人教版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第5章 第4节　核裂变和核聚变课件46 张PPT

第4节　核裂变和核聚变
核心素养
物理观念
科学思维
科学态度与责任
1.知道什么是核裂变。
2.知道链式反应及链式反应的条件，并能计算裂变释放的核能。
3.了解裂变反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度以及核电站的工作模式。
4.知道什么是聚变反应，会计算核聚变中释放的核能。
5.了解可控热核反应及其研究和发展。
1.体会核“燃料”是高质量、高密度的新能源。
2.体会核能对人类社会是一把“双刃剑”的论述。
核裂变与核聚变在高科技中的应用
知识点一　核裂变的发现
[观图助学]
新华社十六日讯　 一九六四年十月十六日十五时，中国爆炸了一颗原子弹，成功地进行了第一次核试验。这是中国人民在加强国防力量、反对美帝国主义核讹诈和核威胁政策的斗争中所取得的重大成就。保护自己，是任何一个主权国家不可剥夺的权利。保卫世界和平，是一切爱好和平的国家的共同职责。面临着日益增长的美国的核威胁，中国不能坐视不动。中国进行核试验，发展核武器，是被迫而为的。你知道原子弹的原理吗？
1964年10月
16日，我国
第一颗原子
弹爆炸成功
1.核裂变：重核被______轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反应。
3.链式反应：由重核裂变产生的中子使核裂变反应____________继续下去的过程叫核裂变的链式反应。
4.临界体积和临界质量：把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
5.核裂变的能量：1 kg铀235全部发生核裂变放出的能量相当于__________标准煤完全燃烧时释放的化学能。
中子
一代接一代
2 800 t
[思考判断]
(1)铀核裂变的产物是固定的，就是生成钡和氪，同时放出3个中子。( )
(2)裂变中放出的中子数目是固定的3个中子。( )
(3)只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应。( )
×
×
√
知识点二　反应堆与核电站
1.核反应堆：控制链式反应的核心设施是__________，它主要由以下几部分组成：
(1)燃料：______。
(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用____________________做慢化剂。
(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。镉__________的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度会慢一些，这种镉棒叫做控制棒。
核反应堆
铀棒
石墨、重水或普通水
吸收中子
2.核电站——利用核能发电的装置
(1)工作原理：____________释放的能量，使反应区温度升高。
(2)能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的______传输出去，用于发电。同时也使反应堆冷却。
(3)核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的________，用来屏蔽__________放出的各种射线，核废料具有很强的________，需要装入特制的容器，深埋地下。
核燃料裂变
热量
水泥层
裂变反应
放射性
[思考判断]
(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。( )
×
√
×
知识点三　核聚变
[观图助学]
1967年6月17日上午8时20分，我国西部地区新疆罗布泊上空，我国第一颗氢弹爆炸试验获得完全成功。五十多年过去了，试验全过程中的困难、艰辛、风险与酸楚，时时犹在眼前。你知道氢弹的原理吗？
1.核聚变
(1)定义：两个轻核结合成__________的核，并释放出______的反应。
(3)条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到________m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的__________，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达________开尔文，因此聚变又叫__________。
(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是______，需要用________爆炸产生的高温高压引发核爆炸。
质量较大
能量
10－15
库仑斥力
几百万
热核反应
氢弹
原子弹
(5)太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.5×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部______释放的核能。
聚变
[思考判断]
(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。( )
(3)热核反应主要用在核武器上，那就是原子弹。( )
×
√
×
2.受控热核反应
(1)聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高。第二：地球上聚变燃料的储量丰富。第三：轻核聚变更为安全、清洁，控制温度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理。
(2)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。
(3)控制方法
①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是________。
②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用______从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。
环流器
激光
[思考判断]
(1)轻核聚变比裂变更安全、清洁。( )
(2)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。( )
(3)现在聚变只要达到临界质量就可以发生。( )
√
√
×
[观察探究]
如图为核裂变示意图。
核心要点
重核裂变及链式反应
(1)重核裂变是一种天然现象吗？
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
提示　(1)重核的裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中。
(2)只有达到链式反应的条件时，链式反应才能进行下去。
[探究归纳]
1.铀核的裂变
(1)铀核受激发：当中子进入铀235后，使核处于激发状态，由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。
(2)铀核分裂：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。
(3)核能的释放：裂变中比结合能变大，因而释放核能。
2.链式反应的条件
(1)有慢中子轰击。
(2)铀块的体积大于临界体积，或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。
3.裂变反应的能量
铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧释放的化学能，裂变时能产生几百万度的高温。
4.铀的同位素中铀235比铀238更容易发生链式反应。
[试题案例]
[例1] (多选)关于重核裂变的说法正确的是(　　)
A.重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多
B.只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应
C.为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子
D.裂变过程中释放能量，质量亏损
审题指导　解答本题时应注意以下三点：
(1)原子核裂变时释放能量。
(2)链式反应的条件。
(3)核反应遵循的规律。
解析　重核裂变为两个中等质量的核时，会产生两到三个中子，因而分裂后的中子数减小，选项A正确；链式反应的发生是有条件的，铀块的体积必须大于其发生链式反应的临界体积，链式反应一旦发生，中子轰击铀核裂变产生的中子再次引起其他铀核的裂变，且能不断继续下去，选项B、C错误；重核裂变时质量发生亏损，总能量减小，减小的能量对外释放，选项D正确。
答案　AD
[针对训练1] 铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是(　　)
A.铀块的质量是重要因素，与体积无关
B.为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子
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.裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关
解析　要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于临界体积或临界质量，故选项A、D错误，C正确；铀235俘获慢中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的几率小，故选项B错误。
答案　C
[要点归纳]
铀核裂变释放核能的计算
核心要点
裂变过程中核能的分析与计算
1.首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm。
2.根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能
计算时注意Δm与ΔE单位的对应关系，若Δm用kg做单位，ΔE用J做单位；Δm用u做单位，ΔE用MeV做单位，1 u相当于931.5 MeV的能量。
3.若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核(设为n)，则铀块裂变释放的核能E＝nΔE。
解析　(1)锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－146＝90；
不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应发生的质量亏损为
Δm＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn＝0.212 u
因此1 kg铀235完全裂变产生的能量约为
E＝n·Δm×931.5 MeV
＝2.56×1024×0.212×931.5 MeV
＝5.06×1026 MeV。
答案　(1)40　90　(2)5.06×1026 MeV
[针对训练2] 核反应堆的功率为104 kW，1 h消耗燃料8.75 g，已知每个铀235裂变时放出2×108 eV的能量，求该燃料中铀235的质量百分之比。
解析　该反应堆每小时输出的能量为
E＝Pt＝107×3 600 J＝3.6×1010 J
设放出这些能量消耗的纯铀235的质量为m g，则
答案　5%
[要点归纳]
1.核电站的主要部件及作用如下表
核心要点
核电站
　　部件名称
项目　　
慢化剂
控制棒
热循环
介质
保护层
采用的
材料
石墨、重水或普通水(也叫轻水)
镉
水或液态的金属钠
很厚的水泥外壳
作用
降低中子速度，便于铀235吸收
吸收中子，控制反应速度
把反应堆内的热量传输出去
屏蔽射线，防止放射性污染
2.核电站发电的优点
(1)消耗的核燃料少。
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大，所能提供的能量大。
(3)对环境的污染要比火力发电小。
[试题案例]
[例3] 如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法正确的是(　　)
A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B.快中子跟慢化剂的原子核碰撞后的能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C.控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D.要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
解析　快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，选项C、D都错误。
答案　B
[针对训练3] (多选)关于核反应堆，下列说法正确的是(　　)
A.铀棒是核燃料，裂变时释放核能
B.镉棒的作用是控制反应堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能
解析　铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故选项A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故选项B正确；慢中子最容易引发核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故选项C错误；水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控制温度，故选项D正确。
答案　ABD
[观察探究]
如图为氢弹原理示意图。
(1)核聚变需要满足什么条件？
(2)为什么要用原子弹才能引爆氢弹？
核心要点
对核聚变的理解
提示　(1)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。
(2)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。
[探究归纳]
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.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。
3.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。
4.重核裂变与轻核聚变的区别
?
重核裂变
轻核聚变
放能原理
重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能
两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
核废料处理难度
聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
原料的蕴藏量
核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%
主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富。1 L海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当
可控性
速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能
目前，除氢弹以外，人们还不能控制它
[试题案例]
[例4] 下列说法不正确的是(　　)
解析　A选项中两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核，是聚变反应，故选项A正确；B选项中的核反应是铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子，是裂变反应，故选项B正确；在C选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了α粒子，是α衰变，选项C正确；而D选项应是β衰变，选项D不正确。
答案　D
总结提升　主要核反应类型有
(1)衰变：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出α或β粒子。
(2)人工转变：人工转变常用α粒子(也可用质子、中子等)轰击原子核，该核捕获α粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子。
(3)核裂变：核裂变时铀核捕获中子裂变为两个(或多个)中等质量的核，并放出几个中子。
(4)核聚变：轻核聚合成较重原子核的反应。
[针对训练4] 以下说法正确的是(　　)
A.聚变是裂变的逆反应
B.如果裂变反应释放能量，则聚变反应必定吸收能量
C.聚变须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量
D.裂变与聚变均可释放巨大的能量
解析　裂变与聚变的反应物和生成物完全不同，裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为较重核，无直接关联，并非互为逆反应，选项A错误；裂变与聚变都释放能量，选项B错误，D正确；要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量。但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量。因此，总的来说，聚变反应还是释放能量，选项C错误。
答案　D
[试题案例]
[例5] 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。
(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？(已知质子质量为mH＝1.007 3 u，氦核质量为mHe＝4.001 5 u，电子质量为me＝0.000 55 u，1 u相当于931.5 MeV的能量，真空中的光速c＝3×108 m/s)
核心要点
聚变反应中质量亏损和核能的计算
(2)反应前的质量m1＝4mH＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u，反应后的质量m2＝mHe＋2me＝4.001 5 u＋2×0.000 55 u＝4.002 6 u，Δm＝m1－m2＝0.026 6 u，由质能方程得，释放能量ΔE＝0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV。
(3)4.22×109 kg
[针对训练5] (2019·天津卷)(多选)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是(　　)
A.核聚变比核裂变更为安全、清洁
B.任何两个原子核都可以发生聚变
C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加
D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
解析　核聚变的最终产物是氦气无污染，而核裂变会产生固体核废料，因此核聚变更加清洁和安全，A正确；发生核聚变需要在高温高压下进行，重核不能发生核聚变，故B错误；核聚变反应会放出大量的能量，根据质能关系可知反应会发生质量亏损，故C错误；因聚变反应放出能量，因此反应前的比结合能小于反应后的比结合能，故D正确。
答案　AD