沪教版高中物理选修3-5 5.4核能利用与社会发展_学案1

核能利用与社会发展

【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；
4．了解核能的优越性，核电站的安全性能及核废料的处理。
【学习重难点】
1．书写核裂变、核聚变方程，计算核反应释放的能量；
2．重核的裂变反应和链式反应发生的条件；
3．核聚变的定义及发生条件。
【学习过程】
（一）新知识学习
1．重核的裂变
（1）核裂变：重核被中子轰击后分裂成质量差不多的两部分，同时放出几个中子，并放出核能的过程。
（2）链式反应：铀核裂变时，通常会放出2到3个中子，这些中子可以作为新的“炮弹”轰击其它的铀核，使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫做链式反应。
（3）发生链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于临界体积或发生裂变物质的质量大于等于临界质量。
2．裂变反应堆
（1）裂变反应堆是核电站的心脏。它是一种用人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来。
（2）裂变反应堆的基本结构
①裂变材料：铀棒；
②慢化剂：铀235容易捕获慢中子而发生反应，通常用石墨、重水或普通水（也叫轻水）作慢化剂；
③控制棒：用镉或硼钢制成，用来吸收减速后的中子，控制反应强度；
④反射层：一般用石墨做材料，阻止中子逃逸；
⑤热交换器：利用水循环，把反应堆中的热量传输出去；
⑥防护层：由金属套、防止中子外逸的水层以及1～2 m厚的钢筋混凝土构成。
3．裂变反应堆的常见类型
（1）重水堆：采用重水做慢化剂的反应堆。
（2）高温气冷堆：采用石墨为慢化剂、氦为冷却剂的反应堆。
（3）快中子增殖反应堆：以铀－235作为主要裂变材料的反应堆。其最大特点是可以合理利用有限的铀资源，使核燃料增殖。
4．核电站的工作模式
以核反应堆为能源，用它产生高压蒸汽，取代发电厂的锅炉，从而进行发电。
5．核聚变
（1）定义：使平均结合能小的轻核聚合成一个较重的原子核，同时释放核能。
（2）核反应举例：21H＋31H→42He＋10n＋17.6 MeV。
（3）聚变的条件：必须使原子核的距离达到10－15 m以内，为此必须有几千万开以上的高温才行，所以，聚变又叫热核反应。
5．受控热核反应
（1）“托卡马克”：是一种利用强磁场约束等离子体的环流器。
（2）激光聚变的构想：1964年，我国著名物理学家王淦昌与苏联科学家各自独立地提出了激光聚变的构想，即用高功率的激光束打在氘、氚的靶丸上，产生高温使核燃料发生核聚变。
6．核能的优越性
（1）核燃料提供的能量巨大。
（2）核燃料的储量丰富。
（3）核燃料的运输和储存方便。
（4）清洁卫生，对环境的污染小。
7．核安全性与核废料处理
（1）核电站的安全性能：为了防止放射性物质的泄漏，核电站设置了4道安全屏障。
①第一道屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块。
②第二道屏障：锆合金包壳。
③第三道屏障：由反应堆压力容器和冷却回路构成的压力边界。
④第四道屏障：安全壳。
（2）核废料的处理：我国对核废料采用后处理技术，即先回收铀、钚等，然后处理剩下的放射性废料和其他途径产生的核废料。
8．核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒。
9．核能运算：ΔE＝Δmc2。
（1）若Δm单位为kg，则ΔE的单位为J；
（2）若Δm单位为u，则ΔE的单位为MeV，可直接利用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算核能。
（二）达标检测
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．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
2．关于聚变，以下说法正确的是（ ）
A．两个氘核可以聚变成一个中等质量的原子核，同时释放出能量
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大得多
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
3．为了直接验证爱因斯坦狭义相对论中著名的质能方程E＝mc2，科学家用中子轰击硫原子，分别测出原子捕获中子前后质量的变化以及核反应过程中放出的能量，然后进行比较，精确验证了质能方程的正确性，设捕获中子前的原子质量为m1，捕获中子后的原子质量为m2，被捕获的中子质量为m3，核反应过程放出的能量为ΔE，则这一实验需验证的关系式是（ ）
A．ΔE＝（m1－m2－m3）c2
B．ΔE＝（m1＋m3－m2）c2
C．ΔE＝（m2－m1－m3）c2
D．ΔE＝（m2－m1＋m3）c2
4．一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；
（3）求平均每个核子释放的能量。
5．下列说法错误的是（ ）
A．原子核分裂成核子时会放出核能
B．α粒子散射实验使人们认识到原子核本身有复杂的结构
C．根据玻尔的原子理论，在氢原子中，量子数n越大，原子能级的能量也越大
D．氡222衰变成钋218，半衰期为3.8天，因此200个氡222原子核经过3.8天后剩下90个
6．一群处于n=4的激发态的氢原子，向低能级跃迁时，可能发射的谱线为（ ）
A．3条 B．4条 C．5条 D．6条
7．已知氢原子核外电子的第一条可能轨道半径为rl，此时氢原子的能量为E1，当核外电子在第n条可能轨道上时，有（ ）
A．其轨道半径为rn=n2r1
B．氢原子的能量为En=E1/n2，由此可见n越大，能量越小
C．氢原子在不同能量状态之间跃迁时，总能辐射出一定波长的光子
D．氢原子由能量状态En跃迁到能量状态En-1时，其辐射光子的波长为0
8．某放射性元素，在15h内衰变了全部原子核的7/8，则其半衰期为（ ）
A．10h B．7．5h C．5h D．3h
9．（钍）经过一系列α和β衰变，变成（铅），下列说法正确的是（ ）
A．铅核比钍核少8个质子 B．铅核比钍核少16个中子
C．共经过4次α衰变和6次β衰变 D．共经过6次α衰变和4次β衰变
10．卢瑟福提出原子的核式结构学说的依据是用α粒子轰击金铂，实验中发现α粒子（ ）
A．全部穿过或发生很小偏转
B．绝大多数穿过，只有少数发生较大偏转，有的甚至被弹回
C．全部发生很大偏转
D．绝大多数发生很大偏转，甚至被弹回，只有少数穿过
11．在极短的距离上，核力将一个质子和一个中子吸引在一起形成一个氘核，下述说法中正确的是（ ）
A．氘核的能量大于一个质子和一个中子能量之和
B．氘核的能量等于一个质子和一个中子能量之和
C．氘核的能量小于一个质子和一个中子能量之和
D．氘核若分裂为一个质子和一个中子时，一定要放出能量
12．关于质能方程，下列说法正确的是（ ）
A．人质量减少，能量就会增加，在一定条件下质量转化为能量
B．物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加一定值
C．物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系
D．某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的
13．当一个中子和一个质子结合成氘核时，产生γ光子辐射，对这一实验事实，下列说法正确的是（ ）
A．核子结合成原子核时，要放出一定的能量
B．原子核分裂成核子时，要放出一定的能量
C．γ光子的质量为零，氘核的质量等于中子与质子的质量之和
D．γ光子具有一定的能量，氘核的质量小于中子与质子的质量之和
14．原子核A经β衰变（一次）变成原子核B，原子核B再经α衰变（一次）变成原子核C，则下列说法中哪些说法是正确的？（ ）
A．核A的中子数减核C的中子数等于2
B．核A的质子数减核C的质子数等于5
C．原子核为A的中性原子的电子数比原子核为B的中性原子中的电子数少1
D．核C的质子数比核A的质子数少1
15．氢原子核外电子由一个轨道向另一个轨道跃迁时，可能发生的情况是（ ）
A．原子吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能增大，原子的能量增大
B．原子放出光子，电子的动能减少，原子的电势能减少，原子的能量减少
C．原子吸收光子，电子的动能减少，原子的电势能增大，原子的能量增大
D．原子放出光子，电子的动能增加，原子的电势能减少，原子的能量减少
16．氢原子从第4能级跃迁到第2能级发出蓝光，那么，当氢原子从第5能级跃迁到第2能级应发出（ ）
A．X射线 B．红光 C．黄光 D．紫光
17．氢原子第一能级是-13.6eV，第二能级是-3.4eV。如果一个处于基态的氢原子受到一个能量为11eV的光子的照射，则这个氢原子（ ）
A．吸收这个光子，跃迁到第二能级，放出多余的能量
B．吸收这个光子，跃迁到比第二能级能量稍高的状态
C．吸收这个光子，跃迁到比第二能级能量稍低的状态
D．不吸收这个光子
17．处于静止状态的原子核X经历一次衰变后变成质量为M的Y原子核，放出的粒子垂直射人磁感应强度为B的匀强磁场，测得其做圆周运动的半径为r，已知粒子的质量为m，电量为q，设衰变过程中出现的能量全部转化为新核和α粒子的动能。求此衰变过程亏损的质量。