章末过关检测(四)
[学生用书P105(独立成册)]
(时间：60分钟，满分：100分)
一、单项选择题(本题共6小题，每小题6分，共36分．在每小题给出的四个选项中，只有一个选项正确)
原子核X与氘核H反应生成一个α粒子和一个质子．由此可知( )
A．A＝2，Z＝1 B．A＝2，Z＝2
C．A＝3，Z＝3 D．A＝3，Z＝2
解析：选D.X＋H→He＋H应用质量数与电荷数的守恒A＋2＝4＋1，Z＋1＝2＋1，解得A＝3，Z＝2.故正确答案为D.
下面关于结合能和平均结合能的说法中，正确的有( )
A．核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能
B．平均结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大
C．重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和平均结合能都大
D．中等质量原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大
解析：选D.核子结合成原子核放出能量，原子核拆解成核子吸收能量，A选项错；平均结合能越大的原子核越稳定，但平均结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的平均结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核反而小，B、C选项错；中等质量原子核的平均结合能比轻核的大，它的原子核内核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，D选项正确．
关于核电站和核辐射，下列说法中正确的是( )
A．核反应堆发生的是轻核聚变反应
B．核反应堆发生的是重核裂变反应
C．放射性同位素的半衰期长短是由核内部本身决定，还受元素化学状态的影响
D．放射性同位素的半衰期长短与地震、风力等外部环境有关
解析：选B.核反应堆发生的是重核裂变反应，选项A错误、B正确；放射性同位素的半衰期长短是由核内部本身决定，与外部条件及化学状态无关，选项C、D错误．
在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中H的核反应，间接地证实了中微子的存在．中微子与水中的H发生核反应，产生中子(n)和正电子(e)，即中微子＋H―→n＋e，可以判定，中微子的质量数和核电荷数分别是( )
A．0和0 B．0和1
C．1和0 D．1和1
解析：选A.由质量数和核电荷数守恒可知，中微子的质量数与核电荷数都是0，A正确．
质子和中子的质量分别为m1和m2，当这两种核子结合成氘核时，两个核子结合前的总动能为Ek1，结合成的氘核的动能为Ek2，产生的γ射线的能量为E.已知真空中的光速为c，则产生的氘核质量表达式为( )
A.－(m1＋m2)
B．m1＋m2－
C．m1＋m2＋
D．m1＋m2－
解析：选C.质子和中子结合成氘核时，根据能量守恒，结合质能方程有：Ek1＋(m1＋m2)c2＝Ek2＋E＋mc2，解得：m＝m1＋m2＋，选项C正确．
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解析：选B.本题考查核反应方程的书写和计算核反应能量，意在考查推理判断和运算能力．由核反应过程必须遵循的质量数守恒和核电荷数守恒知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.故正确答案为B.
二、多项选择题(本题共4小题，每小题6分，共24分．在每小题给出的四个选项中，有多个选项符合题目要求，全选对的得6分，选对但不全的得3分，有错选或不答的得0分)
7．有关放射性同位素P的下列说法，正确的是( )
A.P与X互为同位素
B.P与其同位素有相同的化学性质
C．用P制成化合物后它的半衰期变长
D．含有P的磷肥释放正电子，可用作示踪原子，观察磷肥对植物的影响
解析：选BD.同位素应具有相同的质子数，故A错；同位素具有相同的化学性质与半衰期，B对、C错；放射性同位素可作为示踪原子，故D对．
8．关于原子核的有关知识，下列说法正确的是( )
A．天然放射性射线中的β射线实际就是电子流，它来自原子的核内
B．放射性原子经过α、β衰变致使新的原子核处于较高能级，因此不稳定从而产生γ射线
C．氡222经过衰变为钋218的半衰期为3.8天，一个氡222原子核四天后一定衰变为钋218
D．比结合能越大，原子越容易发生衰变
解析：选AB.因为半衰期是统计规律，对单个核子没有意义，所以C项错；比结合能描述原子核的稳定性，比结合能越大，原子越稳定，越不易发生衰变，所以D项错．
9．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.H＋H→He＋n是核聚变反应
B.H＋H→He＋n是β衰变
C.U＋n→Ba＋Kr＋3n是核裂变反应
D.U＋n→Xe＋Sr＋2n是α衰变
解析：选AC.A、B所列反应是核聚变，不是β衰变，β衰变要放出电子，故A对、B错；C、D两种反应都是核裂变，故C对、D错．
10．科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为：X＋Y→He＋H＋4.9 MeV和H＋H→He＋X＋17.6 MeV，下列表述正确的有( )
A．X是中子
B．Y的质子数是3，中子数是6
C．两个核反应都没有质量亏损
D．氘和氚的核反应是核聚变反应
解析：选AD.核反应方程遵守核电荷数守恒和质量数守恒，则由H＋H→He＋X＋17.6 MeV知 X为n，由X＋Y→He＋H＋4.9 MeV知Y为Li，其中Y的质子数是3，中子数也是3，选项A正确，选项B错误；两个核反应都释放出核能，故都有质量亏损，选项C错误；X＋Y→He＋H＋4.9 MeV是原子核的人工转变，H＋H→He＋n＋17.6 MeV为轻核聚变，选项D正确．
三、非选择题(本题共3小题，共40分．解答时应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤，只写出最后答案的不能得分．有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位)
(12分)用中子轰击锂核(Li)发生核反应，生成氚核(H)和α粒子，并放出4.8 MeV的能量．
(1)写出核反应方程；
(2)求出质量亏损；
(3)若中子和锂核是以等值反向的动量相碰，则氚核和α粒子的动能比是多少？
(4)α粒子的动能是多大？
解析：(1)核反应方程为Li＋n→H＋He＋4.8 MeV.
(2)依据ΔE＝Δmc2＝Δm×931.5 MeV得
Δm＝ u≈0.005 2 u.
(3)根据题意有0＝m1v1＋m2v2.
式中m1、m2、v1、v2分别为氚核和α粒子的质量和速度，由上式及动能Ek＝，可得它们的动能之比为Ek1∶Ek2＝∶＝∶＝m2∶m1＝4∶3.
(4)α粒子的动能Ek2＝(Ek1＋Ek2)＝×4.8 MeV≈2.06 MeV.
答案：(1)Li＋n―→H＋He＋4.8 MeV
(2)0.005 2 u (3)4∶3 (4)2.06 MeV
12．(12分)假设某航空母舰的动力来自核反应堆，其中主要的核反应方程式是U＋n→Ba＋Kr＋( )n.
(1)在括号内填写n前的系数；
(2)用m1、m2、m3分别表示U、Ba、Kr核的质量，m表示中子的质量，则上述反应过程中一个铀235核发生裂变产生的核能ΔE是多少？
(3)假设核反应堆的功率P＝6.0×105 kW，若一个铀235核裂变产生的能量为2.8×10－11 J，则该航空母舰在海上航行一个月需要消耗多少kg铀235？(铀235的摩尔质量M＝0.235 kg/mol，一个月约为t＝2.6×106 s，阿伏加德罗常数NA＝6.0×1023 mol－1，计算结果保留两位有效数字)
解析：(1)由电荷数守恒和质量数守恒可知n前的系数为3.
(2)ΔE＝Δmc2＝(m1－m2－m3－2m)c2.
(3)一个月内核反应产生的总能量为E＝Pt，
同时E＝NAΔE，
解得m＝≈22 kg.
答案：(1)3 (2)(m1－m2－m3－2m)c2 (3)22 kg
13．(16分)如图甲所示，静止在匀强磁场中的Li核俘获一个速度为v0＝7.7×104 m/s的中子而发生核反应，即Li＋n―→H＋He，若已知He的速度v2＝2.0×104 m/s，其方向与反应前中子速度方向相同，试求：
(1)H的速度大小和方向．
(2)在图乙中，已画出并标明两粒子的运动轨迹，请计算出轨道半径之比．
(3)当He旋转三周时，粒子H旋转几周？
解析：(1)反应前后动量守恒：m0v0＝m1v1＋m2v2(v1为氚核速度，m0、m1、m2分别代表中子、氚核、氦核质量)
代入数值可解得：
v1＝－1.0×103 m/s，
方向与v0相反．
(2)H和He在磁场中均受洛伦兹力，做匀速圆周运动的半径之比
r1∶r2＝∶＝3∶40.
(3)H和He做匀速圆周运动的周期之比
T1∶T2＝∶＝3∶2
所以它们的旋转周数之比：
n1∶n2＝T2∶T1＝2∶3，
即He旋转三周，H旋转2周．
答案：(1)大小为1.0×103 m/s，方向与v0相反
(2)3∶40 (3)2周
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第4章 核 能
第4章 核 能
小于
聚合
核能
核聚变
大得多
巨大
获得
×
√
10－15
108
等离子态
引力
磁场
惯性
环流器
核能
电能
增殖反应堆
减速剂
不加控制
链式反应
惯性约束
人工控制
成本低
小得多
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第3节 核聚变 第4节 核能的利用与环境保护
1.了解聚变反应的特点及其条件．(重点) 2.了解可控热核反应及其研究和发展．
3．了解核电站的构造和基本原理，了解核武器的种类． 4.了解核能利用的优势、危害及其防护措施．
[学生用书P59]
一、轻核聚变
轻核的平均结合能小于中等质量的核的平均结合能．
采用轻核聚合成较重核引起结合能变化的方式可获得核能．这样的核反应称为轻核聚变．
(1)太阳和其他恒星能够发光并辐射出巨大的能量，是它们内部核聚变的结果．
(2)氢核聚变的核反应方程为H＋H→He＋n．同时释放17.51 MeV的能量，平均每个核子释放3.5 MeV的能量，比裂变中平均每个核子释放的能量大得多．
聚变反应不仅能释放巨大的能量，而且所用的燃料容易获得．氘可从海水中提取，天然的氚不存在，但可通过核反应n＋Li→He＋H得到．
(1)核聚变时吸收能量．( )
(2)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大．( )
提示：(1)× (2)√
二、可控热核聚变反应
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．两个氘核发生聚变，它们的距离必须接近10－15米以内，核力才能起作用．
轻核聚变温度到达108K，在这样的高温下，原子完全电离形成等离子态，才能实现聚变．
为了实现核聚变，目前靠3种方法对等离子体进行约束，一是靠引力，二是用磁场，三是靠惯性．环流器是目前性能最好的一种磁约束装置．
1．为什么温度达到几百万摄氏度核聚变才能发生？
提示：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10－15 m，要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力．要使原子核具有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温．
三、核能的利用与环境保护
核电站
(1)核电站就是将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂．
(2)目前核电站的反应堆以U为燃料，发电成本低于煤电．
(3)采用增殖反应堆可以使资源得到充分利用．
核武器
(1)原子弹是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置．
(2)氢弹是一种靠惯性约束、不需人工控制而实现聚变的反应装置．
核能的优势与危害
(1)核能作为一种新能源，有很多优势．
①核能发电比燃煤发电的成本低．
②核电站对环境污染比燃煤发电小得多．
(2)核能的利用也存在一些危害．
核燃料使用后，存留一定量的具有高放射性的核废料．
2．为什么只有具备制造原子弹能力的国家才能制造氢弹？
提示：氢弹是热核反应，需达到几百万摄氏度以上高温才能进行核反应，只有用原子弹爆炸的高温高压，才可以使氢弹中的聚变材料达到热核反应的条件，故只有具备制造原子弹能力的国家才能制造氢弹．
对轻核聚变的理解[学生用书P60]
聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使参与反应的原子核接近到原子核大小的尺寸范围，这就要求它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力做功，必须把它们加热到几百万摄氏度的高温．在高温下原子处于电离态，要让聚变持续发生，首先应对等离子体进行约束．目前，可控的热核聚变反应还处于探索阶段，实验室内通过磁约束实现了对等离子体的约束．
聚变比裂变反应放出更多能量的原因
(1)平均每个核子释放能量较多，是裂变反应的2～3倍．例如，一个氚核和一个氘核结合成一个氦核时放出能量17.6 MeV，平均每个核子放出能量约3.5 MeV；而U裂变时，平均每个核子放出能量为1 MeV.
(2)同样质量的情况下，聚变比裂变反应放出更多的能量，如氘和氚聚变为1 kg氦时放出的能量为ΔE1，则
ΔE1＝×6.02×1023×17.6 MeV
≈2.65×1033eV
假设一个铀核裂变时平均放出的能量为200 MeV，则1 kg铀核全部裂变时放出能量为ΔE2，即
ΔE2＝×6.02×1023×200 MeV≈5×1032eV
＝5.3.
轻核必须在很高的温度下相遇才能发生聚变反应放出更大的能量．由于发生聚变的温度极高，聚变又叫热核反应．
(多选)下列说法正确的是( )
A．聚变反应中有质量亏损，所以必向外界放出能量
B．要使核发生聚变反应，必须使核之间的距离接近到1×10－15 m，也就是接近到核力能够发生作用的范围内
C．要使核发生聚变反应，必须克服核力做功
D．热核反应只有在人工控制下才能发生
[解析] 由质能方程可知，选项A正确；轻核结合成质量较大的核，必须使轻核间的距离达到核力能发生作用的范围，才能使它们紧密地结合起来，选项B正确、C错误；热核反应必须在很高的温度下才能发生，不一定要人工控制，选项D错误．
[答案] AB
核能的利用与环境保护[学生用书P61]
核原料提供的能量巨大，1 kg铀全部释放的能量大约相当于2 700 t标准煤燃烧放出的能量．地球上的一般常规能源都无法跟核能相比．除铀外，钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富，如果能把钍利用起来，核电的发展前景将更为广阔．热核反应所需的氘更是储量丰富．核原料的运输和储存方便，如：一座100万千瓦核电站一年所需原料铀，只需6辆卡车就可全部运到现场．
核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护．
核电站为防止放射性物质的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物，外面密封锆合金包壳，第三道是压力边界，第四道是安全壳．这些措施大大提高了核能利用的安全性．
对核废料进行回收利用，剩下的废料就很少了，将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后，储存在地下浅层废料库，对高放射性的废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库．加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性．
关于核电站以下说法正确的是( )
A．核电站中的核反应是无法控制的
B．目前核电站主要原料是铀，能量主要来源于核聚变
C．采用增殖反应堆可以使核原料充分利用
D．核电站使用过的核燃料还可以在火力发电厂中二次利用
[思路点拨] 根据核电站的原理解答．
[解析] 目前核电站主要原料是铀，能量主要来源于核裂变，其反应是可以通过控制棒控制反应速度的，A、B均错；采用增殖反应堆可以充分利用铀235之外的原料从而放出更多能量，C对；核废料具有放射性，不能再通过燃烧的方式二次发电，D错．
[答案] C
有关核聚变能量的计算[学生用书P61]
太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能量来源．
(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？
(mp＝1.007 3 u，mHe＝4.002 6 u，me＝0.000 55 u)
[思路点拨] 核反应中由于质量数、电荷数保持守恒，由此可写出核反应方程；根据爱因斯坦的质能关系方程，由质量亏损(或能量)可计算释放的能量(或质量亏损)．
[解析] (1)核反应方程是4H―→He＋X，而X只能是2个正电子．因此核反应方程应为
4H―→He＋2e.
(2)反应前的质量m1＝4mp＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u
反应后m2＝mHe＋2me＝4.002 6 u＋2×0.000 55 u＝4.003 7 u
Δm＝m1－m2＝0.025 5 u，
由质能方程得，释放能量ΔE＝Δmc2＝0.025 5×931.5MeV≈23.75 MeV.
(3)由质能方程，ΔE＝Δmc2得每秒减少的质量
Δm＝＝ kg≈4.2×109 kg.
[答案] (1)4H―→He＋2e (2)23.75 MeV
(3)4.2×109 kg
对于轻核聚变时核能的计算与前面重核裂变时核能的计算方法完全一样，利用爱因斯坦质能方程进行计算即可．
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
解析：选B.氘核聚变反应的质量亏损为Δm＝2×2.013 6 u－(3.015 0 u＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931 MeV/c2×c2≈3.3 MeV，选项B正确．
[随堂检测] [学生用书P62]
科学家发现在月球上含有丰富的He(氦3)，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为He＋He→2H＋He，关于He聚变下列表述正确的是( )
A．聚变反应不会释放能量
B．聚变反应产生了新的原子核
C．聚变反应没有质量亏损
D．目前核电站都采用He聚变反应发电
解析：选B.该聚变反应释放了能量，是因为发生了质量亏损，A、C错；该聚变反应产生了新原子核H，B对；目前核电站都是用重核裂变发电的而不是用轻核聚变，D错．故正确答案为B.
下列说法中正确的是( )
A．重核裂变时放出能量，轻核聚变时吸收能量
B．聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变反应中平均每个核子放出的能量多
C．裂变时产生放射性物质处理起来比热核反应时产生放射性物质简单得多
D．太阳辐射出的能量是由太阳内部的裂变反应产生的
解析：选B.重核裂变和轻核聚变均有质量亏损，均释放出核能，A错；聚变时每个核子平均释放出的核能是裂变时平均每个核子释放出的核能的3～4倍，B对；裂变反应时产生的放射性物质对生物及环境有污染，需慎重处理；热核反应时产生的核废料污染小，处理简单，C错；太阳辐射出的能量是由太阳内部的核聚变反应释放的，D错．
(多选)关于热核反应下列说法正确的是( )
A．就每一个核子平均来说，比重核裂变时释放的能量多
B．对环境的放射性污染较裂变轻，且较容易处理
C．热核反应的原料在地球上储量丰富
D．热核反应的速度容易控制
解析：选ABC.聚变反应平均每个核子比裂变反应中平均每个核子放出的能量要大3～4倍，且其原料均为氢的同位素，在地球上储量极为丰富，其放射性污染也较裂变轻．但是，目前只是能够让轻核聚变发生，还不能控制聚变反应、和平利用聚变时释放的核能．故正确选项为A、B、C，错误选项为D.
4．(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摄氏度的高温，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
解析：选ABC.轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15m，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．
5．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：H＋H→He＋X，式中X是某种粒子．已知：H、H、He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＝ MeV，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n(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：n(或中子) 17.6
[课时作业] [学生用书P103(独立成册)]
一、单项选择题
原子弹和氢弹的制造原理分别是( )
A．都是根据重核的裂变
B．都是根据轻核的聚变
C．原子弹是根据轻核聚变，氢弹是根据重核裂变
D．原子弹是根据重核裂变，氢弹是根据轻核聚变
解析：选D.原子弹是根据重核裂变原理制造的，氢弹是根据轻核聚变原理制造的．
我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献．下列核反应方程中属于聚变反应的是( )
A.H＋H→He＋n
B.7N＋He→8O＋H
C.He＋Al→P＋n
D.U＋n→Ba＋Kr＋3n
解析：选A.A项是氢元素的两种同位素氘和氚聚变成氦元素的核反应方程，B项是用α粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方程，C项属于原子核的人工转变，D项属于重核的裂变，因此只有A项符合要求．
3．一个氘核(H)与一个氚核(H)发生聚变，产生一个中子和一个新核，并出现质量亏损．聚变过程中( )
A．吸收能量，生成的新核是He
B．放出能量，生成的新核是He
C．吸收能量，生成的新核是He
D．放出能量，生成的新核是He
解析：选B.聚变出现质量亏损，一定放出能量，由质量数守恒和电荷数守恒可知，生成的新核是He，选项B正确．
原子核聚变可望给人类未来提供丰富的洁净能源．当氘等离子体被加热到适当高温时，氘核参与的几种聚变反应可能发生，放出热量．这几种反应的总效果可以表示为6H―→kHe＋dH＋2n＋43.15 MeV，由平衡条件可知( )
A．k＝1，d＝4 B．k＝2，d＝2
C．k＝1，d＝6 D．k＝2，d＝3
解析：选B.根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒得6×2＝4k＋d＋2，6×1＝2k＋d，解得k＝2，d＝2.故正确答案为B.
已知一个氢原子的质量为1.673 6×10－27 kg，一个锂原子的质量为11.650 5×10－27 kg，一个氦原子的质量为6.646 7×10－27 kg.一个锂核受到一个质子轰击变为2个α粒子，核反应方程为H＋Li→2He.根据以上信息，以下判断正确的是( )
A．题中所给的核反应属于α衰变
B．题中所给的核反应属于轻核聚变
C．根据题中信息，可以计算核反应释放的核能
D．因为题中给出的是三种原子的质量，没有给出核的质量，故无法计算核反应释放的核能
解析：选C.一个锂核受到一个质子轰击变为2个α粒子，核反应类型是人工核转变，A、B两项均错误；反应前一个氢原子和一个锂原子共有4个核外电子，反应后两个氦原子也是共有4个核外电子，因此只要将一个氢原子和一个锂原子的总质量减去两个氦原子的质量，得到的恰好是反应前后核的质量亏损，电子质量自然消掉．由质能方程ΔE＝Δmc2可以计算释放的核能，选项C正确、D错误．
月球土壤里大量存在着一种叫做“氦3(He)”的化学元素，是热核聚变的重要原料．科学家初步估计月球上至少有100万吨氦3，如果相关技术开发成功，将为地球带来取之不尽的能源．关于“氦3(He)”与氘核聚变，下列说法中正确的是( )
A．核反应方程为He＋H→He＋H
B．核反应生成物的质量将大于参加反应物质的质量
C．氦3(He)一个核子的结合能大于氦4(He)一个核子的结合能
D．氦3(He)的原子核与一个氘核发生聚变将吸收能量
解析：选A.“氦3(He)”与氘核聚变的核反应符合质量数与电荷数守恒，且聚变是放能反应．质量亏损，新核的结合能大．故选A.
太阳内部持续不断地发生着热核反应，质量减少．核反应方程是4H→He＋2X，这个核反应释放出大量核能．已知质子、氦核、X的质量分别为m1、m2、m3，真空中的光速为c，下列说法中正确的是( )
A．方程中的X表示中子(n)
B．方程中的X表示电子(e)
C．这个核反应中质量亏损Δm＝4m1－m2
D．这个核反应中释放的核能ΔE＝(4m1－m2－2m3)c2
解析：选D.由质量数守恒及核电荷数守恒知，X为正电子，A、B错；质量亏损Δm＝4m1－m2－2m3，释放的核能ΔE＝Δmc2＝(4m1－m2－2m3)c2，C错，D对．
8．关于聚变，以下说法中正确的是( )
A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时放出能量
B．同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量小
C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积
D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能
解析：选D.两个轻核聚变为较大质量的原子核就可释放能量，但不一定是中等质量的核，故A项错误．聚变反应放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多，这点由聚变反应的特点我们就可以知道，故B项错误．裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积，而聚变反应的条件是原子核间距达到10－15 m，故要求有足够大的动能才能克服原子核间的斥力做功，故C错，D正确．
二、多项选择题
9．下列核反应方程中属研究两弹的基本的核反应方程式的是( )
A.N＋He→O＋H
B.U＋n→Sr＋Xe＋10n
C.U→Th＋He
D.H＋H→He＋n
解析：选BD.原子弹爆炸是靠重核裂变放出能量，B式是其反应方程式．氢弹爆炸是靠轻核聚变放出能量，D式是其反应方程式．A式是人工转变方程，C式是铀核的α衰变方程．故B、D正确．
在某些恒星内，3个α粒子结合成1个C核，C原子的质量是12.000 0 u，He原子的质量是4.002 6 u．已知1u＝1.66×10－27 kg，则下列各选项正确的是( )
A．反应过程中的质量亏损是Δm＝0.007 8 u
B．反应过程中的质量亏损是Δm＝1.29×10－29 kg
C．反应过程中释放的能量是7.26 MeV
D．反应过程中释放的能量是1.16×10－19 J
解析：选ABC.由题目可得此核反应的方程为3He―→6C＋ΔE，则反应后的质量亏损为Δm＝(3×4.002 6－12.000 0) u＝0.007 8×1.66×10－27 kg＝1.29×10－29 kg，由质能方程ΔE＝Δm·c2＝1.29×10－29×(3.0×108)2 J＝1.161×10－12 J＝7.26 MeV.故A、B、C项正确，D错误．
三、非选择题
试求在氢弹中合成1 kg的氦时所释放出的能量．(氘核H的质量为2.014 1 u，氚核H的质量为3.016 0 u，氦核He的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u)
解析：设氢弹壳内装的是氘核和氚核，它们在高温下聚变生成氦核，核聚变方程为H＋H―→He＋n.
一个氘核H与一个氚核H发生反应放出的能量：
ΔE＝Δmc2＝(2.014 1＋3.016 0－4.002 6－1.008 7)×931.56 MeV≈17.51 MeV，1 kg氦中所含的原子数目
N＝nNA＝×6.02×1023个＝1.505×1026个
这样合成1 kg氦时所放出的总能量
E＝NΔE＝1.505×1026×17.51 MeV
≈2.64×1027 MeV.
答案：2.64×1027 MeV
12．已知氘核质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u，He核的质量为3.015 0 u．两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成He并放出一个中子，释放的核能也全部转化为机械能．(质量亏损为1 u时，释放的能量为931.5 MeV.除了计算质量亏损外，He的质量可以认为是中子的3倍)
(1)写出该核反应的反应方程式；
(2)该核反应释放的核能是多少？
(3)若测得反应后生成中子的动能是3.12 MeV，则反应前每个氘核的动能是多少MeV?
解析：(1)核反应方程为2H→He＋n.
(2)质量亏损为Δm＝2.013 6 u×2－3.015 0 u－1.008 7 u＝0.003 5 u．则释放的核能为
ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931.5 MeV≈3.26 MeV.
(3)设中子和He核的质量分别为m1、m2，速度分别为v1、v2，反应前每个氘核的动能为E0，反应后中子和He核的动能分别为E1、E2.根据动量守恒得：m1v1－m2v2＝0所以＝＝
根据E＝mv2得＝eq \f(\f(1,2)m2v,\f(1,2)m1v)＝×＝
即E2＝＝×3.12 MeV＝1.04 MeV
由能量转化和守恒定律得E1＋E2＝2E0＋ΔE
代入数据得E0＝0.45 MeV.
答案：(1)见解析 (2)3.26 MeV (3)0.45 MeV
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(共32张PPT)
第4章 核 能
第4章 核 能
分裂成
相近
分裂成
释放
核能
2～3个中子
中子
裂变
临界
链式反应
核反应堆
维持
控制
堆芯
中子反射层
控制系统
防护层
燃料棒
减速剂
冷却剂
×
√
×
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中子铀核
A&
第2节 核裂变
1.知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量．(重点) 2.知道什么是链式反应．
3．会计算重核裂变过程中释放出的能量．(重点＋难点) 4.知道什么是核反应堆．了解常用裂变反应堆的类型．
[学生用书P55]
一、重核的裂变
核裂变：像中子轰击铀核分裂成质量相近的两部分那样，重核分裂成质量较小的核的反应，称为核裂变．
裂变能：核裂变释放的能量，也称核能或原子能．
铀核的裂变
(1)两种常见的核反应方程：
U＋n→Xe＋Sr＋2n
U＋n→Ba＋Kr＋3n
(2)铀核裂变释放的能量是巨大的，裂变反应中每个核子释放的能量约为1__MeV．
1．(1)铀核的裂变是一种天然放射现象．( )
(2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．( )
提示：(1)× (2)×二、链式反应
链式反应：当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出2～3个中子，放出的中子再引起其他铀核裂变，且能不断地继续下去，成为链式反应．
发生条件
(1)有持续不断的中子源．
(2)达到临界体积．
发生链式反应为何会有临界体积呢？
提示：原子核的体积很小，原子内部绝大部分是空隙．如果铀块的体积不够大，中子通过铀块时可能碰不到铀核而跑到铀块外面去．
三、裂变反应堆
用人工的方法控制链式反应的速度，人们制成了核反应堆，它是能维持和控制核裂变的装置．
核反应堆包含堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分．堆芯又由燃料棒、减速剂和冷却剂组成．
2．(1)在核反应中，中子的速度越大越容易击中铀核．( )
(2)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度．( )
(3)核反应堆用过的核废料无毒无害．( )
提示：(1)× (2)√ (3)×
重核的裂变及链式反应[学生用书P56]
裂变的发现：1938年12月，德国化学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变，向核能的利用迈出了第一步．
裂变的解释：重核被中子轰击后，与中子复合成一个处在高激发态的同位素，这种重核的同位素要发生形变，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，核力减小不足以抵消质子间的库仑斥力而恢复原状最后分裂成两部分，同时放出中子．
裂变过程为什么能放出能量
中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定．如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出能量.U的裂变是很常见的一种重核裂变，它裂变的反应物和生成物有多种，其中有两种很典型的反应是：
U＋n→Xe＋Sr＋2n
U＋n→Ba＋Kr＋3n
在重核裂变过程中，核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，但反应前后质量不同，发生了质量亏损，释放出能量．
计算一个铀核在上述第二种裂变过程放出的能量．
已知m(U)＝235.043 9 u，mn＝1.008 7 u，m(Ba)＝140.913 9 u，m(Kr)＝91.897 3 u，且1 u质量对应的能量为931.56 MeV
裂变前：m1＝(235.043 9＋1.008 7) u＝236.052 6 u
裂变后：m2＝(140.913 9＋91.897 3＋3×1.008 7) u＝
235．837 3 u
质量亏损：Δm＝0.215 3 u
释放能量：ΔE＝0.215 3×931.56 MeV＝200.56 MeV.
重核裂变的条件
(1)重核的裂变只能发生在人为的核反应中，自然界中不会自发地产生裂变，而是发生衰变．
(2)要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使其分裂，并放出更多的中子，这些中子再去轰击更多的铀核，产生更多的中子，就形成了链式的反应．如图所示
(3)链式反应速度很快，如不加以控制，能量在瞬间急剧释放引起剧烈爆炸(如原子弹)．如果运用一定方法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)．
(1)U裂变的产物是多种多样的，但裂变反应的依据是实验事实，不能仅凭反应前后质量数和电荷数守恒编造裂变反应．
(2)裂变的链式反应需要一定的条件才能维持下去
①要有足够浓度的铀235；
②要有足够数量的慢中子；
③铀块的体积大于临界体积．
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，所以核子数要减小
D．重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
[思路点拨] 重核裂变问题，要注意明确下列三点：
(1)原子核裂变时核能的来源；
(2)链式反应能够发生的条件；
(3)裂变反应遵循的规律．
[解析] 根据重核发生裂变的条件和裂变释放核能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程．因此其释放的能量是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其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过时，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、核电荷数均守恒，即核子数守恒，所以核子数是不会减小的，因此选项A、B、C均错；重核裂变为中等质量的原子核时，发生质量亏损，从而释放出核能，故选D.
[答案] D
在重核的裂变反应中仍然遵循质量数守恒与核电荷数守恒．
核能的利用[学生用书P57]
原子弹杀伤力强大的原因：核能在极短时间内释放出来．核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应．
核反应堆——核电站的心脏：裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理见下表：
组成部分 材料 作用
裂变材料 (核燃料) 浓缩铀(U) 提供核燃料
续 表
组成部分 材料 作用
慢化剂(减速剂) 石墨、重水或普通水 使裂变产生的快中子减速
控制棒 镉 吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层 石墨 阻止中子逃逸
热交换器 水 产生高温蒸气，推动汽轮发电机发电
防护层 金属套和钢筋混凝土 防止射线对人体及其他生物体的侵害
关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是 ( )
A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度
B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量
D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
[思路点拨] 本题考查对反应堆中各种材料的用途的认识．
[解析] 镉棒不是离子源不会释放中子，A错误；也不是减速剂，不能使快中子变为慢中子，B、D错误；镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强时，控制棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出少吸收中子，故C正确．
[答案] C
现已建成的核电站的能量来自于( )
A．天然放射性元素衰变放出的能量
B．人工放射性同位素放出的能量
C．重核裂变放出的能量
D．化学反应放出的能量
解析：选C.核电站的核心设施就是核反应堆，核反应堆的核心技术就是用人工的方法控制重核裂变链式反应的速度，所以核电站的能量来自重核裂变放出的能量．
裂变核能的计算[学生用书P58]
现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：
U＋n―→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ν
(1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零．试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；
(2)已知铀(U)核的质量为235.049 3 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u．又知1 u＝1.660 6×10－27 kg，试计算1 kg铀235大约能产生的能量是多少？
[思路点拨] 根据核反应前后质量数和电荷数守恒确定锆(Zr)的质量数和电荷数，先求一个U裂变释放出的能量，再求1 kg U的原子核数，最后求出1 kg U裂变释放的能量．
[解析] (1)根据电荷数和质量数守恒，可得
Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40，
质量数A＝236－143－3×1＝90.
(2)质量亏损
Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.217 4 u.
一个铀核裂变释放能量ΔE＝Δm×931.56 MeV
＝0.217 4×931.56 MeV≈202.5 MeV，
1kg铀核含有的原子核数为
n＝×6.02×1023个≈2.562×1024个，
1kg铀核产生的能量
E总＝n·ΔE＝2.562×1024×202.5 MeV
≈5.2×1026 MeV＝5.2×1026×106×1.6×10－19 J
≈8.3×1013 J.
[答案] (1)40 90 (2)8.3×1013 J
[随堂检测] [学生用书P58]
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
解析：选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，但铀核的质量无论怎样，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．
(多选)下列核反应方程及其表述正确的是( )
A.Be＋He―→C＋n是人工核转变
B.U―→Th＋He是α衰变
C.U＋n―→Kr＋Ba＋3n是裂变反应
D.Na―→Mg＋e是裂变反应
解析：选ABC.A是人工核转变，B是α衰变，C是裂变，D是β衰变，故D不正确．
核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成( )
A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统
B．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统
C．原子燃料、调速剂、碰撞系统和传热系统
D．原子燃料、中子源、原子能聚存系统和输送系统
解析：选A.根据核反应堆的基本特点及组成确定．故正确答案为A.
(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风能和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是( )
A．核能发电对环境的污染比火力发电要小
B．核能发电对环境的污染比火力发电要大
C．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能
D．重核裂变是比较清洁的能源，污染较小
解析：选ACD.目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，但也有一定的污染，故A、C、D正确，B错误．
二战末期，美国在日本广岛投下的原子弹相当于2万吨TNT炸药释放的能量，已知1 kg TNT炸药爆炸时释放的能量是4.2×106 J，则该原子弹含有纯U多少千克？(1个U原子核裂变时放出200 MeV能量，阿伏伽德罗常数NA＝6.02×1023个/mol)
解析：2万吨TNT炸药爆炸时放出的能量E＝2×107×4.2×106 J＝8.4×1013 J，
1个U原子核放出的能量ΔE＝200 MeV，
设纯U的质量为M，则E＝NΔE＝NAΔE，
故M＝＝ g
≈1.0×103 g＝1.0 kg.
答案：1.0 kg
[课时作业] [学生用书P101(独立成册)]
一、单项选择题
下列关于重核裂变的说法中正确的是( )
A．裂变过程中释放能量
B．裂变过程中吸收能量
C．反应过程中质量增加
D．反应过程中质量不变
解析：选A.重核裂变成两个或多个中等质量的原子核，质量减少，释放出能量．
在核反应堆外修建很厚的水泥墙是为了防止( )
A．核爆炸 B．放射线外泄
C．核燃料外泄 D．慢中子外泄
解析：选B.核反应堆的核燃料一般是铀235，它具有很强的放射性，其衰变时放出的射线能对人体造成极大的伤害，在其外修建很厚的水泥墙就是为了防止放射线外泄，B正确．
人类通过链式反应利用核能的方式有( )
A．利用可控制的快中子链式反应，制成原子反应堆
B．利用不可控制的快中子链式反应，制成原子弹
C．利用可控制的慢中子链式反应，制成原子弹
D．利用不可控制的慢中子链式反应，制成原子弹
解析：选B.原子弹爆炸时，铀块的体积大于临界体积，快中子直接被铀核吸收，发生裂变反应，放出核能，链式反应速度不可控制，极短的时间内释放出大量的核能；原子核反应堆释放核能的速度是稳定的，链式反应的速度可以控制，因此答案选B.
4．中国承诺到2020年碳排放量下降40%～45%.为了实现负责任大国的承诺，我国将新建核电站项目．目前关于该电站获取核能的基本核反应方程可能是( )
A.U＋n―→Sr＋Xe＋10n
B.Na―→Mg＋e
C.N＋He―→O＋H
D.U―→Th＋He
解析：选A.目前已建成的核电站的能量来源于重核的裂变，重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变．
下面是铀核裂变反应中的一个为U＋n→Xe＋Sr＋10n，已知铀235的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，锶90的质量为89.907 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，则此核反应中( )
A．质量亏损为Δm＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2) u
B．质量亏损为Δm＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7) MeV
C．释放总能量为ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)×(3×108)2 J
D．释放总能量为ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)×931.5 MeV
解析：选D.质量亏损是反应物与生成物之差，差值可用“u”或“kg”作单位，前者直接用1 u的亏损放出931.5 MeV的能量计算，后者核能的单位是焦耳．
1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏伽德罗常数)( )
A．NA×196 MeV B．235NA×196 MeV
C．235×196 MeV D.×196 MeV
解析：选D.由于1 mol的铀核质量为235 g，1 g铀235 摩尔数为，因此1 g铀235释放的能量E＝×196 MeV，故D正确．
一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为U＋n―→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是( )
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
解析：选A.由质量数守恒和电荷数守恒知：235＋1＝a＋94＋2×1，92＝b＋38，解得：a＝140，b＝54，其中a为X的质量数，b为X的核电荷数，X核中的中子数为：a－b＝140－54＝86，由此可知A对，B错；裂变释放能量，由质能关系可知，其总质量减少，但质量数守恒，故C、D均错．
二、多项选择题
镉棒在核反应堆中所起的作用是( )
A．使快中子变成慢中子
B．吸收中子
C．使反应速度加快
D．控制反应速度，调节反应速度的快慢
解析：选BD.在核反应堆中，石墨起使快中子变为慢中子的作用．镉棒又叫控制棒，起吸收中子、控制反应速度、调节功率大小的作用，故B、D正确．
关于铀核裂变，下述说法正确的是( )
A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核
B．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子
C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯235U
D．铀块的体积对产生链式反应是有影响的
解析：选BCD.铀核受到中子的冲击，会引起裂变，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性．但裂变成两块的情况比较多， 也有的分裂成多块，并放出几个中子，235U受中子的轰击时，裂变的概率大．而238U只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故B、C、D正确．
10．核反应堆是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能.U＋n―→Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，X是某种粒子，a是X粒子的个数，用mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mX表示X粒子的质量，c为真空中的光速，以下说法正确的是( )
A．X为中子，a＝2
B．X为中子，a＝3
C．上述核反应中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2
D．上述核反应中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－3mX)c2
解析：选BC.核反应中，质量数守恒，电荷数守恒，则知U＋n―→Ba＋Kr＋aX中X为n，a＝3，则A错，B对；由ΔE＝Δmc2可得：ΔE＝(mU＋mX－mBa－mKr－3mX)c2＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2，则C对，D错．
三、非选择题
一静止的U核经α衰变成为Th核，释放出的总动能为4.27 MeV，问此衰变后Th核的动能为多少MeV(保留1位有效数字)?
解析：据题意知，此α衰变的衰变方程为
U→Th＋He
根据动量守恒定律得
mαvα＝mThvTh ①
式中，mα和mTh分别为α粒子和Th核的质量，vα和vTh分别为α粒子和Th核的速度的大小．由题设条件知
mαv＋mThv＝Ek ②
＝ ③
式中Ek＝4.27 MeV是α粒子与Th的总动能．
由①②③式得
mThv＝Ek
代入数据得，衰变后Th核的动能
mThv＝0.07 MeV.
答案：0.07 MeV
在其他能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势．在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．
(1)核反应方程式U＋n―→Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为________，a＝________，mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光子在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE＝__________________________．
(2)有一座发电能力为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，U核的质量mU
＝390×10－27 kg.求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的U的质量．
解析：(1)依据核电荷数守恒和质量数守恒定律可判断X为中子eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(n))，且a＝3，据爱因斯坦的质能方程ΔE＝Δmc2，即ΔE＝[mU－(mBa＋mKr＋2mn)]·c2.
(2)因核电站的核能转化效率为40%
故核电站消耗U的功率为
P′＝＝ kW＝2.5×106 kW
则核电站每年消耗U所释放的能量为
E＝P′t＝2.5×106×103×3.15×107 J
＝7.875×1016 J
故每年消耗U的质量为
m＝·mU＝×390×10－27 kg≈1 105 kg.
答案：(1)n 3 [mU－(mBa＋mKr＋2mn)]·c2
(2)1 105 kg
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第4章 核 能
第1节 核力与核能
第4章 核 能
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第4章
核能
DI SI ZHANG
预习导学新知探究
梳理知识·夯实基础
多维课堂,师生动
突破疑难·讲练提升
第1节 核力与核能
1.知道核力的概念及特点．(重点) 2.能解释轻核和重核内中子数、质子数具有不同比例的原因．
3．理解原子核的结合能、平均结合能及质量亏损，并能应用质能方程进行计算．(重点＋难点)
一、核力与核的稳定性
核力
(1)定义：把原子核中的核子维系在一起的力．
(2)核力的特点
①核力是短程力，作用范围在2__fm(1 fm＝10－15 m)左右，它不能延伸到3__fm以外．
②当两核子间距离减小时，核力也迅速减小，至一定值时，核力表现为斥力．
③核力是一种强相互作用，若两质子之间的距离为1 fm，库仑力是200__N左右，核力必须非常强才能抵消所有质子库仑力的作用．
核的稳定性
(1)核素：具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子．
(2)核素图：用横坐标表示质子数，纵坐标表示中子数，每一种核素用一小方块表示，所得到的图象．
(3)核的稳定性
①核素的稳定区：稳定核素几乎全落在一条曲线上，或紧靠曲线的两侧，这个区域称为核素的稳定区．
②稳定核素的中子数与质子数的关系：随着核电荷数的增加，稳定核素的中子数越来越大于质子数．
1．(1)核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大．( )
(2)原子核内的质子是靠万有引力来抗衡库仑斥力的．( )
(3)弱相互作用是引起β衰变的原因．( )
提示：(1)× (2)× (3)√
二、结合能与平均结合能
原子核的结合能：核子结合成原子核所释放的能量．
平均结合能：对某种原子核，平均每个核子的结合能．平均结合能是核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量，也是原子核分解成自由核子时每个核子平均吸收的能量．
质量亏损
(1)质量亏损：任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和，它们的差值称为质量亏损．
(2)爱因斯坦质能方程：E＝mc2.
结合能的计算公式：ΔE＝Δmc2．
2．(1)组成原子核的核子越多，它的结合能就越大．( )
(2)结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定．( )
(3)比结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大．( )
提示：(1)√ (2)× (3)×
核力及原子核的稳定性
核力有着完全不同于万有引力和静电力的一些性质
(1)核力是强相互作用(强力)的一种表现，在它的作用范围内，核力比库仑力大得多．
(2)核力是短程力，作用范围在1.5×10－15 m之内，核力在大于0.8×10－15 m时表现为吸引力，且随距离增大而减小，超过1.5×10－15 m，核力急剧下降几乎消失；而在距离小于0.8×10－15 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起．
(3)每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性．
无论是质子间、中子间还是质子和中子间均存在核力．
对原子核稳定性的理解：原子核越大，有些核子间的距离就越远，随着距离的增加，核力与电磁力都会减小，而核力减小得更快，所以原子核大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们的库仑力，这个原子核就不稳定了，这时，如果不再成对地增加质子和中子，而是只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维持原子核的稳定．由于这个原因，稳定的重原子核里，中子数要比质子数多．由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果我们继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的．
(1)因为核子间存在核力，所以原子核内蕴藏着巨大的能量．
(2)在原子核内，除核力外还存在一种弱力，弱力是引起原子核发生β衰变的原因，弱力也是短程力，其力程为10－18 m，作用强度比静电力还小．
对核子结合成原子核的下列说法正确的是( )
A．原子核内的核子间均存在核力
B．原子核内的质子间均存在核力和库仑力
C．稳定原子核的质子数总是与中子数相等
D．对质子数较多的原子核，其中的中子数起到增加核力、维系原子核稳定的作用
[思路点拨] 解答本题要注意以下两点：
(1)明白核力的特点和性质．
(2)理解稳定核素的特点．
[解析] 核力是短程力，只会发生在相邻核子之间，由此知A、B错误；核力只作用于相邻的核子，随着质子数增加，为使原子核保持稳定．必须靠中子数的增多来抵消库仑力的作用，故C错误，D正确．
[答案] D
1.关于原子核中质子和中子的说法，正确的是( )
A．原子核中质子数和中子数一定相等
B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多
C．原子核都是非常稳定的
D．由于核力的作用范围是有限的，核力具有饱和性，不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在
解析：选D.由稳定核的质子数与中子数的关系可知，质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多，故A、B错误；原子核可以发生衰变，故C错误；由核力作用特点可知，核子数越多的原子核越不稳定，故D正确．
平均结合能及核能的计算
核反应伴随能量的变化
由于核子间存在着巨大的核力作用，所以原子核是一个坚固的集体．要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，需要巨大的能量．一个氘核被拆成一个中子和一个质子时，需要能量等于或大于2.2 MeV的γ光子照射．核反应方程为γ＋H―→H＋n.
相反的过程，当一个中子和一个质子结合成一个氘核时会释放出2.2 MeV的能量．这个能量以γ光子的形式辐射出去．核反应方程为H＋n―→H＋γ.
结合能和平均结合能
由于核力的存在，核子结合成原子核时要放出一定的能量，原子核分解成核子时，要吸收同样多的能量．核反应中放出或吸收的能量称为核结合能．
平均结合能：原子核的结合能与核子数之比．平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定．
结合能与电离能
要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、赋予光子等途径让它得到13.6 eV的能量．这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能，不过通常把它叫做氢原子的电离能，而结合能一词只用在原子核中，对同一原子结合能远大于电离能．
质量亏损与核能的计算
(1)质量亏损
①科学家研究证明在核反应中原子核的总质量并不相等，例如精确计算表明：氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些，这种现象叫做质量亏损，质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来．
②Δm是核反应前与核反应后的质量之差．
(2)质能方程E＝mc2
爱因斯坦指出，物体的能量(E)和质量(m)之间存在着密切的关系，即E＝mc2，式中c为真空中的光速．爱因斯坦质能方程表明：物体所具有的能量跟它的质量成正比．由于c2这个数值十分巨大，因而物体的能量是十分可观的．
(3)核反应中由于质量亏损而释放的能量ΔE＝Δmc2
从爱因斯坦质能方程同样可以得出，物体的能量变化ΔE与物体的质量变化Δm的关系：ΔE＝Δmc2.
(4)运用质能方程时应注意单位．一般情况下，公式中各量都应取国际单位制单位．但在微观领域，用国际单位制单位往往比较麻烦，习惯上常用“原子质量单位”和“电子伏特”作为质量和能量的单位．一原子的质量为1 u，1 u＝1.660 6×10－27 kg，由质能方程知，1 u的质量所具有的能量为E＝mc2≈931.56 MeV.
物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量，只是静止质
量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量，在核反应中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律．
下列说法中，正确的是( )
A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化
B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系
C．核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变成为能量
D．因为在核反应中能产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒
[思路点拨] 本题可从质量与能量的联系入手分析，应注意，核反应中仍然遵循能量守恒与质量守恒．
[解析] E＝mc2说明了能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，并不是说明了能量和质量之间存在着相互转化的关系，故A项错误，而B项正确；核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变成能量，故C项错误；在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，在核反应前后只是物质由静质量变成动质量，故D项错误．
[答案] B
爱因斯坦的质能方程只是反映了能量与质量之间的正比关系，并不是说质量和能量可以相互转化．
核能的计算方法
1．根据质量亏损计算
(1)根据核反应方程：计算核反应前和核反应后的质量亏损Δm.
(2)根据爱因斯坦质能方程E＝mc2或ΔE＝Δmc2计算核能．
2．利用原子质量单位u和电子伏特间的关系计算
(1)明确原子质量单位u和电子伏特间的关系：
因为1 u＝1.660 6×10－27 kg
则E＝mc2＝1.660 6×10－27×(2.997 9×108)2 J
≈1.492 4×10－10 J.
又1 eV＝1.602 2×10－19 J
则E＝1.492 4×10－10 J＝931.5 MeV.
(2)根据(1)原子质量单位(u)相当于931.5 MeV能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV.
3．利用比结合能来计算核能
原子核的结合能＝核子的比结合能×核子数．核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能．
H的质量是3.016 050 u，质子的质量是1.007 277 u，中子的质量是1.008 665 u．求：(质量亏损1 u相当于释放931.5 MeV的能量)
(1)一个质子和两个中子结合为氚核时，是吸收还是放出能量？该能量为多少？
(2)氚核的结合能和比结合能各是多少？
[解析] (1)一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程式是H＋2n→H，反应前各核子总质量为
mp＋2mn＝(1.007 277＋2×1.008 665) u
＝3.024 607 u，
反应后新核的质量为mH＝3.016 050 u，
质量亏损为
Δm＝(3.016 050－3.024 607) u
＝－0.008 557 u.
因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应放出能量．
释放的核能为
ΔE＝0.008 557×931.5 MeV≈7.97 MeV.
(2)氚核的结合能即为ΔE＝7.97 MeV，
它的比结合能为≈2.66 MeV.
[答案] (1)放出能量，能量为7.97 MeV
(2)7.97 MeV 2.66 MeV
(1)计算过程中Δm的单位是kg，ΔE的单位是J.
(2)若Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV，可直接利用公式ΔE＝Δm×931.5 MeV来计算核能．
2.氘核和氚核反应时的核反应方程为H＋H→He＋n.已知H的比结合能是2.78 MeV，H的比结合能是1.09 MeV，He的比结合能是7.03 MeV，试计算核反应时释放的能量．
解析：反应前氘核和氚核的总结合能
E1＝(1.09×2＋2.78×3)MeV
＝10.52 MeV.
反应后生成的氦核的结合能
E2＝7.03×4 MeV＝28.12 MeV.
由于单个核子无结合能，
所以反应过程释放出的能量
ΔE＝E2－E1＝(28.12－10.52)MeV
＝17.6 MeV.
答案：17.6 MeV
[随堂检测]
下列关于核力的说法中错误的是( )
A．核力是短程力，作用范围很小，只在相邻核子间发生
B．核力把核子紧紧束缚在核内，形成稳定的原子核，所以是引力
C．质子间、中子间、质子和中子间都存在核力
D．核力是一种强相互作用力，在其作用范围内，核力比库仑力大得多
解析：选B.核力的作用范围在10－15 m之内，只在相邻核子间发生，是短程力，A项对；当两核子间距离减小时，核力也迅速减小，至一定值时，核力表现为斥力，B项错；核力是质子、中子之间的强相互作用力，在其作用范围内，核力远大于库仑力，C、D项对．
对结合能、平均结合能的认识，下列说法正确的是( )
A．一切原子核均具有结合能
B．自由核子结合为原子核时，可能吸收能量
C．结合能越大的原子核越稳定
D．平均结合能越大的原子核越稳定
解析：选D.氢原子核只有一个质子，无结合能，结合能并不是原子核所具有的能量，故A错；自由核子结合为原子核时，放出能量，故B错；平均结合能越大的原子核越稳定，故C错，D对．
如图所示是原子核的平均核子质量A与原子序数Z的关系图象，下列说法正确的是( )
A．若D、E能结合成F，结合过程一定要释放能量
B．若D、E能结合成F，结合过程一定要吸收能量
C．若C、B能结合成A，结合过程一定要释放能量
D．若F、C能结合成B，结合过程一定要释放能量
解析：选A.D、E平均核子质量大于F平均核子质量，D、E结合成F，出现质量亏损，要释放能量，A对、B错；C、B结合成A，F、C结合成B都是质量增加，结合过程要吸收能量，C、D错．
质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3，真空中光速为c，当质子和中子结合成氘核时，放出的能量是( )
A．m3c2 B．(m1＋m2)c2
C．(m3－m2－m1)c2 D．(m1＋m2－m3)c2
解析：选D.质子和中子结合成原子核氘核时，总质量减小了，即质量亏损Δm＝m1＋m2－m3.依据质能方程可知，放出的能量为ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3)c2.
有些核反应过程是吸收能量的．例如，在X＋N→O＋H中，核反应吸收的能量Q＝[(mO＋mH)－(mX＋mN)]c2.在该核反应方程中，X表示什么粒子？X粒子以动能Ek轰击静止的N核，若Ek＝Q，则该核反应能否发生？请简要说明理由．
解析：由核反应中质量数守恒和电荷数守恒得X的电荷数为2，质量数为4，因此X是α粒子；由于在动能Ek＝Q的α粒子轰击静止的N核的过程中不能同时满足能量守恒和动量守恒，因此该核反应不能发生．
答案：He 不能发生，因为不能同时满足能量守恒和动量守恒的要求
[课时作业]
一、单项选择题
对原子核的组成，下列说法正确的是( )
A．核力可使一些中子组成原子核
B．核力可使非常多的质子组成原子核
C．不存在只有质子的原子核
D．质量较大的原子核内一定有中子
解析：选D.由于原子核带正电，不存在只有中子的原子核，但核力也不能把非常多的质子聚集在一起组成原子核，原因是核力是短程力，质子之间还存在“长程力”——库仑力，A、B错误；自然界中存在只有一个质子的原子核，如H，C错误；较大质量的原子核内只有存在一些中子，才能削弱库仑力，维系原子核的稳定，故D正确．
下列关于平均结合能的说法正确的是( )
A．核子数越多，平均结合能越大
B．核子数越多，平均结合能越小
C．结合能越大，平均结合能越大
D．平均结合能越大，原子核越稳定
解析：选D.由不同原子核的平均结合能随质量数的变化图象可知，中等质量的核平均结合能较大，故A、B、C错误；平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，故D正确．
某核反应方程为H＋H―→He＋X.已知H的质量为2.013 6 u，H的质量为3.018 0 u，He的质量为4.002 6 u，X的质量为1.008 7 u．则下列说法中正确的是( )
A．X是质子，该反应释放能量
B．X是中子，该反应释放能量
C．X是质子，该反应吸收能量
D．X是中子，该反应吸收能量
解析：选B.设X的质量数为a，核电荷数为b，则由质量数守恒和电荷数守恒知：2＋3＝4＋a，1＋1＝2＋b
所以a＝1，b＝0，故X为中子
核反应方程的质量亏损为
Δm＝(2.013 6 u＋3.018 0 u)－(4.002 6 u＋1.008 7 u)＝0.020 3 u，由此可知，该反应释放能量．
为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”．对于爱因斯坦提出的质能方程E＝mc2，下列说法中不正确的是 ( )
A．E＝mc2表明物体具有的能量与其质量成正比
B．根据ΔE＝Δmc2可以计算核反应中释放的核能
C．一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损
D．E＝mc2中的E是发生核反应中释放的核能
解析：选D.爱因斯坦质能方程E＝mc2，定量地指出了物体能量和质量之间的关系，A正确；由质能方程知，当物体的质量减少时，物体的能量降低，向外释放了能量；反之，若物体的质量增加了，则物体的能量升高，表明它从外界吸收了能量，所以由物体的质量变化能算出物体的能量变化，故B、C正确，D错误．
中子n、质子p、氘核D的质量分别为mn、mp、mD.现用光子能量为E的γ射线照射静止氘核使之分解，反应方程为γ＋D→p＋n.若分解后的中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是( )
A.[(mD－mp－mn)c2－E]
B.[(mp＋mn－mD)c2＋E]
C.[(mD－mp－mn)c2＋E]
D.[(mp＋mn－mD)c2－E]
解析：选C.核反应中的质量亏损Δm＝mp＋mn－mD，
则核反应中吸收的能量ΔE＝Δmc2＝(mp＋mn－mD)c2，
设中子的动能为Ek，
据能量守恒定律可得：E－ΔE＝2Ek，
所以Ek＝(E－ΔE)＝[(mD－mp－mn)c2＋E]，
则可知C项正确．
当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时，放出28.30 MeV的能量，当三个α粒子结合成一个碳(C)核时，放出7.26 MeV能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳(C)核时，释放的能量约为( )
A．21.04 MeV B．35.56 MeV
C．77.64 MeV D．92.16 MeV
解析：选D.6个中子和6个质子可结合成3个α粒子，放出能量3×28.30 MeV＝84.9 MeV，3个α粒子再结合成一个碳核，放出7.26 MeV能量，故6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放能量为84.9 MeV＋7.26 MeV＝92.16 MeV.
二、多项选择题
7．一个质子和一个中子结合成氘核时，产生γ光子，由此可见( )
A．氘核的质量等于质子和中子的质量之和
B．氘核的质量小于质子和中子的质量之和
C．核子结合成原子核时会释放核能
D．原子核分解成核子时会释放核能
解析：选BC.由于结合时产生γ光子，即产生能量，故反应中有质量亏损，B对，A错；质子和中子统称核子，该反应为核子结合成原子核的反应，故C对，D错．
8．在下述几种情况中，一定能释放原子核能的是( )
A．由核子结合成原子核
B．由质量小的原子核结合成质量较大的原子核
C．核反应中产生质量亏损时
D．由重核裂变成质量较小的中等核
解析：选ACD.任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和，由爱因斯坦质能方程可知，只要在反应过程中有质量亏损，就有能量释放出来．故A、C、D正确，B错误．
9．关于原子核的结合能，下列说法正确的是( )
A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量
B．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能
C．铯原子核(Cs)的结合能小于铅原子核(Pb)的结合能
D．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能
解析：选ABC.原子核分解成自由核子时，需要的最小能量就是原子核的结合能，选项A正确；重核衰变时释放能量，衰变产物更稳定，即衰变产物的比结合能更大，衰变前后核子数不变，所以衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，选项B正确；铯核的核子数比铅核的核子数少，其结合能也小，选项C正确；自由核子组成原子核时，需放出能量，因此质量亏损，产生的能量小于原子核的结合能，选项D错误．
10．中子和质子结合成氘核时，质量亏损为Δm，相应的能量ΔE＝Δmc2＝2.2 MeV是氘核的结合能．下列说法正确的是( )
A．用能量小于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核不能分解为一个质子和一个中子
B．用能量等于2.2 MeV 的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零
C．用能量大于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零
D．用能量大于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和不为零
解析：选AD.氘核分解为一个质子和一个中子时，所需吸收的能量不能小于其结合能2.2 MeV，故A对；光子照射氘核时，光子和氘核组成的系统总动量不为零，由动量守恒定律得，光子被氘核吸收后，分解成的质子和中子的总动量不为零，故总动能也不为零，所以把氘核分解为质子和中子所需的能量应大于2.2 MeV，故D对，B、C错．
三、非选择题
11．历史上第一次利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为0.5 MeV的质子H轰击静止的X，生成两个动能均为8.9 MeV的He.(1 MeV＝1.6×10－13 J)
(1)上述核反应方程为__________________________．
(2)质量亏损为多少kg?
解析：(1)根据电荷数和质量数守恒可写出核反应方程为H＋X→He＋He或H＋Li→He＋He.
(2)设反应前质子的动能为Ek0，反应后He的动能为Ek，由于质量亏损而释放的能量为
ΔE＝2Ek－Ek0＝(2×8.9－0.5) MeV＝17.3 MeV，
根据爱因斯坦质能方程，有
Δm＝＝ kg≈3.1×10－29 kg.
答案：(1)H＋X→He＋He(或H＋Li→He＋He) (2)3.1×10－29
12．一个静止的铀核U(原子质量为232.037 2 u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核Th(原子质量为228.028 7 u)．(已知原子质量单位1 u＝1.67×10－27 kg，1 u相当于931.5 MeV的能量)
(1)写出铀核的衰变反应方程；
(2)算出该衰变反应中释放出的核能；
(3)若释放的核能全部转化为新核的动能，则α粒子的动能为多少？
解析：(1)U→Th＋He.
(2)质量亏损
Δm＝mU－mα－mTh＝0.005 9 u
ΔE＝Δmc2＝0.005 9×931.5 MeV≈5.50 MeV.
(3)系统动量守恒，钍核和α粒子的动量大小相等，即
pTh＋(－pα)＝0
pTh＝pα
EkTh＝eq \f(p,2mTh)
Ekα＝eq \f(p,2mα)
EkTh＋Ekα＝ΔE
所以钍核获得的动能
EkTh＝·ΔE＝×5.50 MeV≈0.09 MeV
解得：Ekα＝5.50 MeV－0.09 MeV＝5.41 MeV.
答案：(1)U→Th＋He (2)5.50 MeV
(3)5.41 MeV
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第4章 核 能
本部分内容讲解结束
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概念:只存在于相邻核子间的作用力
核力
特点:短程力、强相互作用
结合能与平均结合能
核能
质量亏损:△m=m前-m后
质能方程E=mc2,△E=△mc2
定义:重核分裂成中等质量核的反应
中子再生率大于1
核能
裂变
链式反应的条件
铀块体积大于临界体积
「裂变反应堆与核电站
定义:轻核聚合成较重核的反应
几百万摄氏度的高温
聚变
发生条件
等离子体的密度及维持时间达到一定值
可控热核反应:(1)引力约束;(2)磁约束;(3)惯性约束
核能的利
利用:(1)核电站;(2)核武器
用与危害
危害:(1)核废料;(2)核泄漏
知识体系网络构建
宏观把握·理清脉络
专题归纳,整合提升
归纳整合·深度升华
本章优化总结
[学生用书P62]
原子核变化的类型[学生用书P63]
某种元素的原子核变成另一种元素的原子核的过程，有四种常见的类型，分别为衰变、人工转变、重核裂变和轻核聚变．不同的核变化过程中都伴随着核子(质子、中子)数目的变化和能量变化．所有核反应的反应前后都遵守：质量数守恒、电荷数守恒．
1．衰变
α衰变：U→Th＋He
β衰变：Th→Pa＋e
＋β衰变：P→Si＋e
γ衰变：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级．
2．人工转变
N＋He→O＋H(发现质子的方程)
Be＋He→C＋n(发现中子的方程)
Al＋He→P＋n(人工制造放射性同位素)
3．重核的裂变：U＋n→Ba＋Kr＋3n
重核分裂为中等质量的原子核，在一定条件下(超过临界体积)，裂变反应会连续不断地进行下去，这就是链式反应．
4．轻核的聚变：H＋H→He＋n(需要几百万摄氏度高温，所以又叫热核反应)．
核反应有以下几种情况：一是衰变，二是人工转变，三是裂变，四是聚变．核反应可用方程来表示，叫核反应方程．完成下列核反应方程，并指明它属于何种核反应；
(1)U→Th＋( )属__________；
(2)Be＋( )→C＋n，属__________；
(3)H＋H→He＋( )，属__________；
(4)U＋n→Sr＋Xe＋( )，属________．
[解析] 根据质量数和电荷数守恒可判定：
(1)中的未知核为He，该反应属衰变；
(2)中的未知核为He，该反应属人工转变；
(3)中的未知核为n，该反应属于聚变；
(4)中的未知核为10n，该反应属于裂变．
[答案] 见解析
衰变与其他核反应最主要的区别为前者自发进行，不需要其他粒子诱发，生成α、β或γ粒子；重核裂变和轻核聚变与其他人工转变不同的是有巨大能量释放，裂变最显著的特征是重核分成中等质量的核，聚变则为轻核结合成质量较大的原子核．
核能的计算[学生用书P63]
根据质量亏损计算，由爱因斯坦质能方程，用核反应过程中的质量亏损(Δm)与真空中光速(3×108 m/s)平方的乘积，即ΔE＝Δmc2.①
根据1原子质量单位(1 u)相当于931.56 MeV的能量，用核反应过程中的质量亏损的原子质量单位数乘以931.56 MeV，即ΔE＝Δm×931.56 MeV.②
在利用以上两式来计算核能时，应用过程应注意以下几点：
(1)式①中的Δm的单位为kg，ΔE的单位是J；式②中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV.
(2)如果在核反应中无光子辐射，核反应中释放的能量全部转化为生成的新核和新粒子的动能，在这种情况下，可利用力学中的动量守恒和能量守恒来处理有关问题．
(3)核反应中的质量亏损并不是核子个数(即质量数)的亏损，核子个数是守恒的．所谓质量亏损，也不是质量的消失，只是在核反应过程中伴随着能量的辐射所体现出的相应部分质量的减少．
利用平均结合能来计算核能
原子核的结合能＝核子的平均结合能×核子数．核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能．
根据能量守恒和动量守恒来计算核能
参与核反应的粒子所组成的系统，在核反应过程中的动量和能量是守恒的，因此，在题给条件中没有涉及到质量亏损，或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下，用动量守恒和能量守恒可以计算出核能的变化．
应用阿伏伽德罗常数计算核能
若要计算具有宏观质量的物质中所有原子核都发生核反应所放出的总能量，应用阿伏伽德罗常数计算核能较为简便．
(1)根据物体的质量m和摩尔质量M，由n＝求出物质的量，并求出原子核的个数：N＝NAn＝NA.
(2)由题设条件求出一个原子核与另一个原子核反应放出或吸收的能量E0(或直接从题目中找出E0)．
(3)再根据E＝NE0求出总能量．
氚核和氦核发生聚变生成锂核，反应方程为：H＋He―→Li，已知各核的平均结合能分别为：EH＝1.112 MeV，EHe＝7.075 MeV，ELi＝5.603 MeV，试求此核反应过程中释放的核能．
[思路点拨] 此题可先计算7个核子被拆散时需吸收的能量，然后再计算7个核子聚成锂核时释放的能量．两者的差值即核反应释放的能量．
[解析] H和He分解成核子需提供能量，核子结合成Li时释放能量，则此核反应过程中释放的核能为两者之差．
H和He分解成7个核子所需的能量为：
E1＝3×1.112 MeV＋4×7.075 MeV＝31.636 MeV.
7个核子结合成Li，释放的能量为：
E2＝7×5.603 MeV＝39.221 MeV.
所以此核反应过程中释放的核能为：
ΔE＝E2－E1＝39.221 MeV－31.636 MeV＝7.585 MeV.
[答案] 7.585 MeV
利用平均结合能计算核能时，一般采用“先拆散后结合”的方法．
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