 来源于太阳内部的核聚变反应
1.核聚变
(1)定义:两个轻核结合成质量较大的核,并释放出能量的反应。
(2)举例HH→Hen+17.6 MeV。
(3)条件:要使轻核发生聚变,必须使它们的距离达到10-15m 以内,核力才能起作用。由于原子核都带正电,要使它们接近到这种程度,必须克服巨大的库仑斥力,这就要求原子核具有足够的动能。
获得足够动能的办法,就是把它们加热到很高的温度,温度高达几百万开尔文,因此核聚变又叫热核反应。
(4)应用:目前,人工产生的热核反应主要用在核武器上,那就是氢弹,需要用原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
(5)太阳能:太阳的主要成分是氢。太阳的中心温度达1.6×107 K。在这样的高温下,氢核聚变成氦核的反应不停地进行着,太阳能就来自于太阳内部核聚变释放的核能。
2.受控热核反应
(1)核聚变的优点:第一,轻核聚变产能效率高。第二,地球上核聚变燃料氘储量丰富,而氚可以利用锂来制取,足以满足核聚变需要。第三,轻核聚变更为安全、清洁。
(2)核聚变的难点:需要的温度太高,地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。
(3)控制方法
①磁约束:利用磁场来约束参加反应的物质,目前性能最好的一种磁约束装置是环流器。
②惯性约束:核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的物质,使它们“挤”在一起发生反应。
【思考】
发生核聚变需要什么条件
提示 需要足够大的能量使轻核间的距离达到10-15 m。
例4 (2023·天津卷,3)关于太阳上进行的核聚变,下列说法正确的是( )
A.核聚变需要在高温下进行
B.核聚变中电荷不守恒
C.太阳质量不变
D.太阳上进行的核反应为UnBaKr+n
答案 A
解析 因为高温时原子核的热运动剧烈,使得一部分原子核具有足够的动能,可以克服库仑斥力,碰撞时十分接近,发生聚变,故聚变反应也叫热核反应,需要在高温下进行,A正确;由于核反应过程遵循质量数守恒以及电荷数守恒,因此核聚变中电荷数是守恒的,即电荷也是守恒的,B错误;轻核聚变释放出巨大的能量,由爱因斯坦质能方程可知核聚变存在质量亏损,所以太阳进行核聚变时,其质量减小,C错误;太阳上进行的是核聚变,而UnBa+Kr+n是重核的裂变反应,D错误。
例5 (2024·浙江1月选考)已知氘核质量为2.014 1 u,氚核质量为3.016 1 u,氦核质量为4.002 6 u,中子质量为1.008 7 u,阿伏加德罗常数NA取6.0×1023 mol-1,氘核摩尔质量为2 g·mol-1,1 u相当于931.5 MeV。关于氘与氚聚变成氦,下列说法正确的是( )
A.核反应方程式为HHHen
B.氘核的比结合能比氦核的大
C.氘核与氚核的间距达到10-10 m就能发生核聚变
D.4 g氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025 MeV
答案 D
解析 核反应方程式为HHHen,故A错误;氘核的比结合能比氦核的小,故B错误;氘核若与氚核发生核聚变,它们间的距离必须达到10-15 m以内,故C错误;一个氘核与一个氚核聚变反应质量亏损Δm=(2.014 1+3.016 1-4.002 6-1.008 7) u=0.018 9 u,聚变反应释放的能量是ΔE=Δm×931.5 MeV≈17.6 MeV,4 g氘完全参与聚变释放出能量E=×6×1023×ΔE≈2.11×1025 MeV,数量级为1025 MeV,故D正确。
随堂对点自测
1.(反应堆与核电站)如图是慢中子反应堆的示意图,对该反应堆,下列说法正确的是( )
A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B.快中子跟慢化剂的原子核碰撞后的能量减少,变成慢中子,慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C.控制棒由镉做成,当反应过于激烈时,使控制棒插入浅一些,让它少吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些
D.要使裂变反应更激烈一些,应使控制棒插入深一些,使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子,链式反应的速度就会快一些
答案 B
解析 快中子容易与铀235擦肩而过,快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少,变成慢中子,慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应,故选项B正确,A错误;控制棒由镉做成,镉吸收中子的能力很强,当反应过于激烈时,使控制棒插入深一些,让它多吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些,故选项C、D错误。
2.(核聚变)(2023·湖南卷,1)2023年4月13日,中国“人造太阳”反应堆中科院环流器装置(EAST)创下新纪录,实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行,为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步,下列关于核反应的说法正确的是( )
A.相同质量的核燃料,轻核聚变比重核裂变释放的核能更多
B.氘氚核聚变的核反应方程为HHHee
C.核聚变的核反应燃料主要是铀235
D.核聚变反应过程中没有质量亏损
答案 A
解析 相同质量的核燃料,轻核聚变要比重核裂变质量亏损更多,根据爱因斯坦质能方程可知,轻核聚变放出的核能更多,A正确,D错误;根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒可知,氘氚核聚变的产物之一为中子,而不是电子,B错误;铀235为核裂变的主要燃料,C错误。
3.(重核裂变)铀原子核既可发生衰变,也可发生裂变。其衰变方程为UTh+X,裂变方程为Un→YKr+n,其中Un、YKr的质量分别为m1、m2、m3、m4,光在真空中的传播速度为c。下列叙述正确的是( )
A.U发生的是β衰变
B.Y原子核中含有56个中子
C.若提高温度U的半衰期将会变小
DU裂变时释放的能量为(m1-2m2-m3-m4)c2
答案 D
解析 根据核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒,知X为氦原子核,故U发生的是α衰变,A错误;Y的质量数A=235+1-89-3=144,电荷数Z=92-36=56,由原子核的组成可知,Y原子核中含有56个质子,中子数为144-56=88,B错误;半衰期与温度、压强等外界因素无关,C错误;由于核裂变的过程中释放能量,根据爱因斯坦质能方程得ΔE=Δmc2=(m1-2m2-m3-m4)c2,D正确。
课后巩固训练
对点题组练
题组一 核裂变的发现 反应堆与核电站
1.下列核反应中属于裂变反应的是( )
AOnNH
BSiHPn
CUnBaKr+n
DRaRnHe
答案 C
解析 核裂变反应是指重核在粒子的轰击后变成两个中等质量的核并释放能量的反应O和Si都不是重核,故A、B错误UnBaKr+n是重核的裂变,故C正确RaRnHe是原子核的衰变,不是裂变,故D错误。
2.据悉我国第四代反应堆核能系统—钍基熔盐堆核能系统研究已获重要突破。该系统是以钍作为核燃料,钍核Th俘获一个中子后经过两次β衰变可得到核燃料铀233。铀核U的一种典型裂变产物是氪Kr和钡Ba,同时释放出巨大能量。下列说法正确的是( )
A.钍核Th有90个中子,142个质子
B.钍核俘获一个中子后经过两次β衰变的核反应方程是Thn→U
C.产生U的核反应方程是ThU+e
D.铀核裂变反应方程是UnKr+Ba+n
答案 D
解析 钍核Th有90个质子,232-90=142个中子,A错误;钍核俘获一个中子后经过两次β衰变的核反应方程是ThnU+e,故B、C错误;根据质量数守恒与电荷数守恒可知,铀核裂变的核反应方程为UnKrBa+n,D正确。
3.核电站是利用反应堆释放出的能量将水变成高温高压的水蒸气来推动汽轮发电机发电的。反应堆的核反应方程式为Un→Xe+X+1n,其中UnXe、X的质量分别为m1、m2、m3、m4,真空中光速为c,以下说法正确的是( )
A.X原子核中含有中子数为52
B.该反应质量亏损Δm=m1-m3-m4
C.该反应释放的能量为(m1-10m2-m3-m4)c2
DU的比结合能大于Xe的比结合能
答案 A
解析 根据质量数守恒和电荷数守恒可得X的质量数为A=235+1-136-10=90,电荷数为Z=92-54=38,所以X的中子数为90-38=52,故A正确;质量亏损Δm=m1-9m2-m3-m4,根据质能方程可得释放的核能为(m1-9m2-m3-m4)c2,故B、C错误;比结合能越大原子核越稳定,由于核反应的过程中释放热量,生成物比反应物更稳定,则U的比结合能小于Xe的比结合能,故D错误。
4.铀核裂变的产物是多样的,一种典型的情形是生成钡和氪,同时放出3个中子,核反应方程是UnBaKr+n,以下说法正确的是( )
A.该反应质量数守恒,没有质量亏损
BU的中子数比Ba的多91个
CU的比结合能比Ba的大
DBa的结合能比Kr的大
答案 D
解析 核反应中质量数守恒,但此反应释放核能,有质量亏损,故A错误;U的中子数为143,Ba的中子数为88,中子数相差55,故B错误;重核裂变生成物的原子核更稳定,比结合能更大,故C错误;核子数越多,结合能越大,故D正确。
题组二 核聚变
5.(多选)下列关于核聚变的说法中,正确的是( )
A.要使核聚变发生,必须克服库仑斥力做功
B.轻核聚变需要几百万开尔文的高温,因此轻核聚变又叫热核反应
C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温,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,在地球内部也可以自发地进行
答案 ABC
解析 轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15 m,所以必须克服库仑斥力做功,故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,原子核必须处在几百万开尔文的高温下才有这样的能量,这样高的温度能够通过原子弹爆炸获得,故B、C正确;在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应,但在地球内部不会自发地进行,故D错误。
6.(人教版教材P125T7改编)太阳就是一个巨大的热核反应堆,氢核聚变成氦核的反应不停地进行着,不断地放出能量。太阳的总输出功率约为3.8×1026 W,太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。已知光速为3×108 m/s,估算太阳每秒失去质量的数量级为( )
A.106 kg B.109 kg
C.1012 kg D.1015 kg
答案 B
解析 由爱因斯坦质能方程E=mc2,结合功率公式P=,可得m= kg≈4.2×109 kg,B正确。
7.已知氘核的比结合能为1.1 MeV,氦核的比结合能为7.1 MeV,则两个氘核结合成一个氦核时( )
A.释放出4.9 MeV的能量
B.吸收4.9 MeV的能量
C.吸收24.0 MeV的能量
D.释放出24.0 MeV的能量
答案 D
解析 两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为HHe+γ,2个H的总结合能为E1=1.1×4 MeV=4.4 MeV,反应后生成的氦核的结合能为E2=7.1×4 MeV=28.4 MeV,所以反应过程释放的核能ΔE=E2-E1=28.4 MeV-4.4 MeV=24.0 MeV,故A、B、C错误,D正确。
8.关于氢的同位素氘和氚的核聚变,其核反应方程为HHHe+X+17.6 MeV,光速c=3.0×108 m/s,则下列说法正确的是( )
A.H的比结合能大于He的比结合能
B.粒子X具有较强的电离能力
C.一个氘核和一个氚核发生核聚变,亏损的质量约为3.1×10-29 kg
D.提升等离子体的密度,在常温常压下也能发生聚变反应
答案 C
解析 H和H聚变为He会放出能量,可知生成核比反应核更加稳定,即H的比结合能小于He的比结合能,故A错误;根据电荷数和质量数守恒可知,此反应中X的电荷数为0,质量数为1,即粒子是中子,中子的穿透能力强,电离能力弱,故B错误;根据质能方程有ΔE=Δmc2,则一个氘核和一个氚核发生核聚变,亏损的质量为Δm= kg≈3.1×10-29 kg,故C正确;目前轻核聚变只能在高温高压的环境下进行,故D错误。
综合提升练
9.(2025·湖北武汉重点高中高二下期末)我国自主研发的“玲珑一号”核反应堆,是全球最小的商用核反应堆,核反应方程为UnBaKr+n+γ,反应产物Ba会发生β衰变。已知核UBaKr和n的质量分别是235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u和1.008 7 u,1 u为1.66×10-27 kg,真空中的光速c=3×108 m/s。则下列说法正确的是 ( )
A.核反应方程中的x=57,y=89
BU核的比结合能小于Ba核的比结合能
CBa的衰变方程为BanXe
D.一个U核裂变放出的核能约为3.2× 10-10 J
答案 B
解析 根据质量数守恒和电荷数守恒可知核反应方程中的x=56,y=92,故A错误;核反应的生成物比反应物更稳定,而比结合能越大原子核越稳定,可知U核的比结合能小于Ba核的比结合能,故B正确;根据题意可知Ba会发生β衰变,因此其衰变方程为Ba→Xe,故C错误;根据爱因斯坦的质能方程有ΔE=Δmc2=(235.043 9 u+1.008 7 u-140.913 9 u-91.897 3 u-3×1.008 7 u)c2,解得ΔE≈3.2×10-11 J,故D错误。
10.“嫦娥五号”在月球采集的约2千克月壤中含有地球上鲜有的HeHe是地球上很难得到的清洁、安全和高效的核聚变发电燃料,被科学家们称为“完美能源”。有关He的聚变反应方程如下:
HHHe+X+3.3 MeV;
HeHeHe+2Y+12.86 MeV。
下列说法正确的是( )
A.X为质子,Y为中子
BHe的比结合能比He的比结合能大
C.方程①中,质量亏损约为5.9×10-31 kg
D.方程②中,每个核子平均释放的能量约为2.14 MeV
答案 D
解析 根据质量数守恒和电荷数守恒可得,X为中子n),Y为质子H),A错误;由方程②可知,由于该核反应释放出核能,所以生成物比反应物更稳定,比结合能更大,故He的比结合能比He的比结合能大,B错误;根据质能方程ΔE=Δmc2可得,方程①中质量亏损Δm== kg=5.9×10-30 kg,C错误;方程②中,每个He含有三个核子,所以平均每个核子释放的能量约为E= MeV=2.14 MeV,D正确。
11.太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应,这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。已知质子质量为mH=1.007 3 u,氦核质量为mHe=4.001 5 u,电子质量为me=0.000 55 u,1 u相当于931.5 MeV的能量,真空中的光速c=3×108 m/s。
(1)写出这个核反应方程;
(2)这一核反应能释放多少能量
(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 (1)HHe+e (2)24.78 MeV
(3)4.22×109 kg
解析 (1)由题意可得核反应方程应为
HHe+e。
(2)反应前后质量亏损
Δm=4mH-mHe-2me=0.026 6 u
由质能方程得,释放能量
ΔE=0.026 6×931.5 MeV=24.78 MeV。
(3)由质能方程ΔE=Δmc2得太阳每秒减少的质量
Δm'== kg=4.22×109 kg。
培优加强练
12.原子弹和核反应堆都利用了原子核裂变产生的能量。前者可以给人类带来灾难,后者却能用来发电为人类造福。用一个中子轰击U,可发生裂变反应生成Ba和Kr,并释放出几个中子,已知每个中子的质量m1=1.008 u,U的质量m2=235.043 u,Ba的质量m3=140.913 u,Kr的质量m4=91.897 u,质量亏损1 u相当于释放931.5 MeV的能量,光速c=3×108 m/s,铀的摩尔质量为235 g/mol。
(1)请写出上述裂变中的核反应方程;
(2)若某原子弹中有60 kg的U,其中有1.2%发生裂变,真实的裂变情况有很多种,假设发生的都是上述裂变反应,已知阿伏加德罗常数NA=6×1023 mol-1,求这颗原子弹释放的能量(结果保留2位有效数字)。
答案 (1)UnBaKr+n
(2)3.7×1026 MeV
解析 (1)由质量数和电荷数守恒可得该核反应方程为UnBaKr+n。
(2)一个U发生裂变反应质量损失
Δm=m2+m1-m3-m4-3m1=0.217 u
可以求出释放能量为
ΔE=Δm×931.5 MeV≈202 MeV
这颗原子弹中发生裂变的铀235的质量为
m=60 kg×1.2%=0.72 kg=720 g
铀235的摩尔质量M为235 g/mol
所以E总=NAΔE
代入数据得E总≈3.7×1026 MeV。
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