第五节 裂变和聚变
[学习目标] 1.知道核裂变和核聚变的概念，知道重核裂变和轻核聚变中能释放出巨大的能量．(重点)2.知道什么是链式反应.3.知道核聚变反应及受控热核反应.4.会计算重核裂变、轻核聚变过程中释放出的能量．(重点、难点)
一、核裂变与链式反应
1．核裂变
重核分裂成两个较轻的核时，释放出能量，这种核反应叫做核裂变．
2．链式反应
为了使裂变产生的能量可以被利用，必须让一个核的裂变能够引发一个或一个以上的核发生裂变，让裂变过程自己持续下去，源源不断地将核能释放出来，这样的核反应叫做链式反应．
3．典型的铀核裂变
(1) U＋n→Ba＋Kr＋3n
(2)U＋n→Xe＋Sr＋10n
二、受控热核反应
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：H＋H→He＋n＋17.6 MeV.
(3)条件：
①轻核的距离要达到10－15_m以内．
②需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．
2．受控热核反应
人工的热核反应可以通过原子弹爆炸时产生的高温来达到．氢弹就是这样制成的．如果要使巨大的热核反应能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工控制下逐渐地释放出来并加以利用(例如发电)，这称为受控热核反应．
3．优点
(1)轻核聚变产能效率高．
(2)地球上聚变燃料的储量丰富．
(3)轻核聚变更为安全、清洁．
4．约束方法
磁约束和惯性约束．
1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)铀核裂变时，可以放出多个中子． (√)
(2)裂变物体的体积小于临界体积时，不可能发生链式反应． (√)
(3)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些． (×)
(4)轻核的聚变只要达到临界质量就可以发生． (×)
(5)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．
(√)
2．下列属于原子核裂变的链式反应的是( )
A．核电站发电 B．天然气的形成
C．石油的形成 D．利用太阳能发电
A [核电站是利用原子核的链式反应发电的，A选项正确；石油和天然气的形成是复杂的过程，属于化学变化，B、C选项错误；太阳能辐射是以热传递的形式传递热量，D选项错误．]
3．据《每日邮报》报道，英国一名13岁的小学生近日宣布自己在学校实验室实现了核聚变．他表示用氘聚变氦的过程中检测到了中子，证明聚变成功，成为世界上实现聚变的最年轻的人．下面列出的核反应方程，属于聚变的是( )
A.H＋H―→He＋n
B.U―→Th＋He
C.N＋H―→C＋He
D.Al＋He―→P＋n
A [轻核聚变是指轻核结合成质量较大的核，并释放出核能的反应，所以由此可知A是轻核聚变，B是α衰变，C、D是原子核的人工转变，B、C、D选项错误，A选项正确．]
重核裂变
1.裂变的解释
(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2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能．
(3)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，一般说来，平均每个核子放出的能量约为1 MeV,1 kg铀全部裂变放出的能量相当于2 500 t优质煤燃烧时释放的能量．裂变时能产生几百万度的高温．
2．链式反应的条件
(1)铀块的体积大于临界体积．
(2)铀块的质量大于临界质量．
以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足．
【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
D [重核裂变释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于或等于其临界体积，如果体积小于临界体积，中子可能从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应就不会发生．在裂变反应中质量数是守恒的，而核子数等于质量数，综上可知A、B、C均错．]
对重核裂变的两点理解
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，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小．
训练角度1：对重核裂变的理解
1．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块的质量无关
C [要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积，但铀块的质量无论怎样，只要组成铀块的体积小于临界体积，则不会发生链式反应，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，若超过临界体积则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确．]
训练角度2：裂变中核能的计算
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 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg，mBa＝234.001 6×10－27kg，mKr＝152.6047×10－27 kg.试写出核反应方程，算出反应中释放的核能．
[解析] 此铀核裂变方程为
n＋U→Ba＋Kr＋3n
则核反应前后的质量亏损为
Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.357 8×10－27 kg
由爱因斯坦质能方程可得反应中释放的核能为
ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3.0×108)2 J＝3.220 2×10－11 J
[答案] n＋U→56Ba＋Kr＋3n 3.220 2×10－11 J
轻核聚变
1.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10－15 m，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．
2．轻核聚变是放能反应
从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．
3．核聚变的特点
(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量．
(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去．
(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆．
4．核聚变的应用
(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸．
(2)可控热核反应：目前处于探索阶段．
【例2】 一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH＝1.007 3 u，中子质量mn＝1.008 7 u，氚核质量m＝3.018 0 u.
(1)写出聚变方程；
(2)释放出的核能为多大？
(3)平均每个核子释放的能量是多大？
[解析] (1)聚变方程：H＋2n→H.
(2)质量亏损
Δm＝mH＋2mn－m＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.0180)u＝0.006 7u
释放的核能
ΔE＝0.006 7×931 MeV≈6.24 MeV.
(3)平均每个核子放出的能量为
MeV＝2.08 MeV.
[答案] 见解析
1．核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数守恒和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据．
2．轻核聚变释放核能的计算方法
(1)根据质量亏损计算．
根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损(Δm)乘以真空中的光速(c＝3×108 m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2
训练角度1：对聚变的理解
3．下列关于聚变的说法中，不正确的是 ( )
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摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反应
C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应
D．自然界中不存在天然的热核反应
D [轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15 m，所以必须克服库仑斥力做功，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摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误．]
训练角度2：聚变核能的计算
4．大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电．氘核聚变反应方程是：H＋H→He＋n.已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u,1 u＝931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为( )
A．3.7 MeV B．3.3 MeV
C．2.7 MeV D．0.93 MeV
B [在核反应方程H＋H→He＋n中，
反应前物质的质量m1＝2×2.013 6 u＝4.027 2 u，
反应后物质的质量m2＝3.015 0 u＋1.008 7 u＝
4．023 7 u，
质量亏损Δm＝m1－m2＝0.003 5 u.
则氘核聚变释放的核能为
E＝931×0.003 5 MeV≈3.3 MeV，选项B正确．]
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.核裂变：重核分裂为质量较小的核，释放出核能的反应.
2.链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程.
3.链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于临界体积，或裂变物质的质量大于临界质量.
4.两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫核聚变．约束核聚变材料的方法有磁约束和惯性约束.
1．裂变反应中释放出的能量来自于( )
A．核子消失转化为能量
B．原子中电子与原子核的电势能减小
C．入射的中子消失转化为能量
D．原子核的比结合能变大，释放出能量
D [核反应过程中，核子数守恒，中子并未消失，故选项A、C均错误；能量来源于原子核内部，因重核裂变为中等质量的核时，比结合能增加而释放出能量，故选项B错误，D正确．]
2．1938年德国化学家、物理学家哈恩等发现用中子轰击铀核的产物中含有中等质量的原子核钡和氪，这种现象称为核裂变，其反应方程为U＋n―→Ba＋Kr＋3X.下列说法正确的是( )
A．核反应方程中的X为质子
B．核反应方程中的X为电子
C．由核反应方程可得钡核的比结合能比铀核的比结合能大
D．此核反应能自动延续下去，故铀块的体积对于维持核反应是无关紧要的
C [根据核反应中质量数守恒和电荷数守恒，可得核反应方程中的X为中子n，A、B错误；根据教材中原子核的比结合能曲线可知，钡核的比结合能比铀核的比结合能大，C正确；如果铀块的体积小于临界体积，此核反应不能自动延续下去，铀块的体积对于维持该反应是很重要的，D错误．]
3．(多选)我国科学家研制“两弹”所涉及到的基本核反应方程有：
(1) U＋n→Sr＋Xe＋kn.
(2)H＋H→He＋dn.
关于这两个方程的下列说法，正确的是( )
A．方程(1)属于α衰变
B．方程(1)属于重核裂变
C．方程(2)属于轻核聚变
D．方程(1)中k＝10，方程(2)中d＝1
BCD [方程(1)属于重核裂变，A选项错误，B选项正确；方程(2)属于轻核聚变，C选项正确；根据质量数守恒和电荷数守恒知，方程(1)中k＝10，方程(2)中d＝1，D选项正确．]
4．(2019·全国卷Ⅱ)太阳内部核反应的主要模式之一是质子－质子循环，循环的结果可表示为
4H→He＋2e＋2ν
已知H和He的质量分别为mp＝1.007 8 u和mα＝4.002 6 u，1 u＝931 MeV/c2，c为光速．在4个H转变为1个He的过程中，释放的能量约为( )
A．8 MeV B．16 MeV
C．26 MeV D．52 MeV
C [核反应质量亏损Δm＝4×1.007 8 u－4.002 6 u＝0.028 6 u，释放的能量ΔE＝0.028 6×931 MeV＝26.6 MeV，选项C正确．]
