物理4 核裂变与核聚变优秀课件ppt

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高中物理新教材特点分析
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HELIEBIANYUHEJUBIAN
1.知道什么是核裂变、核聚变和链式反应，知道链式反应和核聚 变的条件.2.会书写核裂变和核聚变方程，会利用质量亏损计算核裂变和核 聚变产生的核能.3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度.
1.核裂变：铀核在被 轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变.2.铀核裂变
3.链式反应中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的 反应.4.临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生 反应的 体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量.
1.核电站：利用核能发电，它的核心设施是 ，它主要由以下几部分组成：(1)核燃料： .(2)慢化剂： 、 和普通水(也叫轻水).(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，它吸收 的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入___一些，让它多吸收一些 ，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作 .
2.工作原理核燃料发生 释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆内外 ，把反应堆内的 传输出去，用于 ，同时也使反应堆冷却.3.核污染的处理在反应堆的外面需要修建很厚的 ，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线.核废料具有很强的 ，需要装入特制的容器， .
1.定义：两个 结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变.3.条件：使轻核的距离达到 m以内.方法：加热到很高的 .4.宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核 成氦核释放的 能.5.人工热核反应： 弹.首先由化学炸药引爆 弹，再由 弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸.
6.核聚变与核裂变的比较(1)优点：①轻核聚变产能 ；②地球上核聚变燃料氘储量 ，而氚可利用锂来抽取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁.(2)缺点：核聚变需要的温度太 ，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度.解决方案： 约束和 约束.
1.判断下列说法的正误.(1)铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能不停地进行下去.(　　)(2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变.(　　)(3)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些.(　　)(4)核聚变主要用在核武器上，那就是原子弹.(　　)
答案　140.4 MeV
释放的总能量为ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－135.907 2－89.907 7－10×1.008 7)×931.5 MeV≈140.4 MeV.
如图为铀核裂变示意图.
(1)铀核裂变是如何发生的？试写出一种铀核裂变的核反应方程.
答案　当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复合核，复合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，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，核裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应.
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
答案　不是，铀块体积还须大于或等于临界体积.
2.核能的释放由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中等质量的原子核时，会发生质量亏损，释放核能.
3.链式反应发生的条件(1)铀块的体积大于或等于临界体积.(2)有足够浓度的铀235.(3)有足够数量的慢中子.
4.核裂变反应的能量大小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 全部发生核裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的化学能.
A.核反应方程中Sr的质子数为56B.核反应方程中Sr的中子数为56
考向1　对核裂变的理解
D.因为核裂变释放能量，出现质量亏损，所以核裂变后的总核子数减少
根据核反应满足质量数守恒和电荷数守恒，可得x＝38；y＝94，即Sr的质子数为38，Sr的中子数为94－38＝56，故B正确，A错误；
因为核裂变释放能量，出现质量亏损，所以核裂变后总质量减少，但核子数不变，故D错误.
考向2　核裂变产生核能的计算
答案　200.6 MeV　
裂变反应的质量亏损为Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7) u＝0.215 3 u.一个铀235原子核裂变后释放的能量为ΔE＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV.
(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于完全燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107 J/kg)
答案　5.14×1026 MeV　相当于完全燃烧2 797.3 t煤
1 kg铀235原子核中含原子核的个数为
1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量ΔEN＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV.设完全燃烧的煤的质量为m，有ΔEN＝qm，
1.核电站的主要部件及作用
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、钍等在地球上可采用储量大，所能提供的能量大.(3)对环境的污染要比火力发电小.
　如图是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是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
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，A错误，B正确；
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，C、D错误.
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？
答案　轻核的聚变反应，是两个轻核结合成质量较大的核，要使得核力发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15 m以内；同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大，因而需要核子有很大的动能才能克服，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度.
1.聚变发生的条件：要使轻核发生聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离10－15 m以内，这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能.要使原子核具有足够大的动能，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温.
2.轻核聚变是释放能量的反应：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释放能量的反应.3.聚变方程
4.重核裂变与轻核聚变的区别
考向1　对核聚变的理解
　(2021·胶州市高二期末)中国的“人造太阳”，又称东方超环，全称是全超导托卡马克核聚变实验装置，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置.2021年5月28日，中国的“人造太阳”实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，刷新了世界纪录.所谓“人造太阳”，就是在地球上模拟太阳内部发生的核聚变反应，为人类提供源源不断的清洁能源.其内部发生的一种核聚变反应方程为 ，下列说法正确的是
C.可控的人工轻核聚变与核裂变相比更为安全、清洁D.要实现核聚变，需要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的 动能克服核力作用而碰撞结合在一起
可控的人工轻核聚变产物为氦核，没有辐射和污染，所以与核裂变相比更为安全、清洁，选项C正确；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，由于原子核都带正电，要使它们接近这种程度，必须克服巨大的库仑力，而不是核力，选项D错误.
考向2　核聚变产生核能的计算
　(2021·苏州市高二期中)两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014 u，氦核质量为4.002 u.(1)写出相应的核反应方程；
(2)求出1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量.已知：阿伏加德罗常数NA为6.0×1023 ml－1，氘核的摩尔质量为2 g/ml,1 u相当于931.5 MeV的能量(结果保留两位有效数字).
答案　3.6×1027 MeV
两个氘核结合成一个氦核时释放的能量为ΔE＝(2×2.014 u－4.002 u)×931.5 MeV≈24.22 MeV1 kg氘中含有的氘核数为
1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量为
≈3.6×1027 MeV.
(2022·平顶山市第一中学开学考试)已知氘核的平均结合能为1.1 MeV，氦核的平均结合能为7.1 MeV，则两个氘核结合成一个氦核时A.释放出4.9 MeV的能量B.吸收4.9 MeV的能量C.吸收24.0 MeV的能量D.释放出24.0 MeV的能量
两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为：
E1＝1.1×4 MeV＝4.4 MeV反应后生成的氦核的结合能为E2＝7.1×4 MeV＝28.4 MeV所以反应释放的核能ΔE＝E2－E1＝28.4 MeV－4.4 MeV＝24.0 MeV故A、B、C错误，D正确.
考点一　重核的裂变及链式反应1.(多选)当一个铀核裂变时，它所产生的两个核A.含有的总质子数比裂变前铀核的质子数少B.含有的总中子数比裂变前铀核的中子数少C.比结合能比裂变前铀核的比结合能小D.可能是多种形式的两个核的组合
铀核裂变反应中，铀核吸收一个中子而释放出几个中子，与铀核相比，两个新核的总质子数没有发生变化，而总中子数减少，A错误，B正确；裂变发生质量亏损，释放能量，产物的比结合能更大，在铀核裂变反应中，产物并不是唯一的，故C错误，D正确.
3.(2021·广西开学考试)下列关于核能发电的说法中正确的是A.核能发电利用的是轻核聚变释放出来的核能B.核裂变过程满足电荷数守恒和质量数守恒C.核裂变过程中释放核能是因为新核的比结合能小D.裂变物质的体积小于临界体积时才能发生链式反应
核能发电利用的是重核裂变释放出来的核能，故A错误；核反应过程都满足电荷数守恒和质量数守恒，故B正确；核反应产生的新核更稳定，比结合能更大，故C错误；裂变物质的体积大于临界体积时才能发生链式反应，故D错误.
A.上述裂变过程放出能量，衰变过程也放出能量B.衰变产生的新核Y不再具有放射性C.裂变产生的新核X中含有143个质子D.核裂变释放能量产生的高温会加快铀235的衰变
根据核反应的特点可知，裂变与衰变都放出能量，故A正确；
根据电荷数守恒和质量数守恒，可知X的电荷数为56，即质子数为56，故C错误；半衰期由原子核内部因素决定，与外界因素无关，故D错误.
考点二　核电站5.核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是A.燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统B.燃料、减速剂、发热系统和传热系统C.燃料、调速剂、碰撞系统和热系统D.燃料、中子源、原子能聚存和输送系统
核反应堆的主要部分包括①燃料，即浓缩铀235；②减速剂，采用石墨、重水或普通水；③控制调节系统，用控制棒控制链式反应的速度；④冷却系统，水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆的热量传输出去，用于发电，故A正确，B、C、D错误.
6.(2021·南通市期末)我国研制的全球首座20万千瓦高温气冷堆核电站于2021年4月装料完毕，年底正式发电.该核反应堆用铀235作核燃料，用石墨作慢化剂，用氦气作冷却剂.则A.铀235的核裂变是它自发分裂成两个中等核，同时放出中子B.裂变产生中等核的比结合能大于铀235核的比结合能C.石墨在反应堆中的作用是吸收中子，控制反应的速度D.可用铀238替代铀235作为核燃料
铀235受到中子轰击时，裂变成两块质量较轻的核，同时还能放出中子，故A错误；重核裂变的过程中有质量亏损，释放核能，故裂变产生中等核的比结合能大于铀核的比结合能，故B正确；在核反应堆中，吸收中子控制反应速度的是镉棒，并非石墨，故C错误；原子核铀238只有在被能量很大的快中子轰击时，才能发生裂变且概率很小，而原子核铀235吸收慢中子后即可产生核分裂，分裂后获得的能量可用来发电，则不能用铀238替代铀235作为核燃料，故D错误.
考点三　核聚变7.(2021·昌吉州期末)2020年12月4日，我国自主设计建造的新一代“人造太阳”——中国环流器二号M装置(HL－2M)在成都建成并实现首次放电，标志着中国核聚变发展获得重大突破.关于核聚变和核能，下列说法正确的是A.核聚变通常需要几百万开尔文以上的超高温，又称热核反应B.太阳辐射的能量来源于核聚变，核聚变又称链式反应C.一个氘核和一个氚核聚变的方程为：D.核子平均质量越大，原子核越稳定
当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时接近到10－15 m而发生核聚变，因此，核聚变又叫热核反应，故A正确；太阳辐射的能量来源于核聚变，而链式反应发生在核裂变中，故B错误；该方程不符合质量数守恒和电荷数守恒，故C错误；原子核中核子平均质量越小，比结合能越大，原子核越稳定，故D错误.
A.X产生的射线的电离本领比γ射线强B.X核的比结合能小于氘核的比结合能C.X核子与中子的质量之和大于氘、氚两核子的质量之和D.该核反应需要巨大的能量克服氘、氚核子间的库仑斥力
由核反应方程，质量数守恒、电荷数守恒，可知X是α粒子，其射线是α射线，电离本领比γ射线强，选项A正确；比结合能越大，原子核越稳定，X核的比结合能大于氘核的比结合能，选项B错误；由于核聚变时释放能量，质量亏损，所以X核子与中子的质量之和小于氘、氚两核子的质量之和，选项C错误；要使该核反应发生，需要巨大的能量以克服氚核和氘核之间的库仑斥力，通常需要把它们加热到很高的温度，选项D正确.
C.4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损为0.026 6 uD.聚变反应过程中释放的能量约为24.8 MeV
质量亏损为：Δm＝4mp－mα－2me＝(4×1.007 3－4.001 5－2×0.000 55) u＝0.026 6 u，发生一次核反应释放的核能为：ΔE＝Δmc2＝0.026 6 u×931.5 MeV/u≈24.8 MeV，故C、D正确.
10.太阳的能量来自于热核反应，其中一种核反应是四个质子聚变成一个α粒子，同时放出两个正电子和两个没有静止质量的中微子.已知α粒子的质量为mα，质子的质量为mp，电子的质量为me，c为光在真空中的传播速度，NA为阿伏加德罗常数.在这种核反应中1 000 g的氢核聚变所放出的能量为A.1 000(4mp＋mα＋2me)NAc2B.1 000(mα＋2me－4mp)NAc2C.250(mα＋2me－4mp)NAc2D.250(4mp－mα－2me)NAc2
4个氢核聚变的质量亏损Δm＝(4mp－mα－2me)根据质能方程，核聚变释放的能量ΔE＝Δmc2＝(4mp－mα－2me)c2
A.40 kg B.100 kgC.400 kg D.1 000 kg
12.(多选)新冠病毒是一种传染病毒，传染病的传播过程十分复杂，但是可以构建最简单的传播模型来描述，这个最简模型可称为链式传播模型，如图所示，类似于核裂变链式反应模型.铀裂变的一种核反应方程为 其中n表示中子.裂变后产生的中子能继续发生反应的次数称为链式反应的“传染系数”.下列说法正确的有A.从铀裂变核反应方程看，“传染系数”R＝2B.核反应堆中通过镉棒吸收中子降低“传染系数”C.链式反应的临界值对应的实际“传染系数”为1D.核反应堆中的实际“传染系数”与铀浓度无关
中子的电荷数Z＝0，质量数A＝1，核反应遵循电荷数守恒和质量数守恒，因此可计算得R＝3，故A错误；核反应堆中通过镉棒吸收中子，减少轰击铀核的中子数，最终起到降低实际“传染系数”的作用，所以B正确；
在链式反应中，当实际“传染系数”R≥1时，反应才能持续进行，当实际“传染系数”R<1时，反应将趋于停滞，即R＝1是链式反应持续进行的临界值，故C正确；
核反应堆中还可以通过铀棒来控制核反应的速率，实际上就是通过调整铀浓度来控制实际“传染系数”，所以D错误.
两个氘核聚变前后的质量亏损为Δm＝2m1－(m2＋m3)根据质能方程，释放的能量ΔE＝Δmc2联立解得ΔE＝(2m1－m2－m3)c2
(1)试写出核反应方程；
(2)求出反应中释放的核能；
答案　3.22×10－11 J　
一个铀核发生反应的质量亏损Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝mU－mBa－mKr－2mn＝390.313 9×10－27 kg－234.001 6×10－27 kg－152.604 7×10－27 kg－2×1.674 9×10－27 kg＝0.357 8×10－27 kg.一个铀核裂变释放能量为ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J≈3.22×10－11 J