2018—2019学年高中物理教科版选修3-5课件：第三章原子核3.6核聚变:53张PPT
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| 名称 | 2018—2019学年高中物理教科版选修3-5课件：第三章原子核3.6核聚变:53张PPT |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 990.9KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 教科版 | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2018-10-03 15:07:23 | ||
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文档简介
课件53张PPT。6
核 聚 变一、核聚变
1.核聚变:轻原子核聚合成_____原子核的反应称为
聚变反应,简称核聚变。
2.轻核聚变必须在高温下进行,因此核聚变又叫
_________。
3.核反应举例: 较重热核反应4.聚变与裂变相比有很多优点:
(1)轻核聚变产能_______。
(2)地球上聚变燃料的储量_____。
(3)轻核聚变更为___________。效率高丰富安全、清洁5.热核反应:实际举例
(1)氢弹的原理。
(2)太阳内部核聚变释放核能。二、可控核聚变反应研究的进展
1.我们把_________情况下释放能量的装置,称为
___________。
2.一种被称作_________受控热核反应的研究领先于
其他途径。
3.近年来的重大突破是将_________成功地应用于
产生_______________的线圈上。受控聚变聚变反应堆托卡马克超导技术托卡马克强磁场【判一判】
(1)用加速器给氘核加速,很容易发生聚变反
应。 ( )
(2)托卡马克是利用电磁感应产生的大电流对等离子
体加热的。 ( )
(3)目前,人类已经实现了受控热核聚变。 ( )提示:(1)用加速器给氘核加速,加速了的氘( H)核打在
氚( H)核的固体靶上,大部分能量会消耗在与电子的碰
撞上,发生聚变的概率非常小,(1)错。
(2)托卡马克是用电磁感应产生的大电流对等离子进行
加热,从而实现等离子体核燃料的“点火”,(2)对。
(3)目前,受控热核聚变还处在研究阶段,(3)错。三、恒星演化中的核反应
1.引力坍缩:由于物质间_________而聚集到一起的
现象。
2.供太阳发生核聚变过程的燃料是___。太阳内部核
聚变的反应方程式为_______________。 相互吸引氢知识点一、核聚变与恒星的演化
思考探究:
如图是1967年6月17日,我国第一颗氢弹
爆炸成功的图片资料,请思考以下问题:
(1)氢弹的威力相比原子弹的威力哪一个大?
(2)氢弹爆炸过程中的核反应是如何进行的?【归纳总结】
1.从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应。
例如,2.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10-15m,这要克服电荷间强大的斥力作用,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,就要给它们加热,使物质达到几百万开尔文的高温。3. 4.恒星的演化:【典例探究】
【典例】核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可
靠、无环境污染等优势的新能源。近年来,受控核聚变
的科学可行性已得到验证,目前正在突破关键技术,最
终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是
由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成
氦,并释放一个中子。若已知氘原子的质量为2.014u,氚原子的质量为3.016 0u,氦原子的质量为4.0026u,中子的质量为1.008 7u,1u=1.66×10-27kg。
(1)写出氘和氚聚合的反应方程。
(2)试计算这个核反应释放出来的能量。
(3)若建一座功率为3.0×105kW的核聚变电站,假设聚变所产生的能量有一半变成了电能,每年要消耗多少质量的氘?(一年按3.2×107s计算,光速c=3.00×108m/s,结果取两位有效数字)【思路点拨】解答该题应关注以下三点:
(1)根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程。
(2)由爱因斯坦质能方程求解释放的能量。
(3)由功率的意义求一年内核反应次数。 【正确解答】(1)根据质量数和电荷数守恒,可得核
反应方程为 (2)质量亏损
Δm=m2+m3-m4-m1
=(2.014+3.016 0-4.002 6-1.008 7)u
=0.018 7×1.66×10-27kg
=3.104 2×10-29kg
根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2
核反应释放的核能
ΔE=Δmc2=3.104 2×10-29×(3×108)2J=2.8×10-12J(3)一年中产生的电能发生的核反应次数为n=
所需氘的质量m=n×m2×1.66×10-27kg=23kg.
答案:(1)
(2)2.8×10-12J (3)23kg【总结提升】轻核聚变释放核能的计算
(1)正确书写核反应方程式是解题的前提。
书写核反应方程式时,要明确反应物和生成物,并注意它们的元素符号,特别是同位素,不要忘记根据质量数守恒与电荷数守恒配平方程式。(2)核能计算式要选取正确的单位。
在利用ΔE=Δmc2进行计算时,若Δm取kg为单位,则c的单位为m/s;若质量单位用原子质量单位u,则要利用1u相当于931.5MeV计算核能。 【补偿训练】
一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.0073u,中子质量mn=1.0087u,氚核质量m=3.0180u.
(1)写出聚变方程.
(2)求释放出的核能多大.
(3)求平均每个核子释放的能量是多大.【解析】(1)聚变方程
(2)质量亏损Δm=mH+2mn-m=(1.0073+2×1.0087-
3.0180)u=0.0067u,释放的核能ΔE=Δmc2=0.0067×931.5MeV≈6.24MeV。
(3)平均每个核子放出的能量为 MeV=2.08MeV.
答案:(1) (2)6.24MeV
(3)2.08MeV 【过关训练】
氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量,
该反应方程为: ,式中x是某种粒子。
已知: 和粒子x的质量分别为2.014 1 u、
3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u;1 u=
c是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知,粒子x
是____,该反应释放出的能量为____MeV(结果保留3位
有效数字)。【解析】根据质量数和电荷数守恒可得x是
(中子)。核反应中的质量亏损为
Δm=(2.014 1 u+3.016 1 u-4.002 6 u-1.008 7 u)
=0.018 9 u
所以该反应释放出的能量为ΔE=Δm·c2=17.6 MeV
答案:(1) (或中子) 17.6知识点二、可控核聚变反应的研究进展
思考探究:
如图描述的是我国第一颗氢弹爆炸
成功的消息传出后,人们欢呼庆祝
的场景,请思考以下问题:
(1)氢弹爆炸时,核能释放的速度应该快还是慢?
(2)目前,人们能否有效地控制核聚变的速度?【归纳总结】
1.核子聚变的条件:
要使核子发生聚变,必须使核子接近核力能发生作用的范围。
2.聚变反应堆:受控聚变情况下释放能量的装置。3.聚变反应堆研究进展:
(1)托卡马克受控热核反应的研究领先于其他途径。
(2)环流器:托卡马克是一种环形磁约束受控热核反应装置。(3)环流器原理:在这种装置中,等离子体被不同方向的磁场约束在一个环管状的金属反应室中,用电磁感应产生的大电流对等离子体进行加热,从而实现等离子体热核燃料的“点火”。
(4)超导托卡马克:将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上制成。4.核聚变是一种安全、不产生放射性物质、原料成本低廉的能源,是人类未来能源的希望。【典例探究】
【典例】(2016·全国卷Ⅱ)在下列描述的核过程的方程中,属于α衰变的是________,属于β衰变的是________,属于裂变的是________,属于聚变的是________。【正确解答】原子核发生α衰变会产生一个新核和
,所以选项C是α衰变;原子核发生β衰变会产
生一个新核和 ,所以A、B选项为β衰变;重核被轰击后,发生裂变会产生几个质量差不多的新核,所以选项E为裂变;两个轻核结合成质量较大的核的核反应,为核聚变,所以选项F为核聚变。
答案:C A、B E F【过关训练】
(多选)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 ( )【解析】选A、C。两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应,故A对B错。重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应,故C对。原子核放出α或β粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变。原子核的衰变的反应物只有一种,故D错。【补偿训练】
我国自行设计、研制的“人造太阳”装置——全超导非圆截面核聚变实验装置(EAST)成为世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的核聚变实验装置.它的建成使我国迈入磁约束核聚变领域先进国家行列.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
B.“人造太阳”的核反应方程是
C.“人造太阳”核能大小的计算公式是E= mc2
D.“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE=Δmc2【解析】选B、D.“人造太阳”内进行的是核聚变反应,故A错误,B正确.核反应放出的能量应由爱因斯坦质能方程计算,C错误,D正确.【温馨提示】轻核发生聚变反应时,同样满足能量守恒和动量守恒,因此聚变反应经常与能量、动量结合起来进行考查。 【拓展例题】考查内容:能量守恒与轻核聚变反应的
综合应用
两个动能均为1 MeV的氘核发生正面碰撞,引起如下
反应: 已知:氘核的质量为2.013 6 u,
氚核的质量为3.015 6 u,氢核的质量为1.007 3 u,1
原子质量单位(u)相当于931.5 MeV.试求(1)此核反应中放出的能量ΔE为多少MeV?
(2)若放出的能量全部变为新生核的动能,则新生的氢核所具有的动能为多少MeV?【思路点拨】氘核碰撞过程动量守恒,找到新生核的动能与其动量的关系,进而找到两新生核动能之间的关系.【正确解答】(1)由质能方程,核反应中放出的能量为:
ΔE=Δm×931.5MeV=(2×2.013 6 u-3.015 6 u-
1.007 3 u)×931.5 MeV=4.005 MeV.(2)相互作用过程中动量守恒p1=p2
新生的氚核的动能:
新生的氢核的动能:
由能量守恒得:2Ek+ΔE=
代入数据得新生的氢核的动能: =4.5 MeV
答案:(1)4.005 MeV (2)4.5 MeV轻核聚变与重核裂变的区别 【案例展示】下面关于原子核的裂变和聚变的说法,正确的是 ( )
A.重核裂变和轻核聚变都放出核能,但地球上裂变材料比聚变材料丰富得多
B.目前人类建成的核电站全部是利用重核裂变放出的能量来发电的C.要使轻原子核发生聚变,必须使它们之间的距离至少接近到10-10m
D.太阳发出的光和热主要来自太阳内部原子核的聚变反应【正确解答】选B、D。裂变的材料是铀,在地球上储量有限,而聚变的主要原料是氘,在地球上储量非常丰富,1L海水中大约有0.03g氘,A错误;目前人们还不能有效地控制聚变的速度,核电站全部是利用重核裂变放出的能量来发电的,B正确;要发生聚变必须使轻核进入到核力的作用范围(10-15m)内,C错误;太阳的光和热来自于原子核的聚变反应,D正确.【易错分析】本题易错选项及错误原因分析如下:
核 聚 变一、核聚变
1.核聚变:轻原子核聚合成_____原子核的反应称为
聚变反应,简称核聚变。
2.轻核聚变必须在高温下进行,因此核聚变又叫
_________。
3.核反应举例: 较重热核反应4.聚变与裂变相比有很多优点:
(1)轻核聚变产能_______。
(2)地球上聚变燃料的储量_____。
(3)轻核聚变更为___________。效率高丰富安全、清洁5.热核反应:实际举例
(1)氢弹的原理。
(2)太阳内部核聚变释放核能。二、可控核聚变反应研究的进展
1.我们把_________情况下释放能量的装置,称为
___________。
2.一种被称作_________受控热核反应的研究领先于
其他途径。
3.近年来的重大突破是将_________成功地应用于
产生_______________的线圈上。受控聚变聚变反应堆托卡马克超导技术托卡马克强磁场【判一判】
(1)用加速器给氘核加速,很容易发生聚变反
应。 ( )
(2)托卡马克是利用电磁感应产生的大电流对等离子
体加热的。 ( )
(3)目前,人类已经实现了受控热核聚变。 ( )提示:(1)用加速器给氘核加速,加速了的氘( H)核打在
氚( H)核的固体靶上,大部分能量会消耗在与电子的碰
撞上,发生聚变的概率非常小,(1)错。
(2)托卡马克是用电磁感应产生的大电流对等离子进行
加热,从而实现等离子体核燃料的“点火”,(2)对。
(3)目前,受控热核聚变还处在研究阶段,(3)错。三、恒星演化中的核反应
1.引力坍缩:由于物质间_________而聚集到一起的
现象。
2.供太阳发生核聚变过程的燃料是___。太阳内部核
聚变的反应方程式为_______________。 相互吸引氢知识点一、核聚变与恒星的演化
思考探究:
如图是1967年6月17日,我国第一颗氢弹
爆炸成功的图片资料,请思考以下问题:
(1)氢弹的威力相比原子弹的威力哪一个大?
(2)氢弹爆炸过程中的核反应是如何进行的?【归纳总结】
1.从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应。
例如,2.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10-15m,这要克服电荷间强大的斥力作用,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,就要给它们加热,使物质达到几百万开尔文的高温。3. 4.恒星的演化:【典例探究】
【典例】核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可
靠、无环境污染等优势的新能源。近年来,受控核聚变
的科学可行性已得到验证,目前正在突破关键技术,最
终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是
由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成
氦,并释放一个中子。若已知氘原子的质量为2.014u,氚原子的质量为3.016 0u,氦原子的质量为4.0026u,中子的质量为1.008 7u,1u=1.66×10-27kg。
(1)写出氘和氚聚合的反应方程。
(2)试计算这个核反应释放出来的能量。
(3)若建一座功率为3.0×105kW的核聚变电站,假设聚变所产生的能量有一半变成了电能,每年要消耗多少质量的氘?(一年按3.2×107s计算,光速c=3.00×108m/s,结果取两位有效数字)【思路点拨】解答该题应关注以下三点:
(1)根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程。
(2)由爱因斯坦质能方程求解释放的能量。
(3)由功率的意义求一年内核反应次数。 【正确解答】(1)根据质量数和电荷数守恒,可得核
反应方程为 (2)质量亏损
Δm=m2+m3-m4-m1
=(2.014+3.016 0-4.002 6-1.008 7)u
=0.018 7×1.66×10-27kg
=3.104 2×10-29kg
根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2
核反应释放的核能
ΔE=Δmc2=3.104 2×10-29×(3×108)2J=2.8×10-12J(3)一年中产生的电能发生的核反应次数为n=
所需氘的质量m=n×m2×1.66×10-27kg=23kg.
答案:(1)
(2)2.8×10-12J (3)23kg【总结提升】轻核聚变释放核能的计算
(1)正确书写核反应方程式是解题的前提。
书写核反应方程式时,要明确反应物和生成物,并注意它们的元素符号,特别是同位素,不要忘记根据质量数守恒与电荷数守恒配平方程式。(2)核能计算式要选取正确的单位。
在利用ΔE=Δmc2进行计算时,若Δm取kg为单位,则c的单位为m/s;若质量单位用原子质量单位u,则要利用1u相当于931.5MeV计算核能。 【补偿训练】
一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.0073u,中子质量mn=1.0087u,氚核质量m=3.0180u.
(1)写出聚变方程.
(2)求释放出的核能多大.
(3)求平均每个核子释放的能量是多大.【解析】(1)聚变方程
(2)质量亏损Δm=mH+2mn-m=(1.0073+2×1.0087-
3.0180)u=0.0067u,释放的核能ΔE=Δmc2=0.0067×931.5MeV≈6.24MeV。
(3)平均每个核子放出的能量为 MeV=2.08MeV.
答案:(1) (2)6.24MeV
(3)2.08MeV 【过关训练】
氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量,
该反应方程为: ,式中x是某种粒子。
已知: 和粒子x的质量分别为2.014 1 u、
3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u;1 u=
c是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知,粒子x
是____,该反应释放出的能量为____MeV(结果保留3位
有效数字)。【解析】根据质量数和电荷数守恒可得x是
(中子)。核反应中的质量亏损为
Δm=(2.014 1 u+3.016 1 u-4.002 6 u-1.008 7 u)
=0.018 9 u
所以该反应释放出的能量为ΔE=Δm·c2=17.6 MeV
答案:(1) (或中子) 17.6知识点二、可控核聚变反应的研究进展
思考探究:
如图描述的是我国第一颗氢弹爆炸
成功的消息传出后,人们欢呼庆祝
的场景,请思考以下问题:
(1)氢弹爆炸时,核能释放的速度应该快还是慢?
(2)目前,人们能否有效地控制核聚变的速度?【归纳总结】
1.核子聚变的条件:
要使核子发生聚变,必须使核子接近核力能发生作用的范围。
2.聚变反应堆:受控聚变情况下释放能量的装置。3.聚变反应堆研究进展:
(1)托卡马克受控热核反应的研究领先于其他途径。
(2)环流器:托卡马克是一种环形磁约束受控热核反应装置。(3)环流器原理:在这种装置中,等离子体被不同方向的磁场约束在一个环管状的金属反应室中,用电磁感应产生的大电流对等离子体进行加热,从而实现等离子体热核燃料的“点火”。
(4)超导托卡马克:将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上制成。4.核聚变是一种安全、不产生放射性物质、原料成本低廉的能源,是人类未来能源的希望。【典例探究】
【典例】(2016·全国卷Ⅱ)在下列描述的核过程的方程中,属于α衰变的是________,属于β衰变的是________,属于裂变的是________,属于聚变的是________。【正确解答】原子核发生α衰变会产生一个新核和
,所以选项C是α衰变;原子核发生β衰变会产
生一个新核和 ,所以A、B选项为β衰变;重核被轰击后,发生裂变会产生几个质量差不多的新核,所以选项E为裂变;两个轻核结合成质量较大的核的核反应,为核聚变,所以选项F为核聚变。
答案:C A、B E F【过关训练】
(多选)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 ( )【解析】选A、C。两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应,故A对B错。重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应,故C对。原子核放出α或β粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变。原子核的衰变的反应物只有一种,故D错。【补偿训练】
我国自行设计、研制的“人造太阳”装置——全超导非圆截面核聚变实验装置(EAST)成为世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的核聚变实验装置.它的建成使我国迈入磁约束核聚变领域先进国家行列.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
B.“人造太阳”的核反应方程是
C.“人造太阳”核能大小的计算公式是E= mc2
D.“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE=Δmc2【解析】选B、D.“人造太阳”内进行的是核聚变反应,故A错误,B正确.核反应放出的能量应由爱因斯坦质能方程计算,C错误,D正确.【温馨提示】轻核发生聚变反应时,同样满足能量守恒和动量守恒,因此聚变反应经常与能量、动量结合起来进行考查。 【拓展例题】考查内容:能量守恒与轻核聚变反应的
综合应用
两个动能均为1 MeV的氘核发生正面碰撞,引起如下
反应: 已知:氘核的质量为2.013 6 u,
氚核的质量为3.015 6 u,氢核的质量为1.007 3 u,1
原子质量单位(u)相当于931.5 MeV.试求(1)此核反应中放出的能量ΔE为多少MeV?
(2)若放出的能量全部变为新生核的动能,则新生的氢核所具有的动能为多少MeV?【思路点拨】氘核碰撞过程动量守恒,找到新生核的动能与其动量的关系,进而找到两新生核动能之间的关系.【正确解答】(1)由质能方程,核反应中放出的能量为:
ΔE=Δm×931.5MeV=(2×2.013 6 u-3.015 6 u-
1.007 3 u)×931.5 MeV=4.005 MeV.(2)相互作用过程中动量守恒p1=p2
新生的氚核的动能:
新生的氢核的动能:
由能量守恒得:2Ek+ΔE=
代入数据得新生的氢核的动能: =4.5 MeV
答案:(1)4.005 MeV (2)4.5 MeV轻核聚变与重核裂变的区别 【案例展示】下面关于原子核的裂变和聚变的说法,正确的是 ( )
A.重核裂变和轻核聚变都放出核能,但地球上裂变材料比聚变材料丰富得多
B.目前人类建成的核电站全部是利用重核裂变放出的能量来发电的C.要使轻原子核发生聚变,必须使它们之间的距离至少接近到10-10m
D.太阳发出的光和热主要来自太阳内部原子核的聚变反应【正确解答】选B、D。裂变的材料是铀,在地球上储量有限,而聚变的主要原料是氘,在地球上储量非常丰富,1L海水中大约有0.03g氘,A错误;目前人们还不能有效地控制聚变的速度,核电站全部是利用重核裂变放出的能量来发电的,B正确;要发生聚变必须使轻核进入到核力的作用范围(10-15m)内,C错误;太阳的光和热来自于原子核的聚变反应,D正确.【易错分析】本题易错选项及错误原因分析如下: