沪教版高中物理选修2-3 5.3核武器 核聚变-学案-

核武器 核聚变
【学习目标】
1．了解聚变反应的特点及其条件。
2．了解可控热核反应及其研究和发展。
3．知道轻核的聚变能够释放出很多的能量，如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。
【学习重点】
聚变核反应的特点。
聚变反应的条件。
【学习过程】
一、核聚变
1．定义：两个轻核结合成质量______的核的反应。轻核聚变反应必须在______下进行，因此又叫热核反应。
2．核反应举例： H＋ H―→__________＋ n＋17.6 MeV
3．特点：在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变能__________的能量。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠__________的热就可以使反应进行下去。
4．实例分析
(1)核武器：______，由普通炸药引爆________，再由________爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
(2)宇宙天体：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____________。
二、受控热核反应
1．聚变与裂变相比有很多优点
(1)轻核聚变____________：相同质量的核燃料，聚变反应产生的能量较多。
(2)地球上聚变燃料的储量______。地球上的河流、湖泊、海洋中的水中含有丰富的____，反应中所用的氚可以用____制取，而____在地球上也有很大的储量。
(3)轻核聚变更为安全、清洁。聚变反应产生的____没有放射性，放射性废物主要是泄漏的氚和聚变时产生的高速______、______与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变反应堆生成的废物________、容易处理。
2．约束核聚变材料的方法
(1)磁约束：带电粒子在均匀磁场中运动时会由于洛伦兹力的作用而不飞散，所以可用磁场约束参加反应的物质，目前性能最好的磁约束装置是________。
(2)惯性约束：聚变反应的时间非常短，聚变物质由于自身______还来不及扩散就完成了反应，因此，在______约束下，可以用激光照射的方法使聚变物质“挤”在一起发生反应。
典型例题
例1、(2009·烟台诊断)两个动能均为1 MeV的氘核发生正面碰撞，引起如下反应H＋H―→H＋H，已知：氘核的质量为2.0136 u，氚核的质量为3.0156 u，氢核的质量为1.0073 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？
[解析]
(1)由质能方程的简化公式得：ΔE＝Δm×931.5 MeV＝(2×2．0136－3．0156－1．0073)×931.5 MeV≈4.005 MeV
(2)设氚核和氢核的动量分别为p1、p2，动能分别为Ek1、Ek2．
相互作用过程中动量守恒p1＝p2
Ek1＝＝
Ek2＝＝
由能量守恒得2Ek＋ΔE＝Ek1＋Ek2
由以上几式并代入数据可解得Ek2≈4.5 MeV。
答案：(1)4.005 MeV (2)4.5 MeV
【达标检测】
1．发生热核反应的办法有( )
A．用中子轰击
B．保持室温环境、增大压强
C．把物体加热到几百万摄氏度以上
D．用γ光子照射
2．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是( )
A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量大
C．聚变反应中粒子的比结合能变小
D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加
3．(2009·郑州质检)钱学森被评为“2007感动中国十大人物”，他参与了我国第一颗原子弹和第一颗氢弹的研制工作。氢弹爆炸时发生的核反应是( )
A．Be＋He―→C＋n
B．Th―→Pa＋e
C．U＋n―→Sr＋Xe＋10n
D．H＋H―→He＋n
4．已知氦原子核的质量为mHe u，电子的质量为me u，质子的质量为mp u，中子的质量为mn u，u为原子质量单位，且由爱因斯坦的质能方程E＝mc2可知：1 u对应931.5 MeV的能量，若取光速c＝3×108 m/s，则每合成(聚变)一个氦原子核，释放的能量为( )
A．[2×(mp＋mn)－mHe]×931.5 MeV
B．[2×(mp＋mn)＋me]×931.5 MeV
C．[2×(mp＋mn＋me)]×c2
D．[2×(mp＋mn)－mHe]×c2
5．有下列反应：
①He＋Al―→P＋n
②H＋H―→He＋γ
③F＋H―→O＋He
④U＋n―→Sr＋Xe＋10n＋γ
关于上面四个核反应方程，下列说法正确的是( )
A．①是原子核的人工转变的反应方程式
B．②是聚变的核反应方程式
C．③是α衰变的反应方程式
D．④是裂变的核反应方程式
6．(2009·东营模拟)一个氘核和一个氚核的反应方程是H＋H―→He＋n，此反应过程产生的质量亏损为Δm。
已知阿伏加德罗常数为NA，真空中的光速为C．若1 mol氘和1 mol氚完全发生反应生成氦，则在这个核反应中释放的能量为( )
A．NAΔmc2 B．NAΔmc2
C．2NAΔmc2 D．5NAΔmc2
7．(2009·潍坊质检)设太阳内部持续不断地发生着4个质子聚变为1个氦核放出2个正电子的热核反应，这个核反应释放的大量能量就是太阳的能源。
已知mp＝1.007 276 u，mHe＝4.002 603 u，me＝0.000 548 u。
(1)写出这个核反应方程；
(2)这一核反应释放出的能量有多少焦？
(3)若太阳向空间辐射的总功率为3.8×1026W，则太阳的质量每秒将减少多少千克？
8．试求在氢弹中合成1 kg的氦时所释放的能量。(氘核H的质量为2.0136 u，氚核H的质量为3.0166 u，氦核He的质量为4.0026 u，中子的质量为1.0087 u)