2020-2021学年高二下学期物理鲁科版（2019)选择性必修第三册课件：5.4-5.5 核裂变和核聚变　核能的利用与环境保护（68张PPT）

第4节　核裂变和核聚变
第5节　核能的利用与环境保护
一、核裂变
1.核裂变:重核被_____轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核,并放出_____
的过程。
2.铀核裂变:用中子轰击铀核时,铀核发生裂变,其产物是多种多样的,其中一种
典型的反应是 。
3.链式反应:当一个中子引起一个重核裂变后,裂变释放的中子再引起其他重核
裂变,且能不断继续下去,这种反应叫核裂变的_________。
4.链式反应的条件:发生裂变物质的体积大于_________或裂变物质的质量大于
_________。
中子
核能
链式反应
临界体积
临界质量
二、核反应堆
1.核反应堆:
能_____和_____核裂变的装置。
2.核反应堆的构成:
_____、___________、_________和防护层等部分。
(1)堆芯:由燃料棒、减速剂和冷却剂组成。
(2)中子反射层:反射核裂变中产生的_____,使其进一步参加链式反应。
(3)控制棒:用能_____慢中子的镉或硼钢制成,以控制链式反应的速度。
维持
控制
堆芯
中子反射层
控制系统
中子
吸收
三、核聚变
思考“大海航行靠舵手,万物生长靠太阳。”没有太阳,地球上就不可能有姿态万千的生命现象。当然也不会孕育出作为智能生物的人类。太阳是靠什么为地球生命提供巨大能量的呢?
提示:现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应。
1.轻核聚变:采用轻核_____成较重核引起结合能变化的方式可获得核能。这样
的核反应称为轻核聚变。
2.太阳内部核聚变的反应方程: 。
3.聚变燃料的获取:氘可从海水中提取,天然的氚不存在,但可通过反应
得到。
聚合
四、可控热核聚变
1.核子聚变的条件:要使核子发生聚变,必须使核子接近_____能发生作用的范
围。
2.物质第四态——等离子态:高温等离子体的密度及维持时间达到一定值时才
能实现聚变。
3.约束等离子体的三种方式:引力约束、磁约束、_________。
核力
惯性约束
五、核电站与核武器
1.核电站:将_______释放的核能转化为电能的发电厂。
工作流程:将反应堆释放的核能转化为蒸汽的内能,再利用蒸汽驱动汽轮机发电
转化为电能。
燃料:反应堆以 为燃料。
2.核武器:_______和_____是众所周知的两种核武器。
反应堆
原子弹
氢弹
六、核能的优势与危害
1.核能的优势:
(1)核能发电比燃煤发电的成本___。
(2)核电站对环境污染比燃煤发电_______。
2.核能利用存在的危害:
(1)核废料的_________。
(2)放射性物质泄漏,产生_______。
(3)核武器威力巨大,不仅能摧毁生命,而且会使_________受到严重破坏。
小得多
高辐射性
核污染
生态环境
低
一　铀核裂变及链式反应
1.重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核,使之分裂成中等质量的原子核,同时释放大量的能量,放出更多的中子的过程。重核的裂变是放能核反应,原因是核反应前后质量有亏损,根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量,而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。
2.重核裂变的条件:
(1)要有足够浓度的铀235。
(2)要有足够数量的慢中子。
(3)铀块的体积要大于临界体积。
3.常见的裂变方程:
4.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两千余吨标准煤完全燃烧时释放的能量,裂变时能产生几百万度的高温。
【思考?讨论】
情境:如图所示为 裂变的示意图。

讨论:(1) 裂变的产物都是一样的吗?
提示:不一样。有时裂变为氙和锶,有时裂变为钡和氪,有时裂变为锑和铌。
(2)发生链式反应时,为什么铀块的体积要大于临界体积?
提示:如果铀块体积不够大,生成的中子从铀块中通过时可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面了,所以发生链式反应时铀块的体积必须大于临界体积。
【典例示范】
裂变反应是目前核能利用中常用的反应,以原子核 为燃料的反应堆中
俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式,其中一种方式可表示为:
反应方程下方的数字是中子及有关原子核静止时的质量(以原子质量单位u为单
位),已知1 u的质量对应的能量为931.5 MeV,求:
(1)该反应中放出的能量是多少兆电子伏特?
(2)1 kg 全部裂变大约产生多少能量?(结果保留两位有效数字)
【解析】(1)裂变前后的质量亏损为:
Δm=mU+mn-mXe-mSr-3mn。
由质能方程ΔE=Δm×931.5 MeV,得:
ΔE=(235.043 9-138.917 8-93.915 4-2×1.008 7)×931.5 MeV
≈1.8×102 MeV。
(2)1 kg 的铀核数为:
n= ×6.02×1023≈2.56×1024(个)。
故1 kg 全部裂变产生的能量约为:
E=n·ΔE=2.56×1024×1.8×102 MeV≈4.6×1026MeV。
答案:(1)1.8×102 MeV　(2)4.6×1026MeV
【规律方法】重核裂变核能计算的方法
(1)一般是先根据核反应方程求出一个重核裂变时发生的质量亏损,由质能方程计算出释放的能量。
(2)用阿伏伽德罗常数把核能与重核质量联系起来。
(3)在计算过程中要注意单位的统一。
【素养训练】
1. 吸收一个慢中子后,分裂成 和 ,还放出 (　　)
A.1个α粒子　　　B.3个中子
C.10个中子 D.10个质子
【解析】选C。设放出的粒子的质量数为x,电荷数为y,核反应过程满足质量数
守恒和电荷数守恒。由题意可知= 则
由此判定该核反应放出的一定是中子,且个数是10,C选项正确。
2.1938年哈恩用中子轰击铀核,发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和
一些γ射线。下列关于这个实验的说法中正确的是 (　　)
A.这个实验的核反应方程是
B.这是一个核裂变过程,反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和
C.这个反应中释放出的能量可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算
D.实验中产生的γ射线,其穿透能力极强
【解析】选D。根据质量数守恒、电荷数守恒,铀核裂变的核反应方程应为
,选项A不正确;铀核裂变过程中,产生γ射线,放出能
量,发生质量亏损,释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算,选项B、C不正确;
核反应中产生的γ射线,穿透能力极强,是能量极高的光子,选项D正确。
【补偿训练】
1.(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源,其一种裂变反应是
,下列说法正确的有 (　　)
A.上述裂变反应中伴随着中子放出
B.铀块体积对链式反应的发生无影响
C.铀核的链式反应可人工控制
D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响
【解析】选A、C。 由核反应方程式可以看出,该反应生成的有中子,A正确;铀块体积需达到临界体积才能发生链式反应,所以铀块体积对链式反应的发生有影响,B错误; 铀核的链式反应可以通过控制棒进行人工控制,C正确; 放射性物质的半衰期是元素本身的属性,与外界物理环境和化学环境均无关,D错误。
2.2019年4月23日,海军建军70周年阅兵式上,中国海军“长征10号”战略导弹核潜艇公开亮相。核潜艇是以核反应堆作动力源。关于核反应,下列说法正确的是 (　　)

A.核反应方程 属于β衰变,而β射线来自原子外层的电子
B.核反应方程 属于裂变,是核潜艇的动力原理
C.核反应方程 属于裂变,是原子弹裂变反应原理
D.核反应前后核子数相等,所以生成物的质量等于反应物的质量之和
【解析】选C。β衰变是原子核的衰变,与核外电子无关,故A错误;B项反应方程式不满足裂变的形式,故B错误;质量数较大的核裂变为质量中等的核,属于重核裂变,是原子弹裂变反应原理,故C正确;核反应前后核子数相等,核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒,故D错误。
二　核聚变的理解及应用
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.轻核聚变是放能反应:从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应。
3.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。
4.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。
【典例示范】
太阳的能量来自下面的反应:四个质子(氢核)聚变成一个α粒子,同时放出两
个正电子,若太阳辐射能量的总功率为P,质子 、氦核 、正电子 的质
量分别为mp、mα、me,真空中的光速为c,求:
(1)写出核反应方程;
(2)核反应所释放的能量ΔE;
(3)1 s内参与上述热核反应的质子数目。
【解析】(1)根据质量数守恒和电荷数守恒,可得核反应方程为 。
(2)质量亏损Δm=4mp-mα-2me,根据爱因斯坦质能方程:ΔE=Δmc2,核反应释放的
能量,ΔE=(4mp-mα-2me)c2。
(3)设单位时间内参与热核反应的质子数为N,依据能量关系
P= ,有N= 。
答案:(1)
(2)(4mp-mα-2me)c2
(3)
【素养训练】
1.(多选)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要吸收能量
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
【解析】选B、D。根据比结合能图线可知,聚变后比结合能增加,因此聚变反应中会释放能量,故A错误;聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变反应中每个核子放出的能量大3～4倍,故B正确;裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积,而聚变反应时,要使轻核之间的距离达到10-15 m以内,这需要原子核有很大的动能才可以实现聚变反应,故C错误,D正确。
2.氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量,该反应方程为
,式中x是某种粒子。已知 和粒子x的质量分别为
2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u;1 u=931.5 MeV/c2,c是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知,粒子x是　　　　,该反应释放出的能量为
　　　　MeV(结果保留3位有效数字)。?
【解析】根据质量数和电荷数守恒可得x是 (中子)。核反应中的质量亏损为
Δm=2.014 1 u+3.016 1 u-4.002 6 u-1.008 7 u=0.018 9 u
所以该反应释放出的能量为
ΔE=Δm·c2=17.6 MeV
答案: 　17.6 MeV
【补偿训练】
1.关于核聚变,以下说法不正确的是 (　　)
A.与裂变相比轻核聚变辐射极少,更为安全、清洁
B.世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站
C.要使轻核发生聚变,必须使它们的距离达到10-15 m以内,核力才能起作用
D.地球上聚变燃料的储量十分丰富,从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘核
【解析】选B。与裂变相比,核聚变有下面的几个优势:(1)安全、清洁、辐射少;(2)核燃料储量多;(3)核废料易处理。但核聚变发电还没有投入实际运行,所以B项是不正确的。
2.某核反应方程为 。已知 的质量为2.013 6 u 的质量为
3.016 u 的质量为4.002 6 u,X的质量为1.008 7 u。则下列说法中正确的
是 (　　)
A.X是质子,该反应释放能量
B.X是中子,该反应释放能量
C.X是质子,该反应吸收能量
D.X是中子,该反应吸收能量
【解析】选B。根据电荷数和质量数守恒可求得X的质量数为1,电荷数为0,所以是中子;反应前后的质量变化为(2.013 6+3.016) u-(4.002 6+1.008 7) u
=0.018 3 u,所以发生了质量亏损,反应释放能量。
三　重核裂变与轻核聚变的比较
　 反应方式
比较项目　　
重核裂变
轻核聚变
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大约要大3～4倍
废料处理
聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
　 反应方式
比较项目　　
重核裂变
轻核聚变
原料储量
核裂变燃料铀在地球上储量有限,尤其用于核裂变的235U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
反应控制
速度比较容易进行人工控制,现在的核电站都是用裂变反应释放核能
目前正在突破关键技术,最终将建成商用核聚变电站
【思考?讨论】
为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能?
提示:因为很轻的原子核比较重的原子核的核子平均质量更大,聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损,所以平均每个核子释放的能量就更大。
【典例示范】
(多选)能源是社会发展的基础,发展核能是解决能源问题的途径之一,下列释放
核能的反应方程,表述正确的是 (　　)
A. 是核聚变反应
B. 是β衰变
C. 是核裂变反应
D. 是α衰变
【解析】选A、C。 是轻核聚变反应,A正确,B错误
和 均为重核裂变反应,
C正确,D错误。
【误区警示】对核反应的两个认识误区
(1)误认为聚变就是裂变的逆反应。产生这种误区的原因是对聚变和裂变的本质没有理解透,裂变时重核分裂成中等核,而聚变是轻核聚合成为次轻核,无直接关联,并非互为逆反应。
(2)不能正确判断聚变、裂变、衰变及人工转变的方程。核聚变是轻核结合成质量较大的核,也会放出中子;重核裂变时铀核捕获中子裂变为两个或更多个中等质量的核,并放出几个中子;人工转变常用α粒子或中子去轰击原子核,产生新原子核并放出一个或几个粒子;衰变是原子核自发地转变为另一种核,并向外辐射出α粒子或β粒子的反应,衰变根据向外辐射粒子的不同分为α衰变和β衰变两种。
【素养训练】
1.我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应方程有:
关于这两个方程的下列说法,正确的是 (　　)
A.方程(1)中k=10,方程(2)中d=1
B.方程(1)中k=6,方程(2)中d=1
C.方程(1)属于轻核聚变
D.方程(2)属于α衰变
【解析】选A。根据质量数守恒,方程(1)中箭头左侧的质量数之和为236,箭头右侧应有90+136+k=236,解得k=10,根据质量数守恒,方程(2)中应满足2+3=4+d,解得d=1,A正确,B错误;方程(1)为重核裂变,方程(2)为轻核聚变,C、D均错误。
2.以下说法正确的是 (　　)
A.聚变是裂变的逆反应
B.如果裂变释放能量,则聚变反应必定吸收能量
C.聚变必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】选D。从形式上看,裂变与聚变似乎是互为逆反应,但其实不然,因为二者的反应物和生成物完全不同。裂变是重核分裂成中等质量核,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,A项错;既然裂变与聚变不是互为逆反应,则在能量流向上也不必相反,B项错;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,故C项错,D项对。
【补偿训练】
1.(多选)关于聚变和裂变,以下说法正确的是 (　　)
A.聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积
B.太阳不断地向外辐射能量,仍保持1千万度以上的高温,其主要原因是太阳内部进行着剧烈的热核反应
C.铀核裂变时一定同时放出3个中子
D.为了使裂变的链式反应容易进行,最好用纯铀235
【解析】选B、D。裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积,选项A错误;太阳不断地向外辐射能量,仍保持1千万度以上的高温,其主要原因是太阳内部进行着剧烈的热核反应,选项B正确;重核裂变时用中子轰击重核,产生多个中子,中子又会撞击重核,产生更多的中子,使裂变不断进行下去,这就是链式反应,铀核裂变时能同时释放2～3个中子,故C错误;铀235越纯,越容易发生链式反应,故D正确。
2.有一种聚变反应是四个氢核聚变成一个氦核,同时放出两个正电子。(已知煤的燃烧值q=3.36×107 J/kg,氢核质量为1.008 142 u,氦核质量为4.001 509 u,电子的质量为0.000 549 u,1 u相当于931.5 MeV)求:
(1)该聚变反应释放多少能量?
(2)若1 g氢完全聚变,能释放多少能量?
(3)1 g氢完全聚变,释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能?
【解析】(1)核反应方程为: ,
所以Δm=4mH-mHe-2me=4×1.008 142 u-4.001 509 u-2×0.000 549 u
=0.029 961 u
ΔE=Δmc2=0.029 961×931.5 MeV=27.91 MeV=4.47×10-12 J
(2)1 g氢完全聚变释放的能量为:
E= ×6.02×1023×4.47×10-12 J=6.73×1011 J
(3)相当于煤完全燃烧的质量为:
m= kg=2.00×104 kg
答案:(1)4.47×10-12 J　(2)6.73×1011 J
(3)2.00×104 kg
【拓展例题】考查内容:能量守恒在轻核聚变反应中的综合应用
【典例】两个动能均为1 MeV的氘核发生正面碰撞,引起如下反应
。已知:氘核的质量为2.013 6 u,氚核的质量为3.015 6 u,
氢核的质量为1.007 3 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,核反应中放出的能量为:
ΔE=Δmc2=(2×2.013 6 u-3.015 6 u-1.007 3 u)×931.5 MeV=4.005 MeV
(2)相互作用过程中动量守恒:p1+p2=0
新生的氚核的动能:
新生的氢核的动能:
由能量守恒得:2Ek+ΔE=
代入数据得新生的氢核的动能: =4.5 MeV。
答案:(1)4.005 MeV　(2)4.5 MeV
【课堂回眸】
1.(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】选A、B、D。铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,故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B正确;慢中子最容易引发铀核裂变,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D正确。
2.(多选)(2020·全国Ⅱ卷)氘核 H可通过一系列聚变反应释放能量,其总效
果可用反应式 表示。海水中富含氘,已知
1 kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个,若全都发生聚变反应,其释放的能量与
质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等;已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为
2.9×107 J,1 MeV= 1.6×10-13 J,则M约为 (　　)
A.40 kg　　　B.100 kg　　　C.400 kg　　　D.1 000 kg
【解析】选C。6个氘核聚变可释放43.15 MeV能量,故1 kg海水中的氘核全部发
生聚变释放的能量为Q1=43.15×1.6×10-13× J,质量为M的标准煤燃烧释
放的热量为Q2=M×2.9×107 J,因Q1=Q2,解得M≈400 kg,C正确,A、B、D错误。
【补偿训练】
1个铀235核吸收1个中子发生核反应时,大约放出196 MeV的能量,则1 g纯铀235
完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏伽德罗常数) (　　)
A.NA×196 MeV　　　　　B.235NA×196 MeV
C.235×196 MeV D. ×196 MeV
【解析】选D。1 g纯铀235有 ×NA个铀235核,因此1 g纯铀235吸收中子完全
发生核反应可以释放出 ×196 MeV能量。
3.《流浪地球》这部电影获得了极大的好评,也涉及了许多物理知识,如氦闪、地球刹车和逃逸、木星的引力弹弓效应。太阳发生氦闪之前进行的是氢聚变,关于核反应的类型,下列表述正确的是 (　　)
【解析】选A。A选项是α衰变,B选项是人工转变,C选项是人工转变,D选项是β衰变,故选A。
【补偿训练】
现有三个核反应方程:
下列说法正确的是 (　　)
A.①是裂变,②是β衰变,③是聚变 B.①是聚变,②是裂变,③是β衰变
C.①是β衰变,②是裂变,③是聚变 D.①是β衰变,②是聚变,③是裂变
【解析】选C。①中的 是β粒子,故发生的是β衰变,②是重核分裂成质量较
小的核是裂变,③是典型的聚变,所以正确选项是C。
4.如下一系列核反应是在恒星内部发生的。
其中p为质子,a为α粒子,e+为正电子,ν为中微子,已知质子的质量为
mp=1.672 648×10-27 kg,α粒子的质量为mα=6.644 929×10-27 kg, 正电子的质量为me=9.11×10-31 kg,中微子的质量可忽略不计,真空中的光速
c=3.00×108 m/s,试计算该系列核反应完成后释放的能量。
【解析】为求出系列反应后释放的能量,将题中所给的诸核反应方程左右两侧
分别相加,消去两侧相同的项,系统反应最终等效为4p a+2e++2ν
设反应后释放的能量为Q,根据质能关系和能量守恒得
4mpc2=mαc2+2mec2+Q
代入数值可得Q=3.95×10-12 J
答案:3.95×10-12 J
【新思维·新考向】
情境:在可控核反应堆中需要给快中子减速,轻水、重水和石墨等常用作减速
剂。中子在重水中可与 核碰撞减速,在石墨中与 核碰撞减速。上述碰撞
可简化为弹性碰撞模型。
问题:某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰,通过计算说明,仅从一次
碰撞考虑,用重水和石墨做减速剂,哪种减速效果更好?
【解析】设中子质量为Mn,靶核质量为M,由动量守恒定律:Mnv0=Mnv1+Mv2
由能量守恒:
解得v1=
在重水中靶核质量MH=2Mn,v1H= =- v0
在石墨中,靶核质量MC=12Mn,v1C= =- v0,与重水靶核碰撞后中子速
度较小,故重水减速效果更好。
答案:重水减速效果更好