高中物理第4章核能归纳提升教案鲁科版选修

高中物理第4章核能章末归纳提升课件鲁科版选修35

(2)轻核聚变：某些轻核结合成质量较大的核的反应过程，同时释放出大量的核能．要想使氘核和氚核合成氦核，必须达到几百万度以上的高温，因此聚变反应又叫热核反应．
轻核的聚变：如：21H＋13H→42He＋10n. 应用：氢弹、可控热核反应． 2．核能的计算重核的裂变和轻核的聚变，存在质量亏损，根据爱因斯坦质能方程 ΔE＝Δmc2，可以判断两种核反应都会向外释放能量，计算核能的方法如下：
中子的发现(1932 年)
查德威克
人工放射性同位素
2173Al＋42He→3105P＋10n
的发现
居里夫妇
3105P→3104Si＋＋10e
29325U＋01n→9308Sr＋15346Xe ＋1001n
29325U＋01n→15464Ba＋8396 Kr＋310n
21H＋13H→42He＋10n
正电子的发现 (1934 年)
(2)由题给条件可求出质量亏损为： Δm＝[2.013 6×2－(3.015 0＋1.008 7)]u＝0.003 5 u 所以释放的核能 ΔE＝931.5×0.003 5 MeV＝3.26 MeV. (3)因为该反应中释放的核能全部转化为机械能，即转化为23He 核和中子的动能，若设32He 核和中子的质量分别为 m1、 m2，动量分别为 p1、p2，动能分别为 Ek1、Ek2，氚核的动能为 Ek0，则由动量守恒及能的转化和守恒定律，得 p1－p2＝0①
LK·物理选修 3-5 已知氘核质量为 2.013 6u，中子质量为 1.008 7u，32 He 核的质量为 3.015 0 u. (1)写出两个氘核聚变成32He 的核反应方程． (2)计算上述核反应中释放的核能． (3)若两氘核以相等的动能 0.35 MeV 做对心碰撞，即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的32He 核和中子的动能各是多少？【解析】 (1)应用质量数守恒和核电荷数守恒，不难写出核反应方程为21H＋21H→32He＋10n.

高中物理第4章核能第34讲核聚变核能的利用与环境

第3讲核聚变第4讲核能的利用与环境保护[目标定位] 1.了解聚变反应的特点及其条件.2.了解可控热核反应及其研究和发展.3.了解核电站的构造和基本原理，了解核武器的种类.4.了解核能利用的优势、危害及其防护措施．一、轻核聚变1．定义采用轻核聚合成较重核引起结合能变化的方式获得核能的核反应，称为轻核聚变．2．核反应举例21H＋31H―→42He＋10n.3．能量变化轻核聚变后，平均结合能增加，反应中会释放能量．二、可控热核聚变反应1．热核聚变反应的条件必须使原子核的距离达到10－15 m以下，使核具有足够的动能，轻核才能够发生聚变．2．约束聚变材料的方法引力约束、磁约束、惯性约束．三、核能的利用与环境保护1．核电站是将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂，它的核心设施是核反应堆．2．核武器原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器．(1)原子弹：是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置．(2)氢弹：是一种靠惯性约束、不需人工控制而实现聚变的反应装置．3．核能的优势与危害(1)优势：核能发电比燃煤发电的成本低；核电站对环境污染比燃煤发电小得多．(2)危害：核废料具有高放射性．一、核聚变及核能的计算1．聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近到核力发生作用的距离10－15 m内，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：从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变反应是放能反应．3．聚变方程：21H＋31H―→42He＋10n＋γ.4．重核裂变与轻核聚变的区别反应方式比较项目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大约要大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容易得多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答案 D解析从形式上看，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．例2一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量m H＝1.007 3 u，中子质量m n＝1.008 7 u，氚核质量m T＝3.018 0 u．求：(1)写出聚变方程．(2)释放出的核能是多大？(3)平均每个核子释放的能量是多大？答案见解析解析(1)聚变方程11H＋210n―→31H.(2)质量亏损Δm ＝m H ＋2m n －m T ＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0) u ＝0.006 7 u ，释放的核能ΔE ＝0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV.(3)平均每个核子放出的能量为6.243 MeV ＝2.08 MeV.借题发挥轻核聚变释放核能的计算方法 (1)根据质量亏损计算根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损(Δm )的千克数乘以真空中的光速(c ＝3×108m/s)的平方，即ΔE ＝Δmc 2.①(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV 能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV ，即ΔE ＝Δm 的数值×931.5 MeV②注意：式①中Δm 的单位为kg ，ΔE 的单位是J ；式②中Δm 的单位是u ，ΔE 的单位是MeV. 针对训练1 氘核(21H)和氚核(31H)结合成氦核(42He)的核反应方程：21H ＋31H ―→42He ＋10n ＋17.6 MeV (1)这个核反应称为________．(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文．式中17.6 MeV 是核反应中________(选填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(选填“增加”或“减少”)了________kg(保留一位有效数字)．答案 (1)聚变 (2)放出减少 3×10－29解析在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由ΔE ＝Δmc 2，可以求得Δm ＝ΔEc 2≈3×10－29kg.二、核反应类型的判断例3 下列说法不正确的是( ) A.21H ＋31H ―→42He ＋10n 是聚变B.23592U ＋10n ―→14054Xe ＋9438Sr ＋210n 是裂变 C.22688Ra ―→22286Rn ＋42He 是α衰变 D.2411Na ―→2412Mg ＋ 0－1e 是裂变答案 D解析 A 选项中是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A 选项正确；B 选项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B 选项正确；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，C 选项是正确的；而D 选项应是β衰变，不正确．故答案为D. 借题发挥主要核反应类型有：(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：轻核聚合成中等质量的核反应．针对训练2 下列说法正确的是( ) A.157N ＋11H ―→126C ＋42He 是α衰变方程 B.11H ＋21H ―→32He ＋γ是核聚变反应方程 C.23892U ―→23490Th ＋42He 是核裂变反应方程D.42He ＋2713Al ―→3015P ＋10n 是原子核的人工转变方程答案 BD解析选项A 、D 为原子核的人工转变，选项B 为轻核聚变，选项C 为原子核的α衰变，故选项B 、D 正确.对核聚变的理解及其核反应方程1．科学家发现在月球上含有丰富的32He(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32He ＋32He ―→211H ＋42He ，关于32He 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32He 聚变反应发电答案 B解析核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，这是人类利用核能的途径之一．目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电． 2．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为11H ＋12 6C ―→13 7N ＋Q 1，11H ＋15 7N ―→126C ＋X ＋Q 2方程中Q 1、Q 2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：原子核 11H 32He 42He 12 6C 13 7N 15 7N质量/u1.007 8 3.016 0 4.002 6 12.000 0 13.005 7 15.000 1A ．X 是32He ，Q 2>Q 1 B ．X 是42He ，Q 2>Q 1 C ．X 是32He ，Q 2<Q 1 D ．X 是42He ，Q 2<Q 1 答案 B解析根据核反应中质量数与电荷数守恒容易求得新核X的质量数为4、电荷数为2，即X 是42He；根据表中提供的数据，可以求得第2个核反应的质量亏损大，根据爱因斯坦质能方程必然有Q1<Q2.核反应类型的判断3．现有三个核反应：①2411Na―→2412Mg＋0－1e ②235 92U＋10n―→141 56Ba＋9236Kr＋310n ③21H＋31H―→42He＋10n.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是裂变答案 C解析原子核自发地放出某种粒子成为新的原子核，叫做衰变，①为β衰变．原子序数较大的重核分解成原子序数较小的原子核，叫做重核裂变，②为裂变．原子序数较小的原子核聚合成原子序数较大的原子核，叫做轻核聚变，③为聚变．故正确答案为C.计算核聚变释放的能量4．一个氘核(21H)和一个氚核(31H)结合成一个氦核(42He)，同时放出一个中子，已知氘核质量为m1＝2.014 1 u，氚核质量为m2＝3.016 0 u，氦核质量为m3＝4.002 6 u，中子质量为m4＝1.008 7 u，求：(1)写出聚变的核反应方程；(2)此反应过程中释放的能量为多少？平均每个核子释放出多少核能？答案(1)21H＋31H―→42He＋10n(2)17.5 MeV 3.5 MeV解析(1)核反应方程为21H＋31H―→42He＋10n.(2)此反应过程的质量亏损为Δm＝2.014 1 u＋3.016 0 u－4.002 6 u－1.008 7 u＝0.018 8 u，ΔE＝0.018 8×931.5 MeV≈17.5 MeV.平均每个核子释放的核能为17.55MeV＝3.5 MeV.(时间：60分钟) 题组一对核聚变的理解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答案 B解析与裂变相比，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．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是( )A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大C．聚变反应中粒子的平均结合能变小D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加答案 B解析在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则平均结合能一定增加，质量发生亏损，故C、D错误．3．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地( )A．衰变反应 B．人工核反应C．裂变反应 D．热核反应答案 D解析太阳的内部时刻都在进行着轻核的聚变，即热核反应．4．重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是( )A．裂变过程质量增加，聚变过程质量亏损B．裂变过程质量亏损，聚变过程质量增加C．裂变过程和聚变过程都有质量增加D．裂变过程和聚变过程都有质量亏损答案 D解析重核裂变和轻核聚变都能释放巨大的能量，由爱因斯坦质能方程知两过程均会有质量亏损．5．一个氘核(21H)与一个氚核(31H)发生聚变，产生一个中子和一个新核，并出现质量亏损．聚变过程中( )A．吸收能量，生成的新核是42HeB．放出能量，生成的新核是42HeC．吸收能量，生成的新核是32HeD．放出能量，生成的新核是32He答案 B解析聚变过程中存在质量亏损，应放出能量．由核反应21H＋31H→10n＋42He，可知新核为42He，B 对．题组二聚变释放核能的计算6．据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是( )A．“人造太阳”的核反应方程是21H＋31H→42He＋10nB．“人造太阳”的核反应方程是235 92U＋10n→141 56Ba＋9236Kr＋310nC．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同答案AC解析21H＋31H→42He＋10n是轻核聚变方程，故A项正确；根据轻核聚变特点，相同质量的核燃料，轻核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故C项正确．7．当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时，放出28.30 MeV的能量，当三个α粒子结合成一个碳(C)核时，放出7.26 MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量约为( )A．21.04 MeV B．35.56 MeVC．77.64 MeV D．92.16 MeV答案 D解析6个中子和6个质子可结合成3个α粒子，放出能量3×28.30 MeV＝84.9 MeV,3个α粒子再结合成一个碳核，放出7.26 MeV能量，故6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放能量为84.9 MeV＋7.26 MeV＝92.16 MeV，故D对．8．氘和氚发生聚变反应的方程式是21H＋31H→42He＋10n＋17.6 MeV，若有2 g氘和3 g 氚全部发生聚变，N A为阿伏加德罗常数，则释放的能量是( )A．N A×17.6 MeV B．5N A×17.6 MeVC．2N A×17.6 MeV D．3N A×17.6 MeV答案 A解析由核反应方程可知1个氘核和1个氚核聚变成氦核时放出17.6 MeV能量和1个中子，则1 mol的氘和1 mol氚全部聚变成1 mol氦核时释放的能量为ΔE＝N A×17.6 MeV，故A 对．9．2006年9月28日，我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电、显示了EAST 装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1 000 s，温度超过1亿度，标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平．合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方．核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富．已知氘核的质量为m 1，中子的质量为m 2，32He 的质量为m 3，质子的质量为m 4，则下列说法中正确的是( )A ．两个氘核聚变成一个32He 所产生的另一个粒子是质子 B ．两个氘核聚变成一个32He 所产生的另一个粒子是中子 C ．两个氘核聚变成一个32He 所释放的核能为(2m 1－m 3－m 4)c 2D ．与受控核聚变比较，现行的核反应堆产生的废料具有放射性答案 BD解析由核反应方程知221H→32He ＋10X ，X 应为中子，释放的核能应为ΔE ＝(2m 1－m 3－m 2)c 2，聚变反应的污染非常小．而现实运行的裂变反应的废料具有很强的放射性．故A 、C 错误，B 、D 正确．10．4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，写出核反应方程，并计算1 g 氢核完成这个反应后释放出多少焦耳的能量？答案见解析解析该反应的核反应方程为：411H ―→42He ＋2 0＋1e. 由此可知，平均每个氢核反应释放出的能量为 E 0＝2.8×1064eV ＝7×105 eV1 g 氢核(即1 mol)所包含的氢核的个数为6.0×1023(个) 应释放出的总能量E 为：E ＝7×105×6.0×1023 eV ＝4.2×1029 eV ＝6.72×1010 J.11．为了验证爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2，设计了下面的实验：用动能E 1＝0.9 MeV 的质子去轰击静止的锂核73Li ，生成两个α粒子，测得这两个α粒子的动能之和E ＝19.9 MeV.(质子、锂7核、α粒子的质量分别是1.007 3 u 、7.016 u 、4.001 5 u) (1)写出该核反应方程式；(2)计算核反应过程中释放的能量ΔE ； (3)通过计算说明ΔE ＝Δmc 2的正确性．答案 (1)11H ＋73Li ―→242He (2)18.9 MeV (3)见解析解析可先计算核反应过程中的质量亏损Δm ，再根据爱因斯坦质能方程，计算出核反应中释放的能量ΔE ，并建立一个理想模型，释放的能量全部转化为系统的动能，计算出核反应中系统的动能的增加量E －E 1.在误差允许的范围内，只要释放的能量ΔE 与系统的动能的增加量E －E 1近似相等，即可说明ΔE ＝Δmc 2是正确的． (2)核反应过程中的质量亏损Δm ＝(1.007 3＋7.016 0－2×4.001 5) u＝0.020 3 u.根据爱因斯坦质能方程，计算出核反应中释放的能量． ΔE ＝0.020 3×931.5 MeV≈18.9 MeV. (3)由实验知反应前后系统增加的动能是E －E 1＝(19.9－0.9) MeV ＝19.0 MeV.这与核反应中释放的核能在误差允许的范围内近似相等，证明了质能方程ΔE ＝Δmc 2是正确的．12．如下一系列核反应是在恒星内部发生的： p ＋126C ―→137N13 7N ―→13 6C ＋e ＋＋μp ＋136C ―→147N p ＋147N ―→158O15 8O ―→15 7N ＋e ＋＋μp ＋157N ―→126C ＋α其中p 为质子，α为α粒子，e ＋为正电子，μ为一种中微子．已知质子的质量m p ＝1.672 648×10－27kg ，α粒子的质量m α＝6.644 929×10－27kg ，正电子的质量m e ＝9.11×10－31kg ，中微子的质量可忽略不计．真空中的光速c ＝3.00×108m/s.试计算该系列反应完成后释放的能量．答案 3.95×10－12J解析为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的各核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为4p ―→α＋2e ＋＋2μ. 设反应后释放的能量为Q ，根据质能关系和能量守恒得 4m p c 2＝m αc 2＋2m e c 2＋Q ，代入数据可得Q ≈3.95×10－12J.。

高中物理第4章核能1核力与核能学案鲁科版选修

第1节核力与核能[目标定位] 1.知道核力的概念、特点.2.知道稳定原子核中质子与中子的比例特点.3.理解结合能和平均结合能的概念，知道核反应中的质量亏损.4.知道爱因斯坦质能方程，理解质量与能量的关系．一、核力与核的稳定性1．核力：把原子核中的核子维系在一起的力．2．核力特点：(1)核力是一种强相互作用．(2)核力是短程力，作用范围在2_fm左右．3．核素：具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子．4．核素图：用横坐标表示质子数，纵坐标表示中子数，每一种核素用一小方块表示，所得到的图象．5．核的稳定性(1)核素的稳定区：几乎全落在一条曲线上，或紧靠曲线两侧的区域．(2)稳定核素的中子数与质子数的关系：随着质子数的增加，稳定核素的中子数越来越大于质子数．二、结合能与平均结合能1．结合能：核子结合成原子核时放出的能量．2．质量亏损(1)爱因斯坦质能方程E＝mc2.(2)质量亏损：任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和，这一差值称为质量亏损．(3)亏损的质量与释放的能量间的关系：ΔE＝Δmc2.想一想有人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认识对不对？答案不对．在核反应中质量数守恒即核子的个数不变，只是核子组成原子核时，仿佛变“轻”了一些，原子核的质量总是小于其全部核子质量之和，即发生了质量亏损，核子的个数并没有变化．3．平均结合能核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量．平均结合能越大，原子核越难分离成单个核子．一、对核力及原子核中质子与中子的比例的理解1．核力的特点：核力是只在邻近的核子之间发生的一种强相互作用，是短程力．2．核子比例关系：较轻的原子核质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多．3．形成原因(1)若用质子与中子成对地人工构建原子核，由于核力是短程力，当原子核增大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了．(2)若只增加中子，中子与其他核子间没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多．(3)由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距离会大于核力的作用范围，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的．【例1】下列关于原子核中质子和中子的说法，正确的是( )A．原子核中质子数和中子数一定相等B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多C．原子核都是非常稳定的D．对于较重的原子核，由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果继续增大原子核，形成的核也一定是不稳定的答案 D解析自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多．因此正确答案为D.二、结合能与平均结合能的理解1．平均结合能曲线：不同原子核的平均结合能随质量数变化的图线如图1所示．图1从图中可看出，中等质量原子核的平均结合能较大，轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核要小．2．当平均结合能较小的原子核转化为平均结合能较大的原子核时会释放核能，反之，需要吸收能量．3．平均结合能的大小反映了原子核的稳定程度．平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，中等核子数的原子核平均结合能较大，原子核较稳定．【例2】下列关于结合能和平均结合能的说法中，正确的有( )A．核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能B ．平均结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大C ．重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和平均结合能都较大D ．中等质量原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大答案 D解析核子结合成原子核会放出能量，原子核拆解成核子需要吸收能量，A 选项错误；平均结合能越大的原子核越稳定，但平均结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的平均结合能比重核的大，但由于核子数比重核的少，其结合能比重核的反而小，B 、C 选项错误；中等质量原子核的平均结合能比轻核的大，它的原子核内核子数又比轻核的多，因此它的结合能也比轻核大，D 选项正确．借题发挥结合能、平均结合能的对比理解(1)核子结合成原子核时一定释放能量，原子核分开成核子时一定吸收能量．吸收或释放的能量越大，表明原子核的结合能越大．(2)平均结合能为结合能与核子数的比值，平均结合能越大表明原子核越稳定．一般情况下，中等质量的原子核比轻核和重核的平均结合能都大．针对训练一个中子与某原子核发生核反应，生成一个氘核，其核反应方程为________________．该反应放出的能量为Q ，则氘核的平均结合能为________________．答案 10n ＋11H ―→21H Q2解析方程式：10n ＋11H ―→21H.核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫原子核的结合能．它的结合能与核子数之比，称作平均结合能，由题意知氘核的核子数为2，所以平均结合能为Q2.三、质量亏损和核能的计算 1．对质能方程和质量亏损的理解 (1)质能方程质能方程：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是E ＝mc 2. (2)质量亏损质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了．物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少．这时质能方程也写作ΔE ＝Δmc 2. 2．核能的计算方法 (1)根据质量亏损计算①根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损Δm . ②根据爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2计算核能．其中Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳．(2)利用原子质量单位u和电子伏特计算根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV.其中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV.【例3】某核反应方程为21H＋31H→42He＋X.已知21H的质量为2.013 6 u，31H的质量为3.018 0 u，42He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，该反应吸收能量答案 B解析由题目所给核反应方程，根据核反应过程中质量数、电荷数守恒规律，可得21H＋31H→42 He＋10X，X为中子．在该反应发生前反应物的总质量m1＝2.013 6 u＋3.018 0 u＝5.031 6 u，反应后产物总质量m2＝4.002 6 u＋1.008 7 u＝5.011 3 u．总质量减少，出现了质量亏损．根据爱因斯坦的质能方程可知该反应释放能量．故B正确．借题发挥在核反应中，是释放能量还是吸收能量，需要确定反应前后质量的变化．若反应后质量减少即发生了质量亏损，则释放出能量，反之吸收能量．由于不明确质量亏损的含义与能量的关系，易误选D.注意此反应过程质量发生亏损，释放出能量．【例4】已知氮核质量M N＝14.007 53 u，氧17核的质量M O＝17.004 54 u，氦核质量M He ＝4.003 87 u，氢核质量M H＝1.008 15 u，试判断：147N＋42He―→178O＋11H这一核反应是吸收能量还是放出能量？能量变化量是多少？答案吸收能量 1.2 MeV解析反应前总质量：M N＋M He＝18.011 40 u，反应后总质量：M O＋M H＝18.012 69 u.可以看出：反应后总质量增加，故该反应是吸收能量的反应．吸收的能量利用ΔE＝Δmc2来计算，若反应过程中质量增加1 u，就会吸收931.5 MeV的能量，故ΔE＝(18.012 69－18.011 40)×931.5 MeV≈1.2 MeV.对原子核中核力的理解1．对原子核的组成，下列说法正确的是( )A．核力可使一些中子组成原子核B．核力可使较多的质子组成原子核C．不存在只有质子的原子核D．质量较大的原子核内一定有中子答案 D解析由于原子核带正电，不存在只有中子的原子核，但核力也不能把较多的质子聚集在一起组成原子核，原因是核力是短程力，质子之间还存在“长程力”库仑力，A、B错误；自然界中存在一个质子的原子核，11H，C错误；较大质量的原子核内只有存在一些中子，才能削弱库仑力，维系原子核的稳定，故D正确．对结合能与平均结合能的理解2．质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3.当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c表示真空中的光速)( )A．(m1＋m2－m3)c B．(m1－m2－m3)cC．(m1＋m2－m3)c2D．(m1－m2－m3)c2答案 C解析根据质能方程，ΔE＝Δmc2，其中Δm＝m1＋m2－m3，则ΔE＝(m1＋m2－m3)c2，C正确，A、B、D错误．质量亏损和核能的计算3．为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”．对于爱因斯坦提出的质能方程E＝mc2，下列说法中不正确的是( )A．E＝mc2表明物体具有的能量与其质量成正比B．根据ΔE＝Δmc2可以计算核反应中释放的核能C．一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损D．E＝mc2中的E是发生核反应时释放的核能答案 D解析爱因斯坦质能方程E＝mc2，定量地指出了物体的能量和质量之间的关系，A正确；由质能方程知，当物体的质量减少时，物体的能量降低，向外释放了能量，反之，若物体的质量增加了，则物体的能量增加，表明它从外界吸收了能量，所以由物体的质量变化能算出物体的能量变化，故B、C正确，D错误．4．三个α粒子结合成一个碳12，已知碳原子的质量为12.000 0 u，氦原子质量为4.002 6 u．(1u c2＝931.5 MeV)(1)写出核反应方程；(2)这个核反应放出的能量是多少MeV?(3)这个能量合多少焦耳？答案(1)342He→12 6C＋ΔE(2)7.27 MeV(3)1.16×10－12 J解析(1)核反应方程：342He→12 6C＋ΔE.(2)质量亏损：Δm＝3×4.002 6 u－12.000 0 u＝0.007 8 u＝12.948×10－30 kg，这个核反应放出的能量是ΔE＝Δmc2＝7.27 MeV.(3)ΔE＝7.27×106×1.6×10－19 J＝1.16×10－12 J.(时间：60分钟)题组一对核力及结合能的理解1．下列对核力的认识，正确的是( )A．核力是强相互作用的一种表现，比库仑力大得多B．核力存在于质子和中子、中子和中子之间，质子和质子之间只有库仑斥力C．核力是核子间相互吸引的力，是短程力D．核力只存在于相邻的核子之间，具有饱和性答案 D解析在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多，但当原子核大到一定程度时，核力将不足以平衡库仑力，A错误；相邻核子间都存在核力作用，具有饱和性，B错误，D正确；核子间的距离小于0.8×10－15m时核力表现为斥力，大于0.8×10－15m时表现为吸引力，C错误．2．(多选)关于原子核的结合能，下列说法正确的是( )A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能C．铯原子核(133 55Cs)的结合能小于铅原子核(208 82Pb)的结合能D．平均结合能越大，原子核越不稳定答案ABC解析结合能是把核子分开所需的最小能量，选项A正确；一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，存在质量亏损，核子平均结合能增大，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，选项B正确；核子数越多，结合能越大，选项C正确；平均结合能越大，分开核子所需的能量越大，原子核越稳定，选项D错误．3．(多选)下列对结合能、平均结合能的认识正确的是( )A．一切原子核均具有结合能B．自由核子结合为原子核时，可能吸收能量C．结合能越大的原子核越稳定D．平均结合能越大的原子核越稳定答案AD解析由自由核子结合成原子核的过程中，核力做正功，释放出能量；反之，将原子核分开变为自由核子时需要吸收相应的能量，该能量即为结合能，故A正确，B错误．核子较多的原子核的结合能大，但它的平均结合能不一定大，平均结合能的大小反映了原子核的稳定性，故C错误，D正确．4.如图1所示是描述原子核核子的平均质量m与原子序数Z的关系曲线，由图可知下列说法正确的是( )图1A．将原子核A分解为原子核B、C可能吸收能量B．将原子核D、E结合成原子核F可能吸收能量C．将原子核A分解为原子核B、F一定释放能量D．将原子核F、C结合成原子核B一定释放能量答案 C解析因B、C核子平均质量小于A的核子平均质量，故A分解为B、C时，会出现质量亏损，故放出核能，故A错，同理可得B、D错，C正确．题组二质量亏损和核能的计算5．(多选)对公式ΔE＝Δmc2的正确理解是( )A．如果物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少ΔmB．如果物体的质量增加了Δm，它的能量也一定相应增加Δmc2C．Δm是某原子核在衰变过程中增加的质量D．在把核子结合成原子核时，若放出的能量是ΔE，则这些核子的质量和与组成原子核的质量之差就是Δm答案ABD解析一定质量对应于一定的能量，物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少Δm，即发生质量亏损，所以选项A、D正确；如果物体的质量增加了Δm，它的能量一定相应增加Δmc2，所以选项B正确；某原子核在衰变时，一定发生质量亏损，所以选项C错误．6．(多选)一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出γ光子，核反应方程是11H＋10n―→21H ＋γ，以下说法中正确的是( )A．反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和B．反应前后的质量数不变，因而质量不变C ．γ光子的能量为Δmc 2，Δm 为反应中的质量亏损，c 为光在真空中的速度 D ．因存在质量亏损Δm ，所以“物质不灭”的说法不正确答案 AC解析核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，释放的能量会以光子的形式向外释放，故正确答案为A 、C.7．原子质量单位为u,1 u 相当于931.5 MeV 的能量，真空中光速为c ，当质量分别为m 1和m 2的原子核结合为质量为M 的原子核时释放出的能量是( )A ．(M －m 1－m 2)c 2B ．(m 1＋m 2－M )×931.5 JC ．(m 1＋m 2－M )c 2D ．(m 1＋m 2－M )×931.5 eV 答案 C解析在核能计算时，如果质量的单位是kg ，则用ΔE ＝Δmc 2进行计算，如果质量的单位是u ，则利用1 u 相当于931.5 MeV 的能量计算，即ΔE ＝Δm ×931.5 MeV 进行计算，故C 正确，A 、B 、D 错．8．一个氘核21H 质量为m 1，一个氚核31H 质量为m 2，它们结合成一个质量为m 3的氦核．核反应方程如下：21H ＋31H→42He ＋X.在这一核反应过程中释放的能量为ΔE .已知光速为c ，则以下判断正确的是( ) A ．X 是质子 B ．X 是正电子C ．X 的质量为m 1＋m 2－m 3D ．X 的质量为m 1＋m 2－m 3－ΔE c2答案 D解析由电荷数守恒知，X 的质子数为0，由质量数守恒知，X 的质量数为1，故X 为中子，设X 的质量为m ，反应中的质量亏损Δm ＝m 1＋m 2－m 3－m ，释放的核能ΔE ＝Δmc 2＝(m 1＋m 2－m 3－m )c 2，是X 的质量为m 1＋m 2－m 3－ΔE c2，故选项D 正确．9．氘核和氚核结合时的核反应方程为21H ＋31H→42He ＋10n ，已知31H 的平均结合能是2.78 MeV ，21H 的平均结合能是 1.09 MeV ，42He 的平均结合能是7.03 MeV ，则核反应时释放的能量为________MeV. 答案 17.6解析结合反应前氘核和氚核的总结合能E 1＝(1.09×2＋2.78×3) MeV＝10.52 MeV.反应后生成的氦核的结合能E 2＝7.03×4 MeV＝28.12 MeV.由于单个核子无结合能，所以结合过程释放出的能量为 ΔE ＝E 2－E 1＝(28.12－10.52) MeV ＝17.6 MeV. 题组三综合应用10．历史上第一次利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为0.5 MeV 的质子11H 轰击静止的A E X ，生成两个动能均为8.9 MeV 的42He.(1 MeV ＝1.6×10－13J)(1)上述核反应方程为__________________________． (2)质量亏损为________kg.答案 (1)11H ＋73X→42He ＋42He(或11H ＋73Li ―→42He ＋42He) (2)3.1×10－29解析 (1)根据电荷数和质量数守恒可写出核反应方程为11H ＋73X ―→42He ＋42He 或11H ＋73Li ―→42He ＋42He.(2)设反应前质子的动能为E k0，反应后42He 的动能为E k ，由于质量亏损而释放的能量为 ΔE ＝2E k －E k0＝(2×8.9－0.5) MeV ＝17.3 MeV ，根据爱因斯坦质能方程，有Δm ＝ΔE c 2＝17.3×1.6×10－133.0×1082 kg≈3.1×10－29 kg. 11．两个中子和两个质子结合成一个氦核，同时释放一定的核能，中子的质量为1.008 7 u ，质子的质量为1.007 3 u ，氦核的质量为4.002 6 u ，试计算中子和质子生成1 kg 的氦时，要释放出多少核能？答案 6.59×1014J解析先计算生成一个氦核释放的能量，再根据1 kg 氦核的个数即可求出释放的总的核能．该核反应方程为211H ＋210n ―→42He 生成一个氦核过程的质量亏损Δm ＝(1.008 7 u ＋1.007 3 u)×2－4.002 6 u ＝0.029 4 u ，释放的核能ΔE ＝0.029 4×931.5 MeV＝27.386 1 MeV 生成1 kg 氦核释放的能量E ＝n ΔE ，E ＝1 0004×6.02×1023×27.386 1×106×1.6×10－19 J≈6.59×1014J. 12．一个静止的铀核23292U(原子质量为232.037 2 u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核22890Th(原子质量为228.028 7 u)．(已知原子质量单位1 u ＝1.67×10－27kg,1 u相当于931.5 MeV 的能量) (1)写出铀核的衰变反应方程； (2)算出该衰变反应中释放出的核能；(3)若释放的核能全部转化为新核的动能，则α粒子的动能为多少？答案 (1)232 92U ―→228 90Th ＋42He (2)5.50 MeV (3)5.41 MeV 解析 (1)23292U ―→22890Th ＋42He.(2)质量亏损Δm ＝m U －m α－m Th ＝0.005 9 u ， ΔE ＝Δmc 2＝0.005 9×931.5 MeV≈5.50 MeV. (3)系统动量守恒，钍核和α粒子的动量大小相等，即p Th ＋(－p α)＝0，p Th ＝p αE kTh ＝p 2Th 2m Th ，E kα＝p 2α2m α，E kTh ＋E kα＝ΔE所以α粒子获得的动能E kα＝m Th m α＋m Th ·ΔE ＝2284＋228×5.50 MeV≈5.41 MeV.。

高中物理第4章核能4.3核聚变4.4核能的利用与环境保护教案鲁科版选修

第3节核聚变第4节核能的利用与环境保护●课标要求1．了解聚变反应的特点及其条件．2．了解可控热核反应及其研究和发展，知道核电站的工作模式．3．知道轻核的聚变能够释放出很多的能量，如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景．●教学地位轻核的聚变也是核能释放的一条途径，聚变反应中，平均每个核子放出的结合能要比裂变中平均每个核子释放的能量大得多．但要让学生知道聚变反应要求条件很高，科学家正在研究和实验可控热核反应的装置．同时还要让学生了解热核反应在宇宙中是很普遍的，如太阳和许多恒星内部就进行着激烈的热核反应，但自然界中的热核反应不是人为控制的，我国在可控热核反应方面的实验处于世界前列．有关核反应及核电站的内容学生初中已学过，教学中最好指导学生阅读有关核反应堆和增殖反应堆的内容，同时让学生树立一种观念，要一分为二的看清事物，核能可以造福人类，但也潜伏着对人类的危害和对环境的破坏作用.●新课导入建议问题导入大海航行靠舵手，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的能量呢？●教学流程设计课前预习安排：1.看教材2.填写【课前自主导学】同学之间可进行讨论⇒步骤1：导入新课，本节教学地位分析⇒步骤2：老师提问，检查预习效果可多提问几个学生⇒错误!⇓步骤7：指导学生完成【当堂双基达标】，验证学习情况⇒步骤6：完成“探究重在比较两种核反应⇐步骤5：师生互动完成“探究方式同完成探究1相同⇐步骤4：让学生完成【迁移应用】，检查完成情况并点评⇓步骤8：先由学生自己总结本节的主要知识，教师点评，安排学生课下完成【课后知能检测】1.(1)轻核聚变采用轻核聚合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 21H ＋31H→42He＋10n. (3)核子聚变的条件要使核子发生聚变，必须使核子接近核力能发生作用的范围． (4)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． (5)约束等离子体的三种方式：引力约束、磁约束、惯性约束． 2．思考判断(1)太阳中发生的是可控热核聚变反应．(×) (2)轻核发生聚变反应不需要条件．(×)(3)轻核发生聚变反应核子必须接近到核力发生作用的范围．(√) 3．探究交流为什么制造氢弹必须要具有制造原子弹的能力？【提示】氢弹爆炸是热核反应，需要达到几百万摄氏度的高温才能进行，只有利用原子弹爆炸时的高温高压，才能使氢弹中的聚变材料达到热核反应的条件，故只有具备了制造1.(1)核电站：将反应堆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23592U 为燃料．(2)核武器：原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器． (3)核能的优势①核能发电比燃煤发电的成本低．②核电站对环境污染比燃煤发电小得多． (4)核能利用存在的危害 ①核废料的高辐射性．②放射性物质泄漏，产生核污染．③核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏． 2．思考判断(1)太阳自身强大的引力把高温等离子体约束在一起，维持了其内部的热核反应进行．(√)(2)磁压缩装置中的环形线圈通电后可以产生磁场，将等离子体约束在环形真空室内．(√)(3)目前，可控热核聚变已经被广泛应用于核电站发电．(×) 3．探究交流原子弹和氢弹的原理有何不同？【提示】 (1)原子弹是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置．(2)氢弹是一种靠惯性约束、不需人工控制而实现聚变的反应装置，它利用21H 和31H 迅速地聚变成42He ，产生比原子弹更为强烈的爆炸．1．聚变反应过程中平均结合能如何变化？ 2．聚变反应发生的条件是什么？ 3．氢弹是轻核聚变反应吗？1．从平均结合能的图线看，聚变后平均结合能增加，因此反应中会释放能量．例如：31H ＋21H ―→42He ＋10n ＋17.51 MeV 2．聚变发生的条件要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m ，但是原子核是带正电的，要使它们之间的距离接近10－15m 就必须克服很大的库仑斥力作用，这就要求原子核应具有足够的动能，方法是给原子核加热，使其达到几百万度的高温．3．氢弹氢弹是一种利用轻核聚变反应，在瞬间放出巨大能量的装置．由于轻核聚变需要几百万度的高温才能进行，所以先利用原子弹爆炸达到这样高的温度，在高温高压下，进而使核燃料发生核反应，原子弹爆炸时产生的高温，可以使其中的轻核发生如下核反应21H ＋21H ―→31H ＋11H ＋4.0 MeV 21H ＋31H ―→42He ＋10n ＋17.51 MeV 21H ＋21H ―→32He ＋10n ＋3.25 MeV 32He ＋21H ―→42He ＋11H ＋18.3 MeV 所以氢弹爆炸时能释放更为巨大的能量．一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量m H ＝1.007 3 u ，中子质量m n ＝1.008 7 u ，氚核质量m ＝3.018 0 u.(1)写出聚变方程；(2)求释放出的核能多大？(3)求平均每个核子释放的能量是多大？【审题指导】 (1)根据电荷数守恒和质量数守恒写核反应方程． (2)根据已知质量计算出核反应中的质量亏损． (3)根据爱因斯坦质能方程求释放的核能．【解析】 (1)聚变方程：11H ＋210n→31H. (2)质量亏损 Δm ＝m H ＋2m n －m＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0)u ＝0.006 7u ，释放的核能ΔE ＝Δmc 2＝0.006 7×931.5 MeV＝6.24 MeV.(3)平均每个核子放出的能量为6.243MeV ＝2.08 MeV.【答案】 (1)11H ＋210n ―→31H (2)6.24 MeV (3)2.08 MeV1．据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是( )A ．“人造太阳”的核反应方程是21H ＋31H ―→42He ＋10nB ．“人造太阳”的核反应方程是235 92U ＋10n ―→141 56Ba ＋9236Kr ＋310nC ．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE ＝Δmc 2D ．“人造太阳”核能大小的计算公式是E ＝12mc 2【解析】 “人造太阳”发生的是氢核聚变，所以核反应方程式为21H ＋31H ―→42He ＋10n ，而B 选项中的核反应是核裂变，故错误；“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE ＝Δmc 2，而核能大小的计算公式为E ＝mc 2，故选项A 、C 正确．1．核能与常规能源相比有哪些明显优势？ 2．如何解决核能利用与环境保护的关系？ 3．怎样才能很好的处理核废料？ 1．核能利用核原料提供的能量巨大，1 kg 铀释放的全部能量大约相当于2 700 t 标准煤完全燃烧放出的能量．地球上的常规能源一般都无法跟核能相比．除铀外，钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富，如果能把钍利用起来，核电的发展前景将更为广阔．热核反应所需的氘更是储量丰富．核原料的运输和储存方便，如：一座100万千瓦核电站一年所需原料铀，只需6辆卡车就可全部运到现场．核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护．2．环境保护核电站为防止放射性物质的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物，外面密封锆合金包壳，第三道是压力边界，第四道是安全壳．这些措施大大提高了核能利用的安全性．3．废料处理对核废料先回收利用，剩下的废料就很少了，将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后，储存在地下浅层废料库，对高放射性的废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库．加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性．4．核电站 (1)原理原子核的链式反应是在人工控制下进行．释放的核能转化为内能，再由蒸汽轮机带动发电机转化为电能，使核能为人类和平建设服务．(2)优点①核能发电比燃煤发电的成本低，一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30 t 左右，而同样功率的燃煤发电站每年要消耗250万吨优质煤．②核电站对环境的污染要比燃煤发电小得多．关于核能的利用，下列说法正确的是( ) A ．现在的核电站既有裂变反应堆也有聚变反应堆 B ．在地球上，人类还无法实现聚变反应C ．当人类实现了受控核聚变，稳定输出核能时，世界就会克服“能源危机”D ．世界现有核电站能够进行聚变反应而输出核能【解析】现有核电站均为重核裂变反应释放能量．而裂变反应和聚变反应的条件不同，现在的核电站不能进行聚变反应，故A 、D 错误；虽然人类已经掌握了聚变反应的技术．但还不能实现大规模的受控核聚变，故B 错误；由于地球上储备有大量的聚变原料，一旦实现受控核聚变，世界将不再存在“能源危机”，故C 正确．【答案】 C2．为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是( )A ．核能发电对环境的污染比火力发电要小B ．核能发电对环境的污染比火力发电要大C ．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D ．所有核电站既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能【解析】目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A 、C 正确，B 、D 错．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 ．聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，显然是吸收能量D ．裂变与聚变均可释放巨大能量【规范解答】聚变是轻核聚合成次轻核，裂变是重核分裂成中等质量的核，二者无直接关系，故A 错．聚变和裂变在能量流向上也无直接关系，故B 错．核聚变反应是热核反应，需数百万度的高温，但聚变反应一旦开始所释放的能量就远大于所吸收的能量，因此聚变反应还是释放能量的，故C 错、D 正确．【答案】 D【备课资源】(教师用书独具)热聚变堆现在，物理学家终于成功研制出了热聚变堆．凭着对聚变反应的研究，我们有望摆脱核裂变发电厂带来的诸多问题——比如核废料，核武原料，亦或是炉心熔解．最前沿的在建聚变反应堆是ITER，国际热核聚变试验反应堆．其核心，托卡马克反应装置用磁场约束氘和氚，再用微波将其加热到15亿摄氏度．该热量可以驱动涡轮机，进而发电．若于2019年建成后，ITER的发电能力将达到五十万千瓦，但是——ITER只供实验使用．真正想等发电用的聚变堆，最乐观的估计也要到2040年．另外，如果想要完全将聚变堆用于发电，还需要解决两个问题：一是什么材料能够挡住反应副产物带来的高强度的辐射，二是重达10 t的零部件应该由怎样的机器人去替换.1．关于核能的利用，下列说法正确的是( )A．核电站的反应堆将释放的核能转化为蒸汽的内能，再转化为电能B．采用“内爆法”促使链式反应，做成的原子弹设计难度大，但材料利用率高C．核电站对环境的污染比燃煤发电大D．核燃料的危害主要是其具有放射性【解析】核电站的能量转化过程为核能到内能再到电能，A正确．“内爆法”难度大，但材料利用率高，B正确．核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护，C错误．放射性对人体和环境都有危害，D正确．【答案】ABD2．(2013·芜湖检测)科学家发现在月球上含有丰富的32He(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32He＋32He―→211H＋42He.关于32He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32He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铀核的裂变反应．因此B 正确．【答案】 B3．(2012·榆林检测)北京成功地举办了一届“绿色奥运”，场馆周围80%～90%的路灯将利用太阳能发电技术，奥运会90%的洗浴热水采用了全玻璃真空太阳能集热技术．太阳能是由太阳内部热核聚变反应形成的，其核反应主要是( )A ．411H ―→42He ＋201e B.14 7N ＋42He ―→17 8O ＋11H C.235 92U ＋10n ―→136 54Xe ＋9038Sr ＋1010n D.238 92U ―→234 90Th ＋42He【解析】热核聚变是指轻核结合为质量较重的核的反应，故A 正确；B 项中为实现原子核人工转变的反应．C 项中为裂变反应，D 项中为衰变，均不属聚变反应．故B 、C 、D 不正确．【答案】 A4．(2013·西安一中检测)核电站与原子弹都是利用核裂变释放的能量．(1)核电站的工作原理是利用反应堆释放的________产生蒸汽，蒸汽再驱动汽轮发电机产生________；(2)广岛原子弹“小男孩”释放的能量为2万吨TNT ，如果1 g 铀235完全裂变产生的能量为8.2×1010J ，并假定能量全部释放出来，那么“小男孩”要消耗多少铀235？(1 kgTNT＝4.2×106J)【解析】 (1)核电站把裂变的核能转化为电能． (2)2万吨TNT 的能量值E 1＝2×104×103×4.2×106 J ＝8.4×1013 J. 消耗的铀235 m ＝E 1E 2＝8.4×10138.2×1010 g≈1.0×103 g ＝1.0 kg. 【答案】 (1)核能电能 (2)1.0 kg。

高中物理第4章核能章末整合课件鲁科版选修35

核爆炸
核反应及反应类型
【例1】 (2010·广东高考)关于核衰变和核反应的类U―→29304Th＋42He 是α 衰变 B.147N＋42He―→187O＋11H 是β 衰变 C.21H＋31H―→42He＋10n 是轻核聚变 D.8324Se―→8326Kr＋2－01e 是重核裂变
解析 B选项的核反应方程是卢瑟福发现质子的核反应方
程，B错误；选项D核反应方程是β衰变，D错误．
答案 AC
【例2】 (2011·江苏高考)有些核反应过程是吸收能量的．例如，在 X＋147N―→187O＋11H 中，核反应吸收的能量 Q＝[(mO ＋mH)－(mX＋mN)]c2.在该核反应方程中，X 表示什么粒子？X 粒子以动能 Ek 轰击静止的147N 核，若 Ek＝Q，则该核反应能否发生？请简要说明理由．

定义：轻核聚变成较重核的反应聚变发可生控条热件核几等反百离应万子引磁摄体力约氏的约束度密束的度高及温维持时间达到定值

惯性约束
利用核核电武站器
核能的利用与危害
危害核核泄废漏料
核裂变及核聚变
【例3】 (2010·上海物理)现已建成的核电站的能量来自于 ( )． A．天然放射性元素衰变放出的能量 B．人工放射性同位素衰变放出的能量 C．重核裂变放出的能量 D．化学反应放出的能量解析核电站是利用铀235裂变缓慢释放出核能来发电的，选项C正确．答案 C
【例4】(2010·北京高考)太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其
质量不断减少．太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026 J，根
据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近( )．

2019_2020学年高中物理第4章核能第2节核裂变教学案鲁科版选修3_5

第2节核裂变1.知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量．(重点)2.知道什么是链式反应．3．会计算重核裂变过程中释放出的能量．(重点＋难点) 4.知道什么是核反应堆．了解常用裂变反应堆的类型．[学生用书P55]一、重核的裂变1.核裂变：像中子轰击铀核分裂成质量相近的两部分那样，重核分裂成质量较小的核的反应，称为核裂变．2.裂变能：核裂变释放的能量，也称核能或原子能．3.铀核的裂变(1)两种常见的核反应方程：23592U ＋10n →139 54Xe ＋9538Sr ＋210n 235 92U ＋10n →14156Ba ＋9236Kr ＋310n(2)铀核裂变释放的能量是巨大的，裂变反应中每个核子释放的能量约为1__MeV ．1．(1)铀核的裂变是一种天然放射现象．( ) (2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．( ) 提示：(1)× (2)×二、链式反应1.链式反应：当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出2～3个中子，放出的中子再引起其他铀核裂变，且能不断地继续下去，成为链式反应．2.发生条件(1)有持续不断的中子源． (2)达到临界体积．发生链式反应为何会有临界体积呢？提示：原子核的体积很小，原子内部绝大部分是空隙．如果铀块的体积不够大，中子通过铀块时可能碰不到铀核而跑到铀块外面去．三、裂变反应堆1.用人工的方法控制链式反应的速度，人们制成了核反应堆，它是能维持和控制核裂变的装置．2.核反应堆包含堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分．堆芯又由燃料棒、减速剂和冷却剂组成．2．(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．( ) 提示：(1)× (2)√ (3)×重核的裂变及链式反应[学生用书P56]1.裂变的发现：1938年12月，德国化学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变，向核能的利用迈出了第一步．2.裂变的解释：重核被中子轰击后，与中子复合成一个处在高激发态的同位素，这种重核的同位素要发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球形的核，核子间的距离增大，核力减小不足以抵消质子间的库仑斥力而恢复原状最后分裂成两部分，同时放出中子．3.裂变过程为什么能放出能量中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定．如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出能量.23592U 的裂变是很常见的一种重核裂变，它裂变的反应物和生成物有多种，其中有两种很典型的反应是：235 92U ＋10n →139 54Xe ＋9538Sr ＋210n 235 92U ＋10n →14156Ba ＋9236Kr ＋310n在重核裂变过程中，核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，但反应前后质量不同，发生了质量亏损，释放出能量．计算一个铀核在上述第二种裂变过程放出的能量．已知m (23592U)＝235.043 9 u ，m n ＝1.008 7 u ，m (14156Ba)＝140.913 9 u ，m (9236Kr)＝91.897 3 u ，且1 u 质量对应的能量为931.56 MeV裂变前：m 1＝(235.043 9＋1.008 7) u ＝236.052 6 u 裂变后：m 2＝(140.913 9＋91.897 3＋3×1.008 7) u ＝ 235．837 3 u质量亏损：Δm ＝0.215 3 u释放能量：ΔE ＝0.215 3×931.56 MeV ＝200.56 MeV. 4.重核裂变的条件(1)重核的裂变只能发生在人为的核反应中，自然界中不会自发地产生裂变，而是发生衰变．(2)要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使其分裂，并放出更多的中子，这些中子再去轰击更多的铀核，产生更多的中子，就形成了链式的反应．如图所示(3)链式反应速度很快，如不加以控制，能量在瞬间急剧释放引起剧烈爆炸(如原子弹)．如果运用一定方法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)．(1)235 92U裂变的产物是多种多样的，但裂变反应的依据是实验事实，不能仅凭反应前后质量数和电荷数守恒编造裂变反应．(2)裂变的链式反应需要一定的条件才能维持下去①要有足够浓度的铀235；②要有足够数量的慢中子；③铀块的体积大于临界体积．关于重核的裂变，以下说法正确的是( )A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小D．重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能[思路点拨] 重核裂变问题，要注意明确下列三点：(1)原子核裂变时核能的来源；(2)链式反应能够发生的条件；(3)裂变反应遵循的规律．[解析] 根据重核发生裂变的条件和裂变释放核能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程．因此其释放的能量是远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生．在裂变反应中质量数、核电荷数均守恒，即核子数守恒，所以核子数是不会减小的，因此选项A、B、C均错；重核裂变为中等质量的原子核时，发生质量亏损，从而释放出核能，故选D.[答案] D在重核的裂变反应中仍然遵循质量数守恒与核电荷数守恒．核能的利用[学生用书P57]1.原子弹杀伤力强大的原因：核能在极短时间内释放出来．核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应．2.核反应堆——核电站的心脏：裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理见下表：组成部分材料作用裂变材料浓缩铀(235 92U)提供核燃料(核燃料)续组成部分材料作用慢化剂(减速剂)石墨、重水或普通水使裂变产生的快中子减速控制棒镉吸收减速后的中子，控制反应速度反射层石墨阻止中子逃逸热交换器水产生高温蒸气，推动汽轮发电机发电防护层金属套和钢筋混凝土防止射线对人体及其他生物体的侵害关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是 ( ) A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度[思路点拨] 本题考查对反应堆中各种材料的用途的认识．[解析] 镉棒不是离子源不会释放中子，A错误；也不是减速剂，不能使快中子变为慢中子，B、D错误；镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强时，控制棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出少吸收中子，故C正确．[答案] C现已建成的核电站的能量来自于( )A．天然放射性元素衰变放出的能量B．人工放射性同位素放出的能量C．重核裂变放出的能量D．化学反应放出的能量解析：选 C.核电站的核心设施就是核反应堆，核反应堆的核心技术就是用人工的方法控制重核裂变链式反应的速度，所以核电站的能量来自重核裂变放出的能量．裂变核能的计算[学生用书P58]现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：235 92U ＋10n ―→143 60Nd ＋A Z Zr ＋310n ＋8 0－1e ＋ν(1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零．试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；(2)已知铀(U)核的质量为235.049 3 u ，中子质量为1.008 7 u ，钕(Nd)核质量为142.909 8 u ，锆核质量为89.904 7 u ．又知1 u ＝1.660 6×10－27kg ，试计算1 kg 铀235大约能产生的能量是多少？[思路点拨] 根据核反应前后质量数和电荷数守恒确定锆(Zr)的质量数和电荷数，先求一个23592U 裂变释放出的能量，再求1 kg 23592U 的原子核数，最后求出1 kg 23592U 裂变释放的能量．[解析] (1)根据电荷数和质量数守恒，可得 Zr 的电荷数Z ＝92－60＋8＝40，质量数A ＝236－143－3×1＝90. (2)质量亏损Δm ＝(m U ＋m n )－(m Nd ＋m Zr ＋3m n )＝0.217 4 u. 一个铀核裂变释放能量ΔE ＝Δm ×931.56 MeV ＝0.217 4×931.56 MeV ≈202.5 MeV ， 1kg 铀核含有的原子核数为n ＝1 000235×6.02×1023个≈2.562×1024个， 1kg 铀核产生的能量E 总＝n ·ΔE ＝2.562×1024×202.5 MeV≈5.2×1026MeV ＝5.2×1026×106×1.6×10－19J≈8.3×1013 J.[答案] (1)40 90 (2)8.3×1013J[随堂检测] [学生用书P58]1.铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是( ) A ．铀块的质量是重要因素，与体积无关B ．为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子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 ．能否发生链式反应与铀块的质量无关解析：选 C.要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积，但铀核的质量无论怎样，只要组成铀块的体积小于临界体积，则不会发生链式反应，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变．如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，由此知A 、B 、D 错误，C 正确．2.(多选)下列核反应方程及其表述正确的是( ) A.94Be ＋42He ―→126C ＋10n 是人工核转变 B.22892U ―→22490Th ＋42He 是α衰变C.23592U ＋10n ―→9236Kr ＋14156Ba ＋310n 是裂变反应 D.2411Na ―→2412Mg ＋ 0－1e 是裂变反应解析：选ABC.A 是人工核转变，B 是α衰变，C 是裂变，D 是β衰变，故D 不正确． 3.核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成( ) 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、调速剂、碰撞系统和传热系统 D ．原子燃料、中子源、原子能聚存系统和输送系统解析：选A.根据核反应堆的基本特点及组成确定．故正确答案为A.4.(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风能和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是( )A ．核能发电对环境的污染比火力发电要小B ．核能发电对环境的污染比火力发电要大C ．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D ．重核裂变是比较清洁的能源，污染较小解析：选ACD.目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，但也有一定的污染，故A 、C 、D 正确，B 错误．5.二战末期，美国在日本广岛投下的原子弹相当于2万吨TNT 炸药释放的能量，已知1 kg TNT 炸药爆炸时释放的能量是4.2×106J ，则该原子弹含有纯23592U 多少千克？(1个23592U 原子核裂变时放出200 MeV 能量，阿伏伽德罗常数N A ＝6.02×1023个/mol)解析：2万吨TNT 炸药爆炸时放出的能量E ＝2×107×4.2×106J ＝8.4×1013J ， 1个23592U 原子核放出的能量ΔE ＝200 MeV ，设纯235 92U 的质量为M ，则E ＝N ΔE ＝M235N A ΔE ，故M ＝235E N A ΔE ＝235×8.4×10136.02×1023×200×106×1.6×10－19 g ≈1.0×103g ＝1.0 kg.答案：1.0 kg[课时作业] [学生用书P101(独立成册)]一、单项选择题1.下列关于重核裂变的说法中正确的是( )A．裂变过程中释放能量B．裂变过程中吸收能量C．反应过程中质量增加D．反应过程中质量不变解析：选A.重核裂变成两个或多个中等质量的原子核，质量减少，释放出能量．2.在核反应堆外修建很厚的水泥墙是为了防止( )A．核爆炸B．放射线外泄C．核燃料外泄D．慢中子外泄解析：选B.核反应堆的核燃料一般是铀235，它具有很强的放射性，其衰变时放出的射线能对人体造成极大的伤害，在其外修建很厚的水泥墙就是为了防止放射线外泄，B正确．3.人类通过链式反应利用核能的方式有( )A．利用可控制的快中子链式反应，制成原子反应堆B．利用不可控制的快中子链式反应，制成原子弹C．利用可控制的慢中子链式反应，制成原子弹D．利用不可控制的慢中子链式反应，制成原子弹解析：选 B.原子弹爆炸时，铀块的体积大于临界体积，快中子直接被铀核吸收，发生裂变反应，放出核能，链式反应速度不可控制，极短的时间内释放出大量的核能；原子核反应堆释放核能的速度是稳定的，链式反应的速度可以控制，因此答案选B.4．中国承诺到2020年碳排放量下降40%～45%.为了实现负责任大国的承诺，我国将新建核电站项目．目前关于该电站获取核能的基本核反应方程可能是( )A.235 92U＋10n―→9038Sr＋136 54Xe＋1010nB.2411Na―→2412Mg＋0－1eC.14 7N＋42He―→17 8O＋11HD.238 92U―→234 90Th＋42He解析：选 A.目前已建成的核电站的能量来源于重核的裂变，重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变．5.下面是铀核裂变反应中的一个为23592U＋10n→13654Xe＋9038Sr＋1010n，已知铀235的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，锶90的质量为89.907 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，则此核反应中( )A ．质量亏损为Δm ＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2) uB ．质量亏损为Δm ＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7) MeVC ．释放总能量为ΔE ＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)×(3×108)2JD ．释放总能量为ΔE ＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)×931.5 MeV解析：选D.质量亏损是反应物与生成物之差，差值可用“u ”或“kg ”作单位，前者直接用1 u 的亏损放出931.5 MeV 的能量计算，后者核能的单位是焦耳．6.1个铀235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(N A 为阿伏伽德罗常数)( )A ．N A ×196 MeVB ．235N A ×196 MeVC ．235×196 MeVD.N A235×196 MeV 解析：选D.由于1 mol 的铀核质量为235 g ，1 g 铀235 摩尔数为1235，因此1 g 铀235释放的能量E ＝N A235×196 MeV ，故D 正确． 7.一个235 92U 原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为235 92U ＋10n ―→abX ＋9438Sr ＋210n ，则下列叙述正确的是( )A ．X 原子核中含有86个中子B ．X 原子核中含有141个核子C ．因为裂变时释放能量，根据E ＝mc 2，所以裂变后的总质量数增加 D ．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少解析：选A.由质量数守恒和电荷数守恒知：235＋1＝a ＋94＋2×1，92＝b ＋38，解得：a ＝140，b ＝54，其中a 为X 的质量数，b 为X 的核电荷数，X 核中的中子数为：a －b ＝140－54＝86，由此可知A 对，B 错；裂变释放能量，由质能关系可知，其总质量减少，但质量数守恒，故C 、D 均错．二、多项选择题8.镉棒在核反应堆中所起的作用是( ) A ．使快中子变成慢中子 B ．吸收中子 C ．使反应速度加快D ．控制反应速度，调节反应速度的快慢解析：选BD.在核反应堆中，石墨起使快中子变为慢中子的作用．镉棒又叫控制棒，起吸收中子、控制反应速度、调节功率大小的作用，故B 、D 正确．9.关于铀核裂变，下述说法正确的是( )A ．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B ．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子C ．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯235UD ．铀块的体积对产生链式反应是有影响的解析：选BCD.铀核受到中子的冲击，会引起裂变，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性．但裂变成两块的情况比较多，也有的分裂成多块，并放出几个中子，235U 受中子的轰击时，裂变的概率大．而238U 只有俘获能量在1 MeV 以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故B 、C 、D 正确．10．核反应堆是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能.23592U ＋10n ―→14156Ba ＋9236Kr ＋a X 是反应堆中发生的许多核反应中的一种，X 是某种粒子，a 是X 粒子的个数，用m U 、m Ba 、m Kr 分别表示235 92U 、141 56Ba 、9236Kr 核的质量，m X 表示X 粒子的质量，c 为真空中的光速，以下说法正确的是( )A ．X 为中子，a ＝2B ．X 为中子，a ＝3C ．上述核反应中放出的核能ΔE ＝(m U －m Ba －m Kr －2m X )c 2D ．上述核反应中放出的核能ΔE ＝(m U －m Ba －m Kr －3m X )c 2解析：选BC.核反应中，质量数守恒，电荷数守恒，则知23592U ＋10n ―→14156Ba ＋9236Kr ＋a X 中X 为10n ，a ＝3，则A 错，B 对；由ΔE ＝Δmc 2可得：ΔE ＝(m U ＋m X －m Ba －m Kr －3m X )c 2＝(m U －m Ba －m Kr －2m X )c 2，则C 对，D 错．三、非选择题11.一静止的238 92U 核经α衰变成为234 90Th 核，释放出的总动能为4.27 MeV ，问此衰变后23490Th 核的动能为多少MeV(保留1位有效数字)?解析：据题意知，此α衰变的衰变方程为238 92U →234 90Th ＋42He根据动量守恒定律得m αv α＝m Th v Th ①式中，m α和m Th 分别为α粒子和Th 核的质量，v α和v Th 分别为α粒子和Th 核的速度的大小．由题设条件知12m αv 2α＋12m Th v 2Th ＝E k ② m αm Th ＝4234③式中E k ＝4.27 MeV 是α粒子与Th 的总动能．由①②③式得 12m Th v 2Th ＝m αm α＋m ThE k 代入数据得，衰变后23490Th 核的动能 12m Th v 2Th ＝0.07 MeV. 答案：0.07 MeV12.在其他能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势．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，释放出大量核能．(1)核反应方程式23592U ＋10n ―→14156Ba ＋9236Kr ＋a X 是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n 为中子，X 为待求粒子，a 为X 的个数，则X 为________，a ＝________，m U 、m Ba 、m Kr 分别表示23592U 、14156Ba 、9236Kr 核的质量，m n 、m p 分别表示中子、质子的质量，c 为光子在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE ＝__________________________．(2)有一座发电能力为P ＝1.00×106kW 的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE ＝2.78×10－11J ，23592U 核的质量m U＝390×10－27kg.求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的23592U 的质量．解析：(1)依据核电荷数守恒和质量数守恒定律可判断X 为中子()10n ，且a ＝3，据爱因斯坦的质能方程ΔE ＝Δmc 2，即ΔE ＝[m U －(m Ba ＋m Kr ＋2m n )]·c 2.(2)因核电站的核能转化效率为40% 故核电站消耗23592U 的功率为 P ′＝P40%＝10640% kW ＝2.5×106 kW则核电站每年消耗23592U 所释放的能量为E ＝P ′t ＝2.5×106×103×3.15×107 J＝7.875×1016J 故每年消耗235 92U 的质量为m ＝EΔE ·m U ＝7.875×10162.78×10－11×390×10－27kg ≈1 105 kg. 答案：(1)10n 3 [m U －(m Ba ＋m Kr ＋2m n )]·c 2(2)1 105 kg。

高中物理第4章核能4.1核力与核能教案鲁科版选修3_5

核力与核能★新课标要求（一）知识与技能1．知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用；2．知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小；3．理解结合能的概念，知道核反应中的质量亏损；4．知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系。

（二）过程与方法1．会根据质能方程和质量亏损的概念计算核反应中释放的核能；2．培养学生的理解能力、推理能力、及数学计算能力。

（三）情感、态度与价值观1．使学生树立起实践是检验真理的标准、科学理论对实践有着指导和预见作用的能力；2．认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义。

★教学重点质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解。

★教学难点结合能的概念、爱因斯坦的质能方程、质量与能量的关系。

★教学方法教师启发、引导，学生讨论、交流★教学用具：多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。

★课时安排1 课时★教学过程（一）引入新课复习提问：氦原子核中有两个质子，质子质量为m p=1.67×10-27kg，带电量为元电荷e=1.6×10-19C，原子核的直径的数量级为10-15m，那么两个质子之间的库仑斥力与万有引力两者相差多少倍?学生通过计算回答：两者相差1036倍问：在原子核那样狭小的空间里，带正电的质子之间的库仑斥力为万有引力的1036倍，那么质子为什么能挤在一起而不飞散?会不会在原子核中有一种过去不知道的力，把核子束缚在一起了呢?今天就来学习这方面的内容，也就是第五节：核力与结合能(板书) 点评：让学生从熟悉的库仑定律和万有引力定律出发，比较氦原子核中两个质子之间的库仑斥力与万有引力的大小，产生强烈的认知冲突,进而引入核力的概念。

（二）进行新课1．核力与四种基本相互作用(板书)点拨：20世纪初人们只知道自然界存在着两种力：一种是万有引力，另一种是电磁力(库仑力是一种电磁力)。

在相同的距离上，这两种力的强度差别很大。

电磁力大约要比万有引力强1036倍。

2020学年高中物理第4章核能第2节核裂变教学案鲁科版选修35

第2节核裂变1.知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量．(重点)2.知道什么是链式反应．3．会计算重核裂变过程中释放出的能量．(重点＋难点) 4.知道什么是核反应堆．了解常用裂变反应堆的类型．[学生用书P55]一、重核的裂变1.核裂变：像中子轰击铀核分裂成质量相近的两部分那样，重核分裂成质量较小的核的反应，称为核裂变．2.裂变能：核裂变释放的能量，也称核能或原子能．3.铀核的裂变(1)两种常见的核反应方程：23592U ＋10n →139 54Xe ＋9538Sr ＋210n 235 92U ＋10n →14156Ba ＋9236Kr ＋310n(2)铀核裂变释放的能量是巨大的，裂变反应中每个核子释放的能量约为1__MeV ．1．(1)铀核的裂变是一种天然放射现象．( ) (2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．( ) 提示：(1)× (2)×二、链式反应1.链式反应：当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出2～3个中子，放出的中子再引起其他铀核裂变，且能不断地继续下去，成为链式反应．2.发生条件(1)有持续不断的中子源． (2)达到临界体积．发生链式反应为何会有临界体积呢？提示：原子核的体积很小，原子内部绝大部分是空隙．如果铀块的体积不够大，中子通过铀块时可能碰不到铀核而跑到铀块外面去．三、裂变反应堆1.用人工的方法控制链式反应的速度，人们制成了核反应堆，它是能维持和控制核裂变的装置．2.核反应堆包含堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分．堆芯又由燃料棒、减速剂和冷却剂组成．2．(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．( ) 提示：(1)× (2)√ (3)×重核的裂变及链式反应[学生用书P56]1.裂变的发现：1938年12月，德国化学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变，向核能的利用迈出了第一步．2.裂变的解释：重核被中子轰击后，与中子复合成一个处在高激发态的同位素，这种重核的同位素要发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球形的核，核子间的距离增大，核力减小不足以抵消质子间的库仑斥力而恢复原状最后分裂成两部分，同时放出中子．3.裂变过程为什么能放出能量中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定．如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出能量.23592U 的裂变是很常见的一种重核裂变，它裂变的反应物和生成物有多种，其中有两种很典型的反应是：235 92U ＋10n →139 54Xe ＋9538Sr ＋210n 235 92U ＋10n →14156Ba ＋9236Kr ＋310n在重核裂变过程中，核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，但反应前后质量不同，发生了质量亏损，释放出能量．计算一个铀核在上述第二种裂变过程放出的能量．已知m (23592U)＝235.043 9 u ，m n ＝1.008 7 u ，m (14156Ba)＝140.913 9 u ，m (9236Kr)＝91.897 3 u ，且1 u 质量对应的能量为931.56 MeV裂变前：m 1＝(235.043 9＋1.008 7) u ＝236.052 6 u 裂变后：m 2＝(140.913 9＋91.897 3＋3×1.008 7) u ＝ 235．837 3 u质量亏损：Δm ＝0.215 3 u释放能量：ΔE ＝0.215 3×931.56 MeV ＝200.56 MeV. 4.重核裂变的条件(1)重核的裂变只能发生在人为的核反应中，自然界中不会自发地产生裂变，而是发生衰变．(2)要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使其分裂，并放出更多的中子，这些中子再去轰击更多的铀核，产生更多的中子，就形成了链式的反应．如图所示(3)链式反应速度很快，如不加以控制，能量在瞬间急剧释放引起剧烈爆炸(如原子弹)．如果运用一定方法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)．(1)235 92U裂变的产物是多种多样的，但裂变反应的依据是实验事实，不能仅凭反应前后质量数和电荷数守恒编造裂变反应．(2)裂变的链式反应需要一定的条件才能维持下去①要有足够浓度的铀235；②要有足够数量的慢中子；③铀块的体积大于临界体积．关于重核的裂变，以下说法正确的是( )A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小D．重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能[思路点拨] 重核裂变问题，要注意明确下列三点：(1)原子核裂变时核能的来源；(2)链式反应能够发生的条件；(3)裂变反应遵循的规律．[解析] 根据重核发生裂变的条件和裂变释放核能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程．因此其释放的能量是远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生．在裂变反应中质量数、核电荷数均守恒，即核子数守恒，所以核子数是不会减小的，因此选项A、B、C均错；重核裂变为中等质量的原子核时，发生质量亏损，从而释放出核能，故选D.[答案] D在重核的裂变反应中仍然遵循质量数守恒与核电荷数守恒．核能的利用[学生用书P57]1.原子弹杀伤力强大的原因：核能在极短时间内释放出来．核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应．2.核反应堆——核电站的心脏：裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理见下表：组成部分材料作用裂变材料浓缩铀(235 92U)提供核燃料(核燃料)续组成部分材料作用慢化剂(减速剂)石墨、重水或普通水使裂变产生的快中子减速控制棒镉吸收减速后的中子，控制反应速度反射层石墨阻止中子逃逸热交换器水产生高温蒸气，推动汽轮发电机发电防护层金属套和钢筋混凝土防止射线对人体及其他生物体的侵害关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是 ( ) A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度[思路点拨] 本题考查对反应堆中各种材料的用途的认识．[解析] 镉棒不是离子源不会释放中子，A错误；也不是减速剂，不能使快中子变为慢中子，B、D错误；镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强时，控制棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出少吸收中子，故C正确．[答案] C现已建成的核电站的能量来自于( )A．天然放射性元素衰变放出的能量B．人工放射性同位素放出的能量C．重核裂变放出的能量D．化学反应放出的能量解析：选 C.核电站的核心设施就是核反应堆，核反应堆的核心技术就是用人工的方法控制重核裂变链式反应的速度，所以核电站的能量来自重核裂变放出的能量．裂变核能的计算[学生用书P58]现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：235 92U ＋10n ―→143 60Nd ＋A Z Zr ＋310n ＋8 0－1e ＋ν(1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零．试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；(2)已知铀(U)核的质量为235.049 3 u ，中子质量为1.008 7 u ，钕(Nd)核质量为142.909 8 u ，锆核质量为89.904 7 u ．又知1 u ＝1.660 6×10－27kg ，试计算1 kg 铀235大约能产生的能量是多少？[思路点拨] 根据核反应前后质量数和电荷数守恒确定锆(Zr)的质量数和电荷数，先求一个23592U 裂变释放出的能量，再求1 kg 23592U 的原子核数，最后求出1 kg 23592U 裂变释放的能量．[解析] (1)根据电荷数和质量数守恒，可得 Zr 的电荷数Z ＝92－60＋8＝40，质量数A ＝236－143－3×1＝90. (2)质量亏损Δm ＝(m U ＋m n )－(m Nd ＋m Zr ＋3m n )＝0.217 4 u. 一个铀核裂变释放能量ΔE ＝Δm ×931.56 MeV ＝0.217 4×931.56 MeV ≈202.5 MeV ， 1kg 铀核含有的原子核数为n ＝1 000235×6.02×1023个≈2.562×1024个， 1kg 铀核产生的能量E 总＝n ·ΔE ＝2.562×1024×202.5 MeV≈5.2×1026MeV ＝5.2×1026×106×1.6×10－19J≈8.3×1013 J.[答案] (1)40 90 (2)8.3×1013J[随堂检测] [学生用书P58]1.铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是( ) A ．铀块的质量是重要因素，与体积无关B ．为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子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 ．能否发生链式反应与铀块的质量无关解析：选 C.要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积，但铀核的质量无论怎样，只要组成铀块的体积小于临界体积，则不会发生链式反应，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变．如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，由此知A 、B 、D 错误，C 正确．2.(多选)下列核反应方程及其表述正确的是( ) A.94Be ＋42He ―→126C ＋10n 是人工核转变 B.22892U ―→22490Th ＋42He 是α衰变C.23592U ＋10n ―→9236Kr ＋14156Ba ＋310n 是裂变反应 D.2411Na ―→2412Mg ＋ 0－1e 是裂变反应解析：选ABC.A 是人工核转变，B 是α衰变，C 是裂变，D 是β衰变，故D 不正确． 3.核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成( ) 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、调速剂、碰撞系统和传热系统 D ．原子燃料、中子源、原子能聚存系统和输送系统解析：选A.根据核反应堆的基本特点及组成确定．故正确答案为A.4.(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风能和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是( )A ．核能发电对环境的污染比火力发电要小B ．核能发电对环境的污染比火力发电要大C ．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D ．重核裂变是比较清洁的能源，污染较小解析：选ACD.目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，但也有一定的污染，故A 、C 、D 正确，B 错误．5.二战末期，美国在日本广岛投下的原子弹相当于2万吨TNT 炸药释放的能量，已知1 kg TNT 炸药爆炸时释放的能量是4.2×106J ，则该原子弹含有纯23592U 多少千克？(1个23592U 原子核裂变时放出200 MeV 能量，阿伏伽德罗常数N A ＝6.02×1023个/mol)解析：2万吨TNT 炸药爆炸时放出的能量E ＝2×107×4.2×106J ＝8.4×1013J ， 1个23592U 原子核放出的能量ΔE ＝200 MeV ，设纯235 92U 的质量为M ，则E ＝N ΔE ＝M235N A ΔE ，故M ＝235E N A ΔE ＝235×8.4×10136.02×1023×200×106×1.6×10－19 g ≈1.0×103g ＝1.0 kg.答案：1.0 kg[课时作业] [学生用书P101(独立成册)]一、单项选择题1.下列关于重核裂变的说法中正确的是( )A．裂变过程中释放能量B．裂变过程中吸收能量C．反应过程中质量增加D．反应过程中质量不变解析：选A.重核裂变成两个或多个中等质量的原子核，质量减少，释放出能量．2.在核反应堆外修建很厚的水泥墙是为了防止( )A．核爆炸B．放射线外泄C．核燃料外泄D．慢中子外泄解析：选B.核反应堆的核燃料一般是铀235，它具有很强的放射性，其衰变时放出的射线能对人体造成极大的伤害，在其外修建很厚的水泥墙就是为了防止放射线外泄，B正确．3.人类通过链式反应利用核能的方式有( )A．利用可控制的快中子链式反应，制成原子反应堆B．利用不可控制的快中子链式反应，制成原子弹C．利用可控制的慢中子链式反应，制成原子弹D．利用不可控制的慢中子链式反应，制成原子弹解析：选 B.原子弹爆炸时，铀块的体积大于临界体积，快中子直接被铀核吸收，发生裂变反应，放出核能，链式反应速度不可控制，极短的时间内释放出大量的核能；原子核反应堆释放核能的速度是稳定的，链式反应的速度可以控制，因此答案选B.4．中国承诺到2020年碳排放量下降40%～45%.为了实现负责任大国的承诺，我国将新建核电站项目．目前关于该电站获取核能的基本核反应方程可能是( )A.235 92U＋10n―→9038Sr＋136 54Xe＋1010nB.2411Na―→2412Mg＋0－1eC.14 7N＋42He―→17 8O＋11HD.238 92U―→234 90Th＋42He解析：选 A.目前已建成的核电站的能量来源于重核的裂变，重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变．5.下面是铀核裂变反应中的一个为23592U＋10n→13654Xe＋9038Sr＋1010n，已知铀235的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，锶90的质量为89.907 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，则此核反应中( )A ．质量亏损为Δm ＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2) uB ．质量亏损为Δm ＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7) MeVC ．释放总能量为ΔE ＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)×(3×108)2JD ．释放总能量为ΔE ＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)×931.5 MeV解析：选D.质量亏损是反应物与生成物之差，差值可用“u ”或“kg ”作单位，前者直接用1 u 的亏损放出931.5 MeV 的能量计算，后者核能的单位是焦耳．6.1个铀235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(N A 为阿伏伽德罗常数)( )A ．N A ×196 MeVB ．235N A ×196 MeVC ．235×196 MeVD.N A235×196 MeV 解析：选D.由于1 mol 的铀核质量为235 g ，1 g 铀235 摩尔数为1235，因此1 g 铀235释放的能量E ＝N A235×196 MeV ，故D 正确． 7.一个235 92U 原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为235 92U ＋10n ―→abX ＋9438Sr ＋210n ，则下列叙述正确的是( )A ．X 原子核中含有86个中子B ．X 原子核中含有141个核子C ．因为裂变时释放能量，根据E ＝mc 2，所以裂变后的总质量数增加 D ．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少解析：选A.由质量数守恒和电荷数守恒知：235＋1＝a ＋94＋2×1，92＝b ＋38，解得：a ＝140，b ＝54，其中a 为X 的质量数，b 为X 的核电荷数，X 核中的中子数为：a －b ＝140－54＝86，由此可知A 对，B 错；裂变释放能量，由质能关系可知，其总质量减少，但质量数守恒，故C 、D 均错．二、多项选择题8.镉棒在核反应堆中所起的作用是( ) A ．使快中子变成慢中子 B ．吸收中子 C ．使反应速度加快D ．控制反应速度，调节反应速度的快慢解析：选BD.在核反应堆中，石墨起使快中子变为慢中子的作用．镉棒又叫控制棒，起吸收中子、控制反应速度、调节功率大小的作用，故B 、D 正确．9.关于铀核裂变，下述说法正确的是( )A ．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B ．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子C ．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯235UD ．铀块的体积对产生链式反应是有影响的解析：选BCD.铀核受到中子的冲击，会引起裂变，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性．但裂变成两块的情况比较多，也有的分裂成多块，并放出几个中子，235U 受中子的轰击时，裂变的概率大．而238U 只有俘获能量在1 MeV 以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故B 、C 、D 正确．10．核反应堆是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能.23592U ＋10n ―→14156Ba ＋9236Kr ＋a X 是反应堆中发生的许多核反应中的一种，X 是某种粒子，a 是X 粒子的个数，用m U 、m Ba 、m Kr 分别表示235 92U 、141 56Ba 、9236Kr 核的质量，m X 表示X 粒子的质量，c 为真空中的光速，以下说法正确的是( )A ．X 为中子，a ＝2B ．X 为中子，a ＝3C ．上述核反应中放出的核能ΔE ＝(m U －m Ba －m Kr －2m X )c 2D ．上述核反应中放出的核能ΔE ＝(m U －m Ba －m Kr －3m X )c 2解析：选BC.核反应中，质量数守恒，电荷数守恒，则知23592U ＋10n ―→14156Ba ＋9236Kr ＋a X 中X 为10n ，a ＝3，则A 错，B 对；由ΔE ＝Δmc 2可得：ΔE ＝(m U ＋m X －m Ba －m Kr －3m X )c 2＝(m U －m Ba －m Kr －2m X )c 2，则C 对，D 错．三、非选择题11.一静止的238 92U 核经α衰变成为234 90Th 核，释放出的总动能为4.27 MeV ，问此衰变后23490Th 核的动能为多少MeV(保留1位有效数字)?解析：据题意知，此α衰变的衰变方程为238 92U →234 90Th ＋42He根据动量守恒定律得m αv α＝m Th v Th ①式中，m α和m Th 分别为α粒子和Th 核的质量，v α和v Th 分别为α粒子和Th 核的速度的大小．由题设条件知12m αv 2α＋12m Th v 2Th ＝E k ② m αm Th ＝4234③式中E k ＝4.27 MeV 是α粒子与Th 的总动能．由①②③式得 12m Th v 2Th ＝m αm α＋m ThE k 代入数据得，衰变后23490Th 核的动能 12m Th v 2Th ＝0.07 MeV. 答案：0.07 MeV12.在其他能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势．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，释放出大量核能．(1)核反应方程式23592U ＋10n ―→14156Ba ＋9236Kr ＋a X 是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n 为中子，X 为待求粒子，a 为X 的个数，则X 为________，a ＝________，m U 、m Ba 、m Kr 分别表示23592U 、14156Ba 、9236Kr 核的质量，m n 、m p 分别表示中子、质子的质量，c 为光子在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE ＝__________________________．(2)有一座发电能力为P ＝1.00×106kW 的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE ＝2.78×10－11J ，23592U 核的质量m U＝390×10－27kg.求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的23592U 的质量．解析：(1)依据核电荷数守恒和质量数守恒定律可判断X 为中子()10n ，且a ＝3，据爱因斯坦的质能方程ΔE ＝Δmc 2，即ΔE ＝[m U －(m Ba ＋m Kr ＋2m n )]·c 2.(2)因核电站的核能转化效率为40% 故核电站消耗23592U 的功率为 P ′＝P40%＝10640% kW ＝2.5×106 kW则核电站每年消耗23592U 所释放的能量为E ＝P ′t ＝2.5×106×103×3.15×107 J＝7.875×1016J 故每年消耗235 92U 的质量为m ＝EΔE ·m U ＝7.875×10162.78×10－11×390×10－27kg ≈1 105 kg. 答案：(1)10n 3 [m U －(m Ba ＋m Kr ＋2m n )]·c 2(2)1 105 kg。

高中物理第4章核能单元总结提升课件鲁科版选修3-5.pptx

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解析根据质量数和电荷数守恒写出核反应方程，由质量亏损及爱因斯坦质能方程求出核能，再由动量守恒和能量守恒求出锂核和 α 粒子的动能． (1)核反应方程为150B＋10n→73Li＋42He. (2)核反应过程中的质量亏损为 Δm＝(10.016 77＋1.008 665－7.018 22－4.002 60) u ＝0.004 615 u，释放出的能量为 ΔE＝0.004 615×931.5 MeV≈4.30 MeV.
Байду номын сангаас
程为12H＋21H→24He，因氘核的平均结合能为 1.1 MeV，氦核的平均结合能为 7.1 MeV，故核反应过程释放能量．ΔE＝4×7.1
MeV－2×2×1.1 MeV＝24.0 MeV.故选 C.
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二、原子物理与动量、能量相结合的问题 1．核反应过程中满足四个守恒：质量数守恒、电荷数守恒、
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解析 (1)根据质量数、电荷数守恒，得 X 核的质量数为 239－235 ＝4，电核数为 94－92＝2，故“X”核为氦核，符号为24He.(2)钚核衰变过程中的质量亏损 Δm＝239.052 2 u－235.043 9 u－4.002 6 u ＝0.005 7 u，根据爱因斯坦质能方程，得出衰变过程中放出的能量 E＝0.005 7×931 MeV≈5.31 MeV.(3)钚核衰变成铀核和 X 核，根据动量守恒定律，两者动量大小相等，根据 Ek＝12mv2＝2pm2 ，得 X 核和铀核的动能之比EEkkMm＝Mm≈58.7.
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【例 2】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．释放出 6.0 MeV 的能量

高中物理第4章核能4.4核能的利用与环境保护教案鲁科版选修3-5(new)

4.4 核能的利用与环境保护三维教学目标1、知识与技能(1）知道什么是核反应，会写出人工转变方程;(2）知道什么是放射性同位素，人造和天然放射性物质的主要不同点;（3)了解放射性在生产和科学领域的应用；（4)知道放射性污染及其对人类和自然产生的严重危害，了解防范放射线的措施，建立防范意识.2、过程与方法:渗透和安全地开发利用自然资源的教育.3、情感、态度与价值观：培养学生收集信息、应用已有知识、处理加工信息、探求新知识的能力.教学重点:人工转变的两个核反应方程及反应过程中遵循的规律。

教学难点：人工转变的两个核反应方程及反应过程中遵循的规律教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。

教学用具:（1）挂图，实验器材模型，课件等；(2)多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。

(一）引入新课前面已经学习了核反应的一种形式:衰变。

本节课我们要学习核反应的另一种形式：人工转变以及人工转变产生的放射性同位素的应用和核辐射的防护.(二）进行新课1、核反应:原子核在其它粒子的轰击下产生新原子核的过程叫核反应。

在核反应中质量数守恒、电荷数守恒.人工转变核反应方程:H O He N 1117842147+→+ n C He Be 101264294+→+ 例如：写出下列原子核人工转变的核反应方程.（1）1123Na 俘获1个α粒子后放出1个质子（2)1327Al 俘获1个α粒子后放出1个中子(3)816O 俘获1个中子后放出1个质子（4)1430Si 俘获1个质子后放出1个中子理解并记住核反应方程，通过方程理解核反应中遵循的规律。

2、人工放射性同位素（1）放射性同位素：有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。

放射性同位素有天然和人造两种,它们的化学性质相同.（2）人工放射性同位素Al He P （3）人工放射性同位素的优点:放射强度容易控制；形状容易控制;半衰期短，废料容易处理.（4）凡是用到射线时，都用人造放射性同位素。

高中物理第4章核能4.3核聚变4.4核能的利用与环境保护教案鲁科版选修3_5

第3节核聚变第4节核能的利用与环境保护●课标要求1．了解聚变反应的特点及其条件．2．了解可控热核反应及其研究和发展，知道核电站的工作模式．3．知道轻核的聚变能够释放出很多的能量，如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景．●教学地位轻核的聚变也是核能释放的一条途径，聚变反应中，平均每个核子放出的结合能要比裂变中平均每个核子释放的能量大得多．但要让学生知道聚变反应要求条件很高，科学家正在研究和实验可控热核反应的装置．同时还要让学生了解热核反应在宇宙中是很普遍的，如太阳和许多恒星内部就进行着激烈的热核反应，但自然界中的热核反应不是人为控制的，我国在可控热核反应方面的实验处于世界前列．有关核反应及核电站的内容学生初中已学过，教学中最好指导学生阅读有关核反应堆和增殖反应堆的内容，同时让学生树立一种观念，要一分为二的看清事物，核能可以造福人类，但也潜伏着对人类的危害和对环境的破坏作用.●新课导入建议问题导入大海航行靠舵手，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的能量呢？●教学流程设计课前预习安排：⇒1.看教材2.填写【课前自主导学】同学之间可进行讨论步骤1：导入新课，本节教学地位分析⇒步骤2：老师提问，检查预习效果可多提问几个学生 ⇒错误!⇓步骤7：指导学生完成【当堂双基达标】，验证学习情况⇒步骤6：完成“探究3” 重在比较两种核反应 ⇐步骤5：师生互动完成“探究2” 方式同完成探究1相同 ⇐步骤4：让学生完成【迁移应用】，检查完成情况并点评⇓步骤8：先由学生自己总结本节的主要知识，教师点评，安排学生课下完成【课后知能检测】了解核能利用的优势、危害及其防护措施.1.(1)轻核聚变采用轻核聚合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 21H ＋31H→42He＋10n. (3)核子聚变的条件要使核子发生聚变，必须使核子接近核力能发生作用的范围． (4)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． (5)约束等离子体的三种方式：引力约束、磁约束、惯性约束． 2．思考判断(1)太阳中发生的是可控热核聚变反应．(×) (2)轻核发生聚变反应不需要条件．(×)(3)轻核发生聚变反应核子必须接近到核力发生作用的范围．(√) 3．探究交流为什么制造氢弹必须要具有制造原子弹的能力？【提示】氢弹爆炸是热核反应，需要达到几百万摄氏度的高温才能进行，只有利用原子弹爆炸时的高温高压，才能使氢弹中的聚变材料达到热核反应的条件，故只有具备了制造1.(1)核电站：将反应堆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23592U 为燃料．(2)核武器：原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器． (3)核能的优势①核能发电比燃煤发电的成本低．②核电站对环境污染比燃煤发电小得多． (4)核能利用存在的危害 ①核废料的高辐射性．②放射性物质泄漏，产生核污染．③核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏． 2．思考判断(1)太阳自身强大的引力把高温等离子体约束在一起，维持了其内部的热核反应进行．(√)(2)磁压缩装置中的环形线圈通电后可以产生磁场，将等离子体约束在环形真空室内．(√)(3)目前，可控热核聚变已经被广泛应用于核电站发电．(×) 3．探究交流原子弹和氢弹的原理有何不同？【提示】 (1)原子弹是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置．(2)氢弹是一种靠惯性约束、不需人工控制而实现聚变的反应装置，它利用21H 和31H 迅速地聚变成42He ，产生比原子弹更为强烈的爆炸．1．聚变反应过程中平均结合能如何变化？ 2．聚变反应发生的条件是什么？ 3．氢弹是轻核聚变反应吗？1．从平均结合能的图线看，聚变后平均结合能增加，因此反应中会释放能量．例如：31H ＋21H ―→42He ＋10n ＋17.51 MeV 2．聚变发生的条件要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m ，但是原子核是带正电的，要使它们之间的距离接近10－15m 就必须克服很大的库仑斥力作用，这就要求原子核应具有足够的动能，方法是给原子核加热，使其达到几百万度的高温．3．氢弹氢弹是一种利用轻核聚变反应，在瞬间放出巨大能量的装置．由于轻核聚变需要几百万度的高温才能进行，所以先利用原子弹爆炸达到这样高的温度，在高温高压下，进而使核燃料发生核反应，原子弹爆炸时产生的高温，可以使其中的轻核发生如下核反应21H ＋21H ―→31H ＋11H ＋4.0 MeV 21H ＋31H ―→42He ＋10n ＋17.51 MeV 21H ＋21H ―→32He ＋10n ＋3.25 MeV 32He ＋21H ―→42He ＋11H ＋18.3 MeV 所以氢弹爆炸时能释放更为巨大的能量．一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量m H ＝1.007 3 u ，中子质量m n ＝1.008 7 u ，氚核质量m ＝3.018 0 u.(1)写出聚变方程；(2)求释放出的核能多大？(3)求平均每个核子释放的能量是多大？【审题指导】 (1)根据电荷数守恒和质量数守恒写核反应方程． (2)根据已知质量计算出核反应中的质量亏损． (3)根据爱因斯坦质能方程求释放的核能．【解析】 (1)聚变方程：11H ＋210n→31H. (2)质量亏损 Δm ＝m H ＋2m n －m＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0)u ＝0.006 7u ，释放的核能ΔE ＝Δmc 2＝0.006 7×931.5 MeV＝6.24 MeV.(3)平均每个核子放出的能量为6.243MeV ＝2.08 MeV.【答案】 (1)11H ＋210n ―→31H (2)6.24 MeV (3)2.08 MeV1．据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是( )A ．“人造太阳”的核反应方程是21H ＋31H ―→42He ＋10nB ．“人造太阳”的核反应方程是235 92U ＋10n ―→141 56Ba ＋9236Kr ＋310nC ．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE ＝Δmc 2D ．“人造太阳”核能大小的计算公式是E ＝12mc 2【解析】 “人造太阳”发生的是氢核聚变，所以核反应方程式为21H ＋31H ―→42He ＋10n ，而B 选项中的核反应是核裂变，故错误；“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE ＝Δmc 2，而核能大小的计算公式为E ＝mc 2，故选项A 、C 正确．1．核能与常规能源相比有哪些明显优势？ 2．如何解决核能利用与环境保护的关系？ 3．怎样才能很好的处理核废料？ 1．核能利用核原料提供的能量巨大，1 kg 铀释放的全部能量大约相当于2 700 t 标准煤完全燃烧放出的能量．地球上的常规能源一般都无法跟核能相比．除铀外，钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富，如果能把钍利用起来，核电的发展前景将更为广阔．热核反应所需的氘更是储量丰富．核原料的运输和储存方便，如：一座100万千瓦核电站一年所需原料铀，只需6辆卡车就可全部运到现场．核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护．2．环境保护核电站为防止放射性物质的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物，外面密封锆合金包壳，第三道是压力边界，第四道是安全壳．这些措施大大提高了核能利用的安全性．3．废料处理对核废料先回收利用，剩下的废料就很少了，将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后，储存在地下浅层废料库，对高放射性的废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库．加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性．4．核电站 (1)原理原子核的链式反应是在人工控制下进行．释放的核能转化为内能，再由蒸汽轮机带动发电机转化为电能，使核能为人类和平建设服务．(2)优点①核能发电比燃煤发电的成本低，一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30 t 左右，而同样功率的燃煤发电站每年要消耗250万吨优质煤．②核电站对环境的污染要比燃煤发电小得多．关于核能的利用，下列说法正确的是( ) A ．现在的核电站既有裂变反应堆也有聚变反应堆 B ．在地球上，人类还无法实现聚变反应C ．当人类实现了受控核聚变，稳定输出核能时，世界就会克服“能源危机”D ．世界现有核电站能够进行聚变反应而输出核能【解析】现有核电站均为重核裂变反应释放能量．而裂变反应和聚变反应的条件不同，现在的核电站不能进行聚变反应，故A 、D 错误；虽然人类已经掌握了聚变反应的技术．但还不能实现大规模的受控核聚变，故B 错误；由于地球上储备有大量的聚变原料，一旦实现受控核聚变，世界将不再存在“能源危机”，故C 正确．【答案】 C2．为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是( )A ．核能发电对环境的污染比火力发电要小B ．核能发电对环境的污染比火力发电要大C ．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D ．所有核电站既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能【解析】目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A 、C 正确，B 、D 错．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 ．聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，显然是吸收能量D ．裂变与聚变均可释放巨大能量【规范解答】聚变是轻核聚合成次轻核，裂变是重核分裂成中等质量的核，二者无直接关系，故A 错．聚变和裂变在能量流向上也无直接关系，故B 错．核聚变反应是热核反应，需数百万度的高温，但聚变反应一旦开始所释放的能量就远大于所吸收的能量，因此聚变反应还是释放能量的，故C 错、D 正确．【答案】 D【备课资源】(教师用书独具)热聚变堆现在，物理学家终于成功研制出了热聚变堆．凭着对聚变反应的研究，我们有望摆脱核裂变发电厂带来的诸多问题——比如核废料，核武原料，亦或是炉心熔解．最前沿的在建聚变反应堆是ITER，国际热核聚变试验反应堆．其核心，托卡马克反应装置用磁场约束氘和氚，再用微波将其加热到15亿摄氏度．该热量可以驱动涡轮机，进而发电．若于2019年建成后，ITER的发电能力将达到五十万千瓦，但是——ITER只供实验使用．真正想等发电用的聚变堆，最乐观的估计也要到2040年．另外，如果想要完全将聚变堆用于发电，还需要解决两个问题：一是什么材料能够挡住反应副产物带来的高强度的辐射，二是重达10 t的零部件应该由怎样的机器人去替换.1．关于核能的利用，下列说法正确的是( )A．核电站的反应堆将释放的核能转化为蒸汽的内能，再转化为电能B．采用“内爆法”促使链式反应，做成的原子弹设计难度大，但材料利用率高C．核电站对环境的污染比燃煤发电大D．核燃料的危害主要是其具有放射性【解析】核电站的能量转化过程为核能到内能再到电能，A正确．“内爆法”难度大，但材料利用率高，B正确．核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护，C错误．放射性对人体和环境都有危害，D正确．【答案】ABD2．(2013·芜湖检测)科学家发现在月球上含有丰富的32He(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32He＋32He―→211H＋42He.关于32He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32He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铀核的裂变反应．因此B 正确．【答案】 B3．(2012·榆林检测)北京成功地举办了一届“绿色奥运”，场馆周围80%～90%的路灯将利用太阳能发电技术，奥运会90%的洗浴热水采用了全玻璃真空太阳能集热技术．太阳能是由太阳内部热核聚变反应形成的，其核反应主要是( )A ．411H ―→42He ＋201e B.14 7N ＋42He ―→17 8O ＋11H C.235 92U ＋10n ―→136 54Xe ＋9038Sr ＋1010n D.238 92U ―→234 90Th ＋42He【解析】热核聚变是指轻核结合为质量较重的核的反应，故A 正确；B 项中为实现原子核人工转变的反应．C 项中为裂变反应，D 项中为衰变，均不属聚变反应．故B 、C 、D 不正确．【答案】 A4．(2013·西安一中检测)核电站与原子弹都是利用核裂变释放的能量．(1)核电站的工作原理是利用反应堆释放的________产生蒸汽，蒸汽再驱动汽轮发电机产生________；(2)广岛原子弹“小男孩”释放的能量为2万吨TNT ，如果1 g 铀235完全裂变产生的能量为8.2×1010J ，并假定能量全部释放出来，那么“小男孩”要消耗多少铀235？(1 kgTNT＝4.2×106J)【解析】 (1)核电站把裂变的核能转化为电能． (2)2万吨TNT 的能量值E 1＝2×104×103×4.2×106 J ＝8.4×1013 J. 消耗的铀235 m ＝E 1E 2＝8.4×10138.2×1010 g≈1.0×103 g ＝1.0 kg. 【答案】 (1)核能电能 (2)1.0 kg。

高中物理第4章核能章末整合课件鲁科版选修35

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客整观合巩··简释固明疑·应··了点用然拨·反馈
第4章——
章末整合提升
1
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1 网络构建 2 分类突破
章末整合提升
客观·简明·了然整合·释疑·点拨
亏损为 Δm＝mBe＋mα－mC－mn＝9.012 19 u＋4.002 6 u－
12.000 0 u － 1.008 665 u ＝MeV≈5.705 MeV 或 ΔE ＝ Δmc2 ＝ 0.006
125×1.660 566×10－27×(3×108)2 J≈9.15×10－13 J.
新核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的
核能.
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7
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客整观合巩··简释固明疑·应··了点用然拨·反馈
例 1 试计算用 α 粒子轰击C铍ONTE(N94TSBPAeGE)核发现中子的核反应中所
释放的能量.(已知铍核、碳核、α 粒子和中子的质量分别为
个原子核 X，并释放出一定的能量，其衰变方程为：29349Pu―→
29325U＋X. (1)方程中的“X”核符号为___42_H_e___；解析根据质量数、电荷数守恒，得 X 核的质量数为 239－ 235＝4，电核数为 94－92＝2，故“X”核为氦核，符号为42He.
章末整合提升
12
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宏观物体小到微观粒子都适用.动量守恒定律在原子物理中的应
用常见有以下两种情况：

鲁科版高中物理选修教案 4.4 核聚变教案

鲁科版高中物理选修教案4.4 核聚变教案
鲁科版高中物理第四章核能教案
第四节核聚变
三维教学目标
1、知识与技能
（1）了解聚变反应的特点及其条件；
（2）了解可控热核反应及其研究和发展；
（3）知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。

2、过程与方法：通过让学生自己阅读课本，培养他们归纳与概括知识的能力和提出问题的能力
3、情感、态度与价值观
（1）通过学习，使学生进一步认识导科学技术的重要性，更加热爱科学、勇于献身科学；
（2）认识核能的和平利用能为人类造福，但若用于战争目的将给人类带来灾难，希望同学们努力学习，为人类早日和平利用核聚变能而作出自己的努力。

教学重点:聚变核反应的特点。

聚变反应的条件。

教学方法:教师启发、引导，学生讨论、交流。

教学用具：多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。

（一）引入新课
1967年6月17日，我国第。

2019_2020学年高中物理第4章核能本章优化总结课件鲁科版选修3_5

(3)核反应中的质量亏损并不是核子个数(即质量数)的亏损，核子个数是守恒的．所谓质量亏损，也不是质量的消失，只是在核反应过程中伴随着能量的辐射所体现出的相应部分质量的减少．
3.利用平均结合能来计算核能原子核的结合能＝核子的平均结合能×核子数．核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能．
第4章核能
本章优化总结
原子核变化的类型某种元素的原子核变成另一种元素的原子核的过程，有四种常见的类型，分别为衰变、人工转变、重核裂变和轻核聚变．不同的核变化过程中都伴随着核子(质子、中子)数目的变化和能量变化．所有核反应的反应前后都遵守：质量数守恒、电荷数守恒．
1．衰变 α 衰变：23982U→23940Th＋42He β衰变：23940Th→23941Pa＋－1 0e ＋β 衰变：3105P→3104Si＋01e γ衰变：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级．
2．人工转变 147N＋42He→178O＋11H(发现质子的方程) 94Be＋42He→126C＋10n(发现中子的方程) 2173Al＋42He→3105P＋10n(人工制造放射性同位素) 3．重核的裂变：23952U＋10n→14516Ba＋9326Kr＋310n 重核分裂为中等质量的原子核，在一定条件下(超过临界体积)，裂变反应会连续不断地进行下去，这就是链式反应． 4．轻核的聚变：21H＋31H→42He＋10n(需要几百万摄氏度高温，所以又叫热核反应)．
4.根据能量守恒和动量守恒来计算核能参与核反应的粒子所组成的系统，在核反应过程中的动量和能量是守恒的，因此，在题给条件中没有涉及到质量亏损，或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下，用动量守恒和能量守恒可以计算出核能的变化．

高中物理第4章核能章末整合提升学案鲁科版选修35

第4章核能一、核能的计算方法1．利用质能方程来计算核能(1)首先根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损Δm.(2)再根据爱因斯坦质能方程E＝mc2或ΔE＝Δmc2计算核能．方程ΔE＝Δmc2中若Δm的单位用“kg”、c的单位用“m/s”，则ΔE的单位为“J”；若Δm的单位用“u”，可直接用质量与能量的关系1 u 相当于931.5 MeV 推算ΔE ，此时ΔE 的单位为“兆电子伏(MeV)”，即原子质量单位1 u 对应的能量为931.5 MeV.2．利用平均结合能来计算核能原子核的结合能＝核子的平均结合能×核子数．核反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的核能．【例1】试计算用α粒子轰击铍(94Be)核发现中子的核反应中所释放的能量．(已知铍核、碳核、α粒子和中子的质量分别为m Be ＝9.012 19 u ，m C ＝12.000 u ，m α＝4.002 6 u ，m n ＝1.008 665 u ．1 u ＝1.660 566×10－27 kg) 答案 5.705 MeV(或9.15×10－13 J) 解析核反应方程为94Be ＋42He ―→12 6C ＋10n ，核反应中的质量亏损为Δm ＝m Be ＋m α－m C －m n ＝9.012 19 u ＋4.002 6 u －12.000 0 u －1.008 665 u ＝0.006 125 u ，ΔE ＝0.006 125×931.5 MeV≈5.705 MeV 或ΔE ＝Δmc 2＝0.006 125×1.660 566×10－27×(3×108)2 J≈9.15×10－13 J.【例2】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 ．释放出6.0 MeV 的能量C ．释放出24.0 MeV 的能量D ．吸收4.9 MeV 的能量答案 C解析依据题意可写出两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为21H ＋21H ―→42He ，因氘核的平均结合能为1.1 MeV ，氦核的平均结合能为7.1 MeV ，故核反应过程释放能量．ΔE ＝4×7.1 MeV －2×2×1.1 MeV＝24.0 MeV.故选C.二、原子物理与动量、能量相结合的问题1．核反应过程中满足四个守恒：质量数守恒、电荷数守恒、动量守恒、能量守恒．2．动量守恒定律和能量守恒定律是自然界普遍适用的规律，大到宏观物体小到微观粒子都适用．动量守恒定律在原子物理中的应用常见有以下两种情况：(1)未发生核反应，中子与原子核的作用可看作是弹性碰撞．此过程满足动量守恒，动能守恒．(2)发生核反应，产生新核和新粒子，无光子放出，此过程满足动量守恒，能量守恒(注意核反应中释放的核能)．【例3】一个静止的钚核239 94Pu 自发衰变成一个铀核235 92U 和另一个原子核X ，并释放出一定的能量，其衰变方程为：23994Pu ―→23592U ＋X. (1)方程中的“X”核符号为________；(2)钚核的质量为239.052 2 u ，铀核的质量为235.043 9 u ，X 核的质量为4.002 6 u ，已知1 u 相当于931 MeV ，则该衰变过程放出的能量是________MeV ；(3)假设钚核衰变释放的能量全部转变为铀核和X 核的动能，则X 核与铀核的动能之比是________．答案 (1)42He (2)5.31 (3)58.7解析 (1)根据质量数、电荷数守恒，得X 核的质量数为239－235＝4，电核数为94－92＝2，故“X”核为氦核，符号为42He.(2)钚核衰变过程中的质量亏损Δm ＝239.052 2 u －235.043 9 u －4.002 6 u ＝0.005 7 u ，根据爱因斯坦质能方程，得出衰变过程中放出的能量E ＝0.005 7×931 MeV≈5.31 MeV.(3)钚核衰变成铀核和X 核，根据动量守恒定律，两者动量大小相等，根据E k ＝12mv 2＝p 22m ，得X 核和铀核的动能之比E k m E k M ＝M m≈58.7. 【例4】用速度几乎是零的慢中子轰击静止的硼核(10 5B)，产生锂核(73Li)和α粒子．已知中子质量m n ＝1.008 665 u ，硼核质量m B ＝10.016 77 u ，锂核质量m Li ＝7.018 22 u ，α粒子质量m α＝4.002 60 u ．1 u 相当于931.5 MeV.(1)写出该反应的核反应方程；(2)求出该反应放出的能量ΔE ；(3)若核反应中放出的能量全部变成生成核的动能，则锂核和α粒子的动能各是多少？答案 (1)10 5B ＋10n ―→73Li ＋42He(2)4.30 MeV(3)1.56 MeV 2.74 MeV解析根据质量数和电荷数守恒写出核反应方程，由质量亏损及爱因斯坦质能方程求出核能，再由动量守恒和能量守恒求出锂核和α粒子的动能．(1)核反应方程为10 5B ＋10n ―→73Li ＋42He.(2)核反应过程中的质量亏损为Δm ＝(10.016 77＋1.008 665－7.018 22－4.002 60) u＝0.004 615 u ，释放出的能量为ΔE ＝0.004 615×931.5 MeV≈4.30 MeV.(3)根据动量守恒定律有m Li v Li ＝m αv α，由动能定义式有E kLi ＝12m Li v 2Li ，E k α＝12m αv 2α，联立有E kLi E k α＝m αm Li ＝47，根据能量守恒有E kLi ＋E k α＝ΔE ＝4.30 MeV ，解得锂核和α粒子的动能分别为E kLi ≈1.56 MeV ，E k α≈2.74 MeV.针对训练一个原来静止的锂核(63Li)俘获一个速度为7.7×104m/s 的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103 m/s ，方向与中子的运动方向相反．(1)试写出核反应方程；(2)求出氦核的速度大小；(3)若让一个氘核和一个氚核发生聚变时可产生一个氦核，同时放出一个中子，求这个核反应释放出的能量．(已知氘核质量为m D ＝2.014 102 u ，氚核质量为m T ＝3.016 050 u ，氦核质量m He ＝4.002 603 u ，中子质量m n ＝1.008 665 u,1 u ＝1.660 6×10－27kg)答案 (1)63Li ＋10n ―→31H ＋42He(2)2×104 m/s(3)2.82×10－12 J解析 (1)63Li ＋10n ―→31H ＋42He(2)取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得m n v 0＝－m T v 1＋m He v 2v 2＝m n v 0＋m T v 1m He＝1×7.7×104＋3×1.0×1034 m/s＝2×104 m/s(3)质量亏损为Δm ＝m D ＋m T －m He －m n＝(2.014 102＋3.016 050－4.002 603－1.008 665) u＝0.018 884 u≈3.136×10－29 kg根据爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2＝3.136×10－29×(3×108)2 J≈2.82×10－12 J.。

【高中教育】2020高中物理第4章核能3核聚变4核能的利用与环境保护学案鲁科版选修3

C。U＋n→Xe＋Sr＋10nD。U→Th＋He
答案 A
解析热核聚变反应是指轻核结合为质量较重的核的反应，故A正确；B项中为实现原子核人工转变的反应．C项中为裂变，D项中为衰变，均不属聚变反应，故B、C、D不正确．
题组二聚变释放核能的计算
6．(多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是( )
答案 B
解析核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，这是人类利用核能的途径之一．目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电．
2．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为
H＋C―→N＋Q1，H＋N―→C＋X＋Q2
方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：
2．轻核聚变是放能反应：从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变反应是放能反应．
3．聚变方程：
H＋H―→He＋n＋γ。
4．重核裂变与轻核聚变的区别
反应方式
比较项目
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大约要大3～4倍
D。Na―→Mg＋e是裂变
答案 D
解析 A选项中是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A选项正确；B选项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B选项正确；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，C选项是正确的；而D选项应是β衰变，不正确．故答案为D。

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