4.5 裂变和聚变 学案（粤教版选修3-5）

4.5 裂变和聚变 学案
【学习目标】
(1)知道重核的裂变反应．
(2)知道链式反应的发生条件．知道原子弹的原理．
(3)知道轻核的聚变反应．知道氢弹的原理．
(4)了解受控热核反应的发展前景．
【学习重点】
核裂变与核聚变的条件
【知识要点】
一、重核裂变
1．定义：使重核分裂成中等质量的原子核的核反应叫重核的裂变．[来源:21世纪教育网]
2．裂变产物：
铀核裂变的产物是多种多样的，有时裂变为氙(Xe)和锶(Sr)，有时裂变为钡(Ba)和氪(Kr)，有时裂变为锑(Sb)和铌(Nb)．产物不同，释放的能量和中子数也不尽相同．
例举：
3．链式反应：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状，核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出2～3个中子．这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能，这就叫链式反应．如图所示．
4．链式反应的条件
(1)中子的再生率大于1要引起链式反应，必须使每一次核裂变所释放的中子中至少有一个引起新的核裂变，也就是说，中子的“再生率”大于1．
(2)铀块的体积大于临界体积
如果铀块太小，铀核裂变放出的中子会逸出铀块，从而中断或不引起链式反应，能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，如果铀235的体积超过临界体积，只要中子进入铀块，会立即引起铀核的链式反应．
二、聚变
1．定义：轻核结合成质量较大的原子核的反应叫聚变．H＋H→He＋n
2．聚变发生的条件：轻核聚变需要几百万摄氏度的高温．
3．轻核必须在很高的温度下相遇才能发生聚合放出更大的能量．由于温度较高，所以聚变也称为热核反应．
4．聚变与裂变的比较
(1)能用于热核反应的原料极其丰富，如氘是聚变的一种材料，在覆盖地球表面的海水中是取之不尽的；而裂变的原料比较稀缺．
(2)同样情况下聚变放出的能量比裂变大，如3个氘核聚变中平均每个核子释放的能量约为铀235裂变反应的4倍．
(3)热核反应后的遗留物对环境污染小，这一点裂变无法相比．
三、受控热核反应
实现核聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受如此高的温度．为解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束；而裂变反应较易控制．
【问题探究】[来源:21世纪教育网]
如何确定核反应时吸收能量还是放出能量
不同的核反应都可以放出能量，例如单个的核子结合成原子核时放出能量；重核分裂成成中等质量的核时放出能量；有些轻核结合成中等质量的核时也放出能量．这是为什么呢
原因是它们在发生核反应时都有质量亏损．
精确的研究表明，原子核的质量虽然随着原子序数Z的增大而增大，但是二者之间并不成正比关系．人们发现，不同的原子核，其核子的平均质量(原子核的质量除以核子数)与原子序数有如图所示的关系．
中等质量的原子核的核子的平均质量较小，重核和轻核的核子平均质量较大．
从图中可以看出，铁原子核中核子的平均质量最小．如果原子序数较大的重核A分裂成原子序数小一些的核B和C，或者原子序数很小的轻核D、E结合成一个原子序数大些的F核，都会有质量亏损，都会放出巨大的核能．核物理中把重核分裂成质量较小的核而释放出核能的反应，称为裂变；把轻核结合成质量较大的核而释放出核能的反应，称为聚变．
【典型例题】
例题1、科学家发现在月球上含有丰富的（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。关于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.目前核电站都采用聚变反应发电
解析：聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量。但目前核电站都采用采用铀核的裂变反应。因此B正确。
例题2、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 [21世纪教育网
例3、一个氘核和一个氚核发生聚变，其核反应方程是21H+31H→42He+10n，其中氘核的质量：mD=2.014 102 u、氚核的质量：mT=3.016 050 u、氦核的质量：mα=4.002 603 u、中子的质量：mn=1.008 665 u、1u=1.660 6×10-27kg，e = 1.602 2×10-19C，请同学们求出该核反应所释放出来的能量。
根据质能方程，释放出的能量为：
平均每个核子放出的能量约为3.3MeV，而铀核裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV。
总结：聚变与裂变相比，这是优点之一，即轻核聚变产能效率高。
常见的聚变反应：21H+21H→31He+11H+4MeV、 21H+31H→42He+10n+17.6 MeV。在这两个反应中，前一反应的材料是氘，后一反应的材料是氘和氚，而氚又是前一反应的产物，所以氘是实现这两个反应的原始材料，而氘是重水的组成部分，在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的。从这个意义上讲，轻核聚变是能源危机的终结者。
总结：聚变与裂变相比，这是优点之二，即地球上聚变燃料的储量丰富。
如1L海水中大约有0.03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧300L汽油。
【达标训练】[来源:21世纪教育网]
1、重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核的过程叫_______________，反应释放出的中子又轰击另一个重核……这样的反应一次接一次地进行下去，这样的过程叫________________，通常把此过程中的最小体积叫做它的___________体积，相应的质量叫___________质量。
2、原子核的链式反应也可以在人工控制下进行，从而实现了____________的可控释放。实验可控的条件是控制引起链式反应的____________的数目，方法是在核反应堆的___________之间插入一些镉棒，镉具有吸收___________的能力，当将镉棒插得深一些时，就能更多的_________________，从而使链式反应的速度慢下来，这种镉棒也叫_____________。
3、把两个质量较________的原子核结合成质量较________的原子核的过程叫_______________，由于这种反应需要在几百万度的高温下进行，所以也叫_________________。
4、轻核聚变与重核裂变相比有更多的优点，第一，轻核聚变产能效率较________；第二，地球上核聚变燃料的储量______________；第三，核聚变更____________、更清洁。科学家设想的受控热核反应有两种方案：即______________和_______________。
5、写出下列核反应的类型：
N＋He→O＋H ________________，U →Th＋He _________________，
H＋H →He＋n ________________，Hg＋n→Pt＋2H＋n ________________，
Th → Pa+e ________________，Po →Pb＋He ________________。
6、下列核反应方程中，符号“X”表示中子的是 ( )
A． Be +He→C+X B．N+He→O+X
C．Hg+n→Pt +2H+X D．U→Np+X
7、下列核反应方程中正确的是 ( )21世纪教育网
A．U →Th+H B． Be +He →C +n21世纪教育网
C． Th → Pa+e D．P →Si+e
8、原子反应堆是实验可控核裂变链式反应的一种装置，它的组成主要有 ( )21世纪教育网
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、减速剂、碰撞系统和传热系统
D．原子燃料、中子源、原子能存聚系统和输送系统
9、下列核反应中属于轻核聚变的是 ( )
A． H＋H →He＋n B．Th → Pa+e
C． Be +He →C+n D．U →Th+H
10、关于轻核聚变，下列说法正确的是 ( )
A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时释放出能量
B．同样质量的物体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很多
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
11、关于我国已建成生产的秦山和大亚湾核电站，下列说法正确的是 ( )
A．它们都是利用核聚变释放核能
B．它们都是利用核裂变释放核能
C．两者的核燃料都是纯铀235[来源:21世纪教育网]
D．前者是利用核聚变释放核能，后者是利用核裂变释放核能
12、一个质子和两个中子聚变成一个氚核，已知质子质量为1.0073u，中子质量为1.0087u，氚核质量为3.0180u，
（1）写出核反应方程；
（2）求该反应中释放的核能。
13、四个氢核聚变成一个氦核，同时放出两个正电子，释放出2.8×106eV的能量，
（1）写出核反应方程；
（2）计算1g氢核完成该反应后释放的核能。[来源:21世纪教育网]
（3）求平均每个核子放出的能量。
14、在所有能源中，核能具有能量密度大、区域适应性强的优势。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，释放出大量的核能。
（1）核反应方程U＋n →Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，则a的值为多少，X表示哪一种核？
（2）上述反应中，分别用mU、mB、mK表示U、Ba、Kr的质量，用mn和mp表示中子和质子的质量，则该反应过程中释放的核能为多少？
（3）有一座核能发电站，发电能力P＝1×106kW，核能转化为电能的效率η＝40%，设反应堆中发生的裂变反应全是（1）中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能E1＝2.78×10-11J，铀核的质量mU＝3.9×10-25kg，求每年（365天）需要消耗的铀的质量。
21世纪教育网
【达标训练参考答案】
1、重核裂变，链式反应，临界，临界 2、核能，中子，铀棒，中子，中子被吸收，控制棒 3、小，大，轻核聚变，热核反应 4、高，丰富，安全，磁约束，惯性约束 5、人工转变，α衰变，轻核聚变，重核裂变，β衰变，α衰变 6、AC 7、BD 8、A 9、A 10、BD 11、B 12、（1）H＋2n→H （2）6.24 MeV （3）2.08 MeV 13、（1）4H→He＋2e （2）4.2×1029 eV 14、（1）3，中子（2）（mU－mB－mK－2mn）c2 （3）1.1t
【反思】
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疑问