4.6 核能利用 学案（粤教版选修3-5）
文档属性
| 名称 | 4.6 核能利用 学案（粤教版选修3-5） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 73.6KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 广东版 | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2011-11-16 18:28:33 | ||
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文档简介
4.6 核能利用 学案
【学习目标】
(1)知道核反应堆和核电站．
(2)了解裂变反应堆的工作原理，了解常用裂变反应堆的类型．
(3)知道核电站的工作模式，了解核能的发展前景．
【学习重点】
核反应堆的工作原理
【知识要点】
反应堆
核反应堆是核电站的心脏．它是人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓的释放出来．其结构如下表：
裂变材料(核燃料) 一般用浓缩铀(铀235占3％一4％)，通常做成棒状，置于反应堆的中心部分．
慢化剂(减速剂) 通常用石墨、重水或普通水，其作用是使裂变产生的快中子通过慢化剂而减速，使它容易被铀235吸收．
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．当反应太强时，控制棒能自动插入．多吸收些中子；当反应强度不够时，控制棒能自动抽出一些，少吸收一些中子．
反射层 一般用石墨做材料，安放在反应堆中心区周围，阻止中子逃逸．
热交换器 核反应堆中释放的能量大部分转化为热能．利用水循环，产生高温高压的蒸汽。从而推动蒸汽轮机．带动发电机发电．
防护层 由金属套、防止中予外逸的水层以及l--2 m厚的钢筋混凝土构成，可有效地防止射线对人体及其他生物体的侵害．
说明：
①裂变反应堆常见的类型有：重水堆、高温气冷堆、快速中子增殖反应堆等． ；
②为防止射线泄漏和核废料污染，在反应堆的外面需建很厚的水泥防护层，要对核废料进行特殊密封并深埋于地下深层．
二、核电站的工作模式
核电站是以核反应堆为能源，产生高压蒸汽，取代发电厂的锅炉，其余部分与火力发电厂基本相同．如课本图所示，它主要由裂变反应堆、第一回路系统、第二回路系统及其他辅助系统组成．
三、核能的利用
1．核武器：如原子弹、氢弹．
2．核电站：除发电外，反应堆还可提供大量中子用来进行各种物理实验，制造各种放射性同位素．
3．核动力：如核动力潜艇、核动力破冰船、核动力航空母舰、核动力太空探测器等．
【典型例题】
例题1、下列核反应中，表示核裂变的是（ ）
A、 B、
C、 D、
分析：核反应中有四种不同类型的核反应，它们分别是衰变、人工转变、重核裂变、轻核聚变。其中衰变中有衰变、衰变等。
是衰变， 是衰变，是人工转变，只的C选项是重核裂变。
解：表示核裂变的是C
例题2、秦山核电站第一期工程装机容量为30万kW，如果1g铀235完全裂变时产生的能量为8.21010 J，并且假定产生的能量都变成了电能，那么，每年要消耗多少铀235 （一年按365天计算）
学生回答：
解：核电站每天的发电量为W=Pt=3×108×24×3600 J=2.592×1013 J，每年的发电量W总=365W=9.46×1015 J而1 g铀完全裂变时产生的能量为：8.2×1010 J 所以，每年消耗的铀的量为：
点评：培养学生推理及公式演算的能力。注意速度单位的换算，运算过程中带单位运算。适当进行爱国主义教育。
例题3、水（包括海水）是未来的“煤炭”，能从根本上解决人类能源问题。这是指 （填“氢能”、“核能”、“氢能和核能”）和利用。请说明理由。
解析：①核能： 因为海水中含有大量核聚变的材料氘，通过核聚变能够释放大量的核能。
②核能和氢能：因为海水中含有大量核聚变的材料氘，通过核聚变能够释放大量的核能。氢能有便于储存与运输的优点，也可以为解决能源问题做出贡献。
【达标训练】
1. 下列说法错误的是 ( )[21世纪教育网]
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
2.一群处于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21世纪教育网
3.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 ( )
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
4.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
5. (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
6．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
7．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
8．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
9．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
10．．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121世纪教育网
11．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
12．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
13．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
14. 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．
15. 核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源.近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站.一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子若已知氘原子的质量为，氚原子的质量为，氦原子的质量为4.0026u，中子的质量为1.0087u，.
(1)写出氘和氚聚合的反应方程.
(2)试计算这个核反应释放出来的能量.
(3)若建一座功率为的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半变成了电能，每年要消耗多少氘的质量？
（一年按计算，光速，结果取二位有效数字）
16.图示为氢原子能级示意图，现有每个电子的动能都是Ee=12.89eV的电子束与处在基态的氢原子束射入同一区域，使电子与氢原子发生迎头正碰。已知碰撞前一个电子和一个原子的总动量为零。碰撞后，氢原子受到激发，跃迁到n＝4的能级。求碰撞后一个电子和一个受激氢原子的总动能。已知电子的质量与氢原子的质量之比为。
17.如图所示，在半径为r的圆形区域内有磁感应强度为B，方向垂直纸面向里的匀强磁场，磁场区域的边界上有a、 b、c三点，三点与圆心O的连线互成1200角度．某时刻静止在b点处的原子核X发生α衰变，α粒子沿bc连线方向射入磁场，经磁场偏转后恰好由a点射出且与ac连线相切．已知α粒子的质量为m，电量为2e，剩余核质量为M，衰变过程释放的核能全部转化为动能，求原子核X的质量 21世纪教育网
18. 两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量为2.0136 u，氦核质量为3.0150u，中子的质量为1.0087u。
（1）写出聚变方程，求出释放能量；
（2）若反应前两氘核的动能均为0.35 MeV，正面相碰发生反应，且反应中释放的结合能全部变为动能，则反应后氦核和中子的动能各为多少？
【达标训练参考答案】
1 2 3 4 5 6 721世纪教育网 8 9 10 11 12 13
ABD D AD C ABD B21世纪教育网 C BD AD CD CD D D
14.解：粒子在磁场中做圆周运动，洛伦兹力提供向心力，所以，粒子的动能
X核衰变后生成的新核Y的速度设为u,则依据动量守恒有Mu=mv，所以Y核的动能[来源:21世纪教育网]
衰变过程释放的总能量ΔE=Eα+EM .
释放的能量由衰变过程亏损的质量转化而来，根据质能方程ΔE=Δmc2，得亏损的质量为
15.解：（1）
（2）
（3）一年中产生的电能发生的核反应次数为
所需氘的质量
16.解：已ve和vH表示碰撞前电子的速率和氢原子的速率，根据题意有
①
碰撞前，氢原子与电子的总动能为 ②
解①②两式并代入数据得 eV ③
氢原子从基态激发到n=4的能级所需能量由能级图得
eV ④
碰撞后电子和受激氢原子的总动能eV ⑤
17. 解：原子核衰变过程，系统动量守恒，
设沿bc为正方向，有：[来源:21世纪教育网]
（2分）
根据能量守恒，有： （2分）
对а粒子，有：
又由几何关系可知： 则可得： （2分）
即 （1分）
根据 ，得
（2分）
又 （2分）
（1分）
（2分）
18.解： （1）核反应方程为
反应中质量亏损为
所以释放的能量为
（2）由动量守恒和能量守恒知
①
②
由①②解得，
【反思】
收获21世纪教育网
疑问
【学习目标】
(1)知道核反应堆和核电站．
(2)了解裂变反应堆的工作原理，了解常用裂变反应堆的类型．
(3)知道核电站的工作模式，了解核能的发展前景．
【学习重点】
核反应堆的工作原理
【知识要点】
反应堆
核反应堆是核电站的心脏．它是人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓的释放出来．其结构如下表：
裂变材料(核燃料) 一般用浓缩铀(铀235占3％一4％)，通常做成棒状，置于反应堆的中心部分．
慢化剂(减速剂) 通常用石墨、重水或普通水，其作用是使裂变产生的快中子通过慢化剂而减速，使它容易被铀235吸收．
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．当反应太强时，控制棒能自动插入．多吸收些中子；当反应强度不够时，控制棒能自动抽出一些，少吸收一些中子．
反射层 一般用石墨做材料，安放在反应堆中心区周围，阻止中子逃逸．
热交换器 核反应堆中释放的能量大部分转化为热能．利用水循环，产生高温高压的蒸汽。从而推动蒸汽轮机．带动发电机发电．
防护层 由金属套、防止中予外逸的水层以及l--2 m厚的钢筋混凝土构成，可有效地防止射线对人体及其他生物体的侵害．
说明：
①裂变反应堆常见的类型有：重水堆、高温气冷堆、快速中子增殖反应堆等． ；
②为防止射线泄漏和核废料污染，在反应堆的外面需建很厚的水泥防护层，要对核废料进行特殊密封并深埋于地下深层．
二、核电站的工作模式
核电站是以核反应堆为能源，产生高压蒸汽，取代发电厂的锅炉，其余部分与火力发电厂基本相同．如课本图所示，它主要由裂变反应堆、第一回路系统、第二回路系统及其他辅助系统组成．
三、核能的利用
1．核武器：如原子弹、氢弹．
2．核电站：除发电外，反应堆还可提供大量中子用来进行各种物理实验，制造各种放射性同位素．
3．核动力：如核动力潜艇、核动力破冰船、核动力航空母舰、核动力太空探测器等．
【典型例题】
例题1、下列核反应中，表示核裂变的是（ ）
A、 B、
C、 D、
分析：核反应中有四种不同类型的核反应，它们分别是衰变、人工转变、重核裂变、轻核聚变。其中衰变中有衰变、衰变等。
是衰变， 是衰变，是人工转变，只的C选项是重核裂变。
解：表示核裂变的是C
例题2、秦山核电站第一期工程装机容量为30万kW，如果1g铀235完全裂变时产生的能量为8.21010 J，并且假定产生的能量都变成了电能，那么，每年要消耗多少铀235 （一年按365天计算）
学生回答：
解：核电站每天的发电量为W=Pt=3×108×24×3600 J=2.592×1013 J，每年的发电量W总=365W=9.46×1015 J而1 g铀完全裂变时产生的能量为：8.2×1010 J 所以，每年消耗的铀的量为：
点评：培养学生推理及公式演算的能力。注意速度单位的换算，运算过程中带单位运算。适当进行爱国主义教育。
例题3、水（包括海水）是未来的“煤炭”，能从根本上解决人类能源问题。这是指 （填“氢能”、“核能”、“氢能和核能”）和利用。请说明理由。
解析：①核能： 因为海水中含有大量核聚变的材料氘，通过核聚变能够释放大量的核能。
②核能和氢能：因为海水中含有大量核聚变的材料氘，通过核聚变能够释放大量的核能。氢能有便于储存与运输的优点，也可以为解决能源问题做出贡献。
【达标训练】
1. 下列说法错误的是 ( )[21世纪教育网]
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
2.一群处于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21世纪教育网
3.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 ( )
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
4.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
5. (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
6．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
7．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
8．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
9．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
10．．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121世纪教育网
11．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
12．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
13．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
14. 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．
15. 核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源.近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站.一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子若已知氘原子的质量为，氚原子的质量为，氦原子的质量为4.0026u，中子的质量为1.0087u，.
(1)写出氘和氚聚合的反应方程.
(2)试计算这个核反应释放出来的能量.
(3)若建一座功率为的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半变成了电能，每年要消耗多少氘的质量？
（一年按计算，光速，结果取二位有效数字）
16.图示为氢原子能级示意图，现有每个电子的动能都是Ee=12.89eV的电子束与处在基态的氢原子束射入同一区域，使电子与氢原子发生迎头正碰。已知碰撞前一个电子和一个原子的总动量为零。碰撞后，氢原子受到激发，跃迁到n＝4的能级。求碰撞后一个电子和一个受激氢原子的总动能。已知电子的质量与氢原子的质量之比为。
17.如图所示，在半径为r的圆形区域内有磁感应强度为B，方向垂直纸面向里的匀强磁场，磁场区域的边界上有a、 b、c三点，三点与圆心O的连线互成1200角度．某时刻静止在b点处的原子核X发生α衰变，α粒子沿bc连线方向射入磁场，经磁场偏转后恰好由a点射出且与ac连线相切．已知α粒子的质量为m，电量为2e，剩余核质量为M，衰变过程释放的核能全部转化为动能，求原子核X的质量 21世纪教育网
18. 两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量为2.0136 u，氦核质量为3.0150u，中子的质量为1.0087u。
（1）写出聚变方程，求出释放能量；
（2）若反应前两氘核的动能均为0.35 MeV，正面相碰发生反应，且反应中释放的结合能全部变为动能，则反应后氦核和中子的动能各为多少？
【达标训练参考答案】
1 2 3 4 5 6 721世纪教育网 8 9 10 11 12 13
ABD D AD C ABD B21世纪教育网 C BD AD CD CD D D
14.解：粒子在磁场中做圆周运动，洛伦兹力提供向心力，所以，粒子的动能
X核衰变后生成的新核Y的速度设为u,则依据动量守恒有Mu=mv，所以Y核的动能[来源:21世纪教育网]
衰变过程释放的总能量ΔE=Eα+EM .
释放的能量由衰变过程亏损的质量转化而来，根据质能方程ΔE=Δmc2，得亏损的质量为
15.解：（1）
（2）
（3）一年中产生的电能发生的核反应次数为
所需氘的质量
16.解：已ve和vH表示碰撞前电子的速率和氢原子的速率，根据题意有
①
碰撞前，氢原子与电子的总动能为 ②
解①②两式并代入数据得 eV ③
氢原子从基态激发到n=4的能级所需能量由能级图得
eV ④
碰撞后电子和受激氢原子的总动能eV ⑤
17. 解：原子核衰变过程，系统动量守恒，
设沿bc为正方向，有：[来源:21世纪教育网]
（2分）
根据能量守恒，有： （2分）
对а粒子，有：
又由几何关系可知： 则可得： （2分）
即 （1分）
根据 ，得
（2分）
又 （2分）
（1分）
（2分）
18.解： （1）核反应方程为
反应中质量亏损为
所以释放的能量为
（2）由动量守恒和能量守恒知
①
②
由①②解得，
【反思】
收获21世纪教育网
疑问
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