19.6-19.8核裂变 核聚变 粒子和宇宙 同步学案

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19.6　核裂变 19.7　核聚变 19.8　粒子和宇宙
【学习目标】
1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.
2.掌握核聚变的定义及发生条件.
3.会判断和书写核裂变、核聚变方程，能计算核反应释放的能量.
【知识探究】
一、核裂变和链式反应
[导学探究]　(1)铀核裂变是如何发生的？
　
　
(2)铀核裂变在自然界中能自发进行吗？
　
　
　
[知识梳理]　对核裂变和链式反应的理解
(1)核裂变
重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的__________，并放出________的过程.
(2)铀核裂变
用________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＋________→Ba＋Kr＋________.
(3)链式反应
由重核裂变产生的________使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应.
(4)链式反应的条件
①铀块的体积________或等于临界体积或铀块的质量________或等于临界质量.
②有足够数量的______中子.
[即学即用]　铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是(　　)
A.铀块的质量是重要因素，与体积无关
B.为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子
C.若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生
D.能否发生链式反应与铀的质量无关
二、核电站
[知识梳理]　核反应堆的结构及核电站的认识
(1)核电站是利用核能发电，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________、重水或普通水作慢化剂；
③控制棒：采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉____________的能力很强的特性，控制链式反应的速度.21世纪教育网版权所有
(2)工作原理
核燃料________释放能量，使反应区温度升高.
(3)能量输出
利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外__________，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.21·cn·jy·com
(4)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，____________.21*cnjy*com
[即学即用]　核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是(　　)
A.原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统
B.原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统
C.原子燃料、调速剂、碰撞系统和热系统
D.原子燃料、中子源、原子能聚存和输送系统
三、核聚变
[导学探究]　(1)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？
　
　
　
(2)目前人们实现的核聚变是什么？实现热核反应存在的困难是什么？如何实现对热核反应的控制？
　
　
　
[知识梳理]　对核聚变的认识
(1)聚变
两个轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为核聚变，聚变反应又称为热核反应.
(2)聚变方程：
H＋H―→He＋n＋17.6 MeV.
(3)聚变发生的条件
要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离________ m，这要克服电荷间强大的库仑力作用，要求使轻核具有足够大的动能.要使原子核具有足够大的动能，有一种方法就是给它们________，使物质达到几百万开尔文以上的高温.www.21-cn-jy.com
[即学即用]　(多选)下列关于聚变的说法中，正确的是(　　)
A.要使聚变产生，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，因此聚变又叫做热核反应
C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应
D.太阳和许多恒星内部都在进行着剧烈的热核反应，在地球内部也可自发地进行
四、粒子和宇宙
[导学探究]　强子和夸克的关系是怎样的？夸克分多少种？它的带电性是怎样的？什么是夸克的“禁闭”？
　
　
　
[知识梳理]　对粒子和宇宙的理解
(1)“基本粒子”不基本
①直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来人们发现了光子、电子、________、________，并把它们叫做“基本粒子”.
②随着科学的发展，科学们发现了很多的新粒子并不是由以上____________组成的，并发现________、________等本身也有复杂结构.
(2)发现新粒子
①新粒子：1932年发现了________，1937年发现了________，1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等.
②粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：________、________和__________.
(3)夸克模型的提出
1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由________构成的.
[即学即用]　目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的.u夸克带电荷量为e，d夸克的带电荷量为－e，e为元电荷，下列说法中可能正确的是(　　)
A.质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成
B.质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成
C.质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成
D.质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成
【典例精析】
一、重核裂变的理解及核能的计算
例1　关于重核的裂变，下列说法正确的是(　　)
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的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少
D.重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
归纳总结
重核裂变的实质：
(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，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，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能比中等质量的核的比结合能要小.所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量(但核子数守恒)，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量.
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：
mU＝390.313 910－27 kg，mn＝1.674 910－27 kg；
mBa＝234.001 610－27 kg，mKr＝152.604 710－27 kg.
试写出核反应方程，求出反应中释放的核能.
　
　
　
　
总结提升
铀核裂变释放核能的计算
(1)首先算出裂变反应中的质量亏损Δm.
(2)根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能
计算时要注意Δm与ΔE单位的对应关系：若Δm用kg做单位，则ΔE用J做单位；若Δm用u做单位，则ΔE用MeV做单位，1 u相当于931.5 MeV的能量.21cnjy.com
(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)，则铀块裂变释放的核能E＝nΔE.
二、轻核聚变的理解及核能的计算
例3　(多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试.下列关于“人造太阳”的说法正确的是(　　)
A.“人造太阳”的核反应方程是H＋H→He＋n
B.“人造太阳”的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n
C.根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多
D.根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同
例4　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.(计算结果在小数点后保留两位小数，1 u相当于931.5 MeV的能量)www-2-1-cnjy-com
(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3.81026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？(已知质子质量为mH＝1.007 3 u，氦核质量为mHe＝4.001 5 u，正电子质量为me＝0.000 55 u)
　
　
　
总结提升
重核裂变与轻核聚变的区别
　　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
燃料储量情况 聚变燃料储量丰富
核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多
【达标检测】
1.一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应的裂变方程为U＋n→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是(　　)2·1·c·n·j·y
A.X原子核中含有86个中子
B.X原子核中含有141个核子
C.因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，所以裂变后的总质量数增加
D.因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少
2.一个铀235吸收一个中子后发生的一种核反应方程是U＋n→Xe＋Sr＋10n，放出的能量为E，铀235核的质量为M，中子的质量为m，氙136核的质量为m1，锶90核的质量为m2，真空中光速为c，则释放的能量E等于(　　)【来源：21·世纪·教育·网】
A.(M－m1－m2)c2
B.(M＋m－m1－m2)c2
C.(M－m1－m2－9m)c2
D.(m1＋m2＋9m－M)c2
3.某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为H＋C→N＋Q1，H＋N→C＋X＋Q2.方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：
原子核 H He He C N N
质量/u 1.007 8 3.016 0 4.002 6 12.000 0 13.005 7 15.000 1
以下推断正确的是(　　)
A.X是He，Q2 ＞Q1 B.X是He，Q2 ＞Q1
C.X是He，Q2 ＜Q1 D.X是He，Q2 ＜Q1
4.一个氘核(H)和一个氚核(H)结合成一个氦核(He)，同时放出一个中子，已知氘核质量为m1＝2.014 1 u，氚核质量为m2＝3.016 0 u，氦核质量为m3＝4.002 6 u，中子质量为m4＝1.008 665 u,1 u相当于931.5 MeV的能量，求：2-1-c-n-j-y
(1)写出聚变的核反应方程；
(2)此反应过程中释放的能量为多少？平均每个核子释放出多少核能？(结果在小数点后保留一位小数)
　
　
　
　
　
　
答案精析
知识探究
一、
导学探究　(1)铀核的裂变
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，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应.21教育网
(2)重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自发地发生.铀核裂变不会自发地进行，要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这些中子继续与其他铀核发生反应，再引起新的裂变，这样就形成了链式反应.
知识梳理　(1)新原子核　核能　(2)中子　n　3n　(3)中子　(4)①大于　大于　②慢
即学即用　C　[要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量，只要组成铀块的体积小于临界体积或质量小于临界质量就不会产生链式反应，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变，如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积时则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确.]【出处：21教育名师】
二、
知识梳理　(1)反应堆　①铀棒　②石墨　③吸收中子　(2)裂变　(3)循环流动　(4)水泥层　放射性　深埋地下21*cnjy*com
即学即用　A　[核反应堆的主要部分包括：①燃料，即浓缩铀235；②慢化剂，采用石墨、重水或普通水；③控制棒，控制链式反应的速度；④冷却系统，水或液态钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆的热量传输出去用于发电，故A正确，B、C、D错.]
三、
导学探究　(1)轻核的聚变反应，是较轻的核子聚合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间接近到发生相互作用的距离，约为10－15 m；同时由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度.
(2)①目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸，是由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核反应，但这是不可控制的.
②实现热核反应存在的困难是：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温.
③可能实现对热核反应的控制方法：
磁约束：利用磁场来约束参与反应的物质.环流器是目前性能最好的一种磁约束装置.
惯性约束：利用强激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应.
知识梳理　(3)10－15　加热
即学即用　ABC　[轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，故必须克服库仑斥力做功，A正确；要克服核子间作用力做功，必须使反应的原子核有足够大的动能，方法就是将其加热到几百万开尔文的高温，B正确；热核反应必须在几百万开尔文的高温下进行，这样高的温度可利用原子弹爆炸释放的能量获得，C正确；在太阳和许多恒星内部都存在热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错.]【来源：21cnj*y.co*m】
四、
导学探究　夸克是强子的基本组成成分；夸克有6种：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷分别为元电荷为＋或－；每种夸克都有对应的反夸克；夸克不能以自由的状态单个出现的性质，叫夸克的“禁闭”.21教育名师原创作品
知识梳理　(1)①质子　中子　②基本粒子　质子　中子
(2)①正电子　μ子　②强子　轻子　媒介子　(3)夸克
即学即用　B　[质子H带电荷量为2e＋＝e，中子n带电荷量为e＋2＝0.可见B正确.]
典例精析
例1　D　[核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A错误，D正确.发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于或等于临界体积，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，核子数守恒，C错误.]
例2　n＋U―→Ba＋Kr＋3n　3.220 210－11 J
解析　根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒，就可以写出核反应方程.
根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能.
铀核裂变方程为n＋U―→Ba＋Kr＋3n，
则核反应前后的质量亏损为
Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝3.57810－28 kg.
由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为
ΔE＝Δmc2＝3.57810－28(3108)2 J＝3.220 210－11 J.
例3　AC　[H＋H→He＋n是氢核聚变方程，故A项正确；根据氢核聚变特点，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确.]21·世纪*教育网
例4　(1)4H→He＋2e　(2)24.78 MeV
(3)4.22109 kg
解析　(1)由题意可得核反应方程为
4H→He＋2e.
(2)反应前的质量m1＝4mH＝41.007 3 u＝4.029 2 u，反应后的质量m2＝mHe＋2me＝4.001 5 u＋20.000 55 u＝【版权所有：21教育】
4.002 6 u，Δm＝m1－m2＝0.026 6 u，由质能方程得，释放能量ΔE＝Δmc2＝0.026 6931.5 MeV≈24.78 MeV.
(3)由质能方程ΔE＝Δmc2得太阳每秒减少的质量
Δm＝＝ kg≈4.22109 kg.
达标检测
1.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错误.]
2.C　[铀235裂变时的质量亏损：Δm＝M＋m－m1－m2－10m＝M－m1－m2－9m，由质能方程可得E＝Δmc2＝(M－9m－m1－m2)c2.]
3.B　[由核反应过程必须遵守质量数守恒和电荷数守恒知X是He.放出热量分别为Q1和Q2的两个核反应中质量亏损分别为0.002 1 u和0.005 3 u，故Q2＞Q1.]
4.(1)H＋H→He＋n
(2)17.5 MeV　3.5 MeV
解析　(1)核反应方程为H＋H→He＋n.
(2)此反应过程的质量亏损为
Δm＝2.014 1 u＋3.016 0 u－4.002 6 u－1.008 665 u＝0.018 835 u，
ΔE＝Δmc2＝0.018 835931.5 MeV≈17.5 MeV.
平均每个核子释放的核能为 MeV＝3.5 MeV.
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