5-4 核裂变与核聚变(教学课件)—高中物理人教版(2019)选择性必修第三册
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两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，
核子的比结合能增加，D正确。
【例题4】一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一
个γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量
为h，真空中的光速为c。下列说法中正确的是（ A ）
B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量
C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分
D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应
解析：
用中子轰击
U
和
Pu 等少数重核元素才能发生裂变反应,铀核裂变时可
能分裂为两部分、三部分或四部分,但产生两部分的概率最大,A、D错误,C正确;
80
10
kg 2800t
7
q
2.94 10
一、核裂变的发现
3、核裂变释放大量的能量
一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能
量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能!
拓展学习
原子弹
原子弹是利用重核的裂变反应制成的,高纯度的铀或钚超过临界体积时发生链式反
⑵对物质加热到很高的温度108～109K
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，碰撞时十分接近，发生核聚变。因
此，核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，
靠自身产生的热就会使反应继续下去。
三、核聚变
2、核聚变普遍存在于宇宙中
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
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。
三、核聚变
1、核聚变
两个轻核结合成质量较大的核的核反应。
一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放
17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每
个核子放出的能量大3-4倍，核反应方程：
+ → + + .
其他聚变反应方程:
2
1
H 21 H 23 He 01 n
+
+
+
+
1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧
夫妇在巴黎首先观察到中子轰击铀核的三
分裂和四分裂现象。
【例题1】(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是( BD )
A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定生反应。
惯性约束示意图
1、核裂变的发现
⑴裂变：重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应的过程
⑵链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程
⑶链式反应的条件：铀的纯度和铀块大小
2、反应堆与核电站
3、核聚变
⑴核聚变：两个轻核结合成一个质量较大的核
⑵核聚变的条件：加热到几百万卡尔文（热核反应）
式反应进行下去。
拓展学习
铀核裂变时的核反应方程为：
+
→
+
+
已知： = . ×10-27 kg， = . ×10-27 kg， =
. ×10-27 kg， = . ×10-27 kg。求： 1Kg铀完全裂变释放的能量。
聚变反应中亏损的质量转化为能量，以光子的形式放出，故光子能量为E＝(m1＋
m2－m3－m4)c2，故C错误；
hc
h
根据 E＝ λ 得光子的波长为 λ＝
，故 D 错误。
m1＋m2－m3－m4 c
1、反应堆： 通过可控制的链式反应来释放核能的装置。
控制棒——镉棒
⑴燃料：铀棒
中子的速度不能太快，否则会与铀235“擦肩而过”，
铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变。实验证明，
速度与热运动速度相当的中子最适于引发核裂变。
这样的中子就是“热中子”，或称慢中子。
水泥防
护层
⑵慢化剂：为了使裂变产生的快中子减速，
第四道屏障——安全壳
由1m多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都装在安全壳中。
【例题2】(多选)关于核反应堆,下列说法正确的是( ABD )
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：
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
应,在极短时间内能够释放大量核能，发生猛裂爆炸。
拓展学习
为了打破核垄所，最终消灭核武器，1964年10月16日我国第一颗
原子弹爆炸成功。同时，我国政府郑重承诺:中国在任何时候、任何
情况下，都不首先使用核武器，不对无核国家或地区使用或威胁使用
核武器。我国研制成功原子弹，极大地增强了我国的国防力量。
二、反应堆与核电站
铀核裂变为中等质量的原子核时一定释放能量,B正确。
一、核裂变的发现
2、链式反应
⑴定义
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链式反应。
一、核裂变的发现
2、链式反应
⑵链式反应的条件
①保证铀235的纯度
杂质
中子
铀矿
杂质
一、核裂变的发现
2、链式反应
被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮
机运转。
核电站工作流程
二、反应堆与核电站
2、核电站
⑵核反应堆的防护措施：
第一道屏障——耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块
可以把98%以上的裂变产物滞留在芯块内。
第二道屏障——燃料元件包壳
由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。
第三道屏障——压力壳
将燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包壳少量射线泄漏。
热中子反应堆的核燃料
是铀棒，成分是天然铀
或浓缩铀（铀235的含量
占2%〜4%）。
二、反应堆与核电站
2、核电站
⑴核电站工作流程
第一回路中的水被泵压入反应堆，
通过堆芯时核心反应放出的热使水的
内能增加，水温升高。第一回路的水
进入交换器，把热量传给第二回路的
水，然后又被泵压回反应堆。
在热交换器内，第二回路中的水
在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有
石墨、重水或普通水。
⑶控制棒：在铀棒之间插入一些镉棒，利用镉棒
吸收中子的能力很强来控制反应速度。镉棒插入的
越深，吸收的中子就越多，链式反应的速度就越慢，
这样的镉棒叫控制棒。
⑷水泥防护层：屏蔽射线防止放射性污染。
燃料棒—
铀棒
减速剂
“热中子（慢中子）”核反应堆示意图
科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿
~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！
三、核聚变
3、核聚变的利用——氢弹
2
1H
1967年6月17日，我国首枚氢弹爆炸成功
普通炸药
爆炸
Ｕ235
裂变
氘、氚
聚变
+ 31H → 42He + 10n + 17.6MeV
三、核聚变
4、可控核聚变的方案
C
F
E
D
O
B
20世纪30年代，物理学家的一个重大发现
改变了人类历史。原子核在“分裂或聚合”
时，会释放出惊人的能量。
A
Fe
核子的平均结合能随质量数的变化
使较重的核分裂成中等大小的核，比
结合能会增加，发生质量亏损，释放
结合能。
z
一、核裂变的发现
1、核裂变 重核受粒子打击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应。
热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多
恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激
烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。
太
阳
恒
星
太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J，地球只接
受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过
程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参
与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。
D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
解析：
与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易发现的聚
变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，
B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据
E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；
2
1
H 21 H 31 H 11 H
要使轻核发生核聚变，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，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，
原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量原子核获得足够的动
能而发生核聚变呢？
⑴用加速器加速原子核
⑵链式反应的条件
②临界体积和临界质量：
裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫
做临界质量。
原子核的体积非常小，原子内部的
空隙很大，如果铀块不够大，中子在
铀块中通过时，就有可能不到铀核而
跑到铀核外面去，链式反应不能继续。
只有当铀核足够大时，裂变产生的中
子才有足够的概率打中某个核，使链
5.4核裂变与核聚变
较重的核分裂成中等大小的核，较小的核
合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放
出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，
利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是
怎样被转化和使用的呢？
核子平均质量
核子结合成铁原子核或铁附近的原子核
时，每个核子平均放出的能量大
D
E
F
A
C
B
Fe
O
Z
比结合能
A.这个反应的核反应方程是 21H＋31H→42He＋10n＋γ
B.这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应
C.辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2
h
D.辐射出的 γ 光子的波长 λ＝
m1＋m2－m3－m4c2
解析：
核反应方程满足质量数和电荷数守恒，故A正确；该反应为聚变反应，故B错误；
1个U235发生裂变亏损质量：
Δm = (mu+ mn) - (mBa+mKr+3mn)= 0.3578×10－27kg
1个U235发生裂变释放的能量：ΔE= ∆ = ∆ × . =200.55MeV
1kg铀中含有的铀核数为：
N
1000
1000
NA
6.02 10 23 2.562 10 24
⑶核聚变的例子：太阳、氢弹
【例题3】我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图)2018年获得重大突破，
等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要
的技术基础.下列关于聚变的说法正确的是（AD ）
A.核聚变比核裂变更为安全、清洁
B.任何两个原子核都可以发生聚变
C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加
⑴铀核裂变的一种典型情形
氪89
中子轰
击铀235
中间产
物铀236
+ →
3个中子
钡144
+
+
一、核裂变的发现
1、核裂变
⑵铀核的三分裂、四分裂
铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有:
二分裂
+ →
+ →
⑴磁约束 带电粒子运动时在均匀磁场中受洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能
利用磁场来约束参加反应的物质。
托卡马克装置
中国科学院的环流器装置
三、核聚变
4、可控核聚变的方案
⑵惯性约束 由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散
就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，
235
235
1Kg铀完全裂变释放的能量为：ΔE= . × 24×200.55MeV=8.2×1013J
已知1kg标准煤完全燃烧释放的热量是2.94×107J，则1Kg铀完全裂变释放的能量相当
于多少标准煤完全燃烧释放的热量？
相当于标准煤的质量为：
E 8.2 1013
6
m
kg
2
.
核子的比结合能增加，D正确。
【例题4】一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一
个γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量
为h，真空中的光速为c。下列说法中正确的是（ A ）
B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量
C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分
D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应
解析：
用中子轰击
U
和
Pu 等少数重核元素才能发生裂变反应,铀核裂变时可
能分裂为两部分、三部分或四部分,但产生两部分的概率最大,A、D错误,C正确;
80
10
kg 2800t
7
q
2.94 10
一、核裂变的发现
3、核裂变释放大量的能量
一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能
量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能!
拓展学习
原子弹
原子弹是利用重核的裂变反应制成的,高纯度的铀或钚超过临界体积时发生链式反
⑵对物质加热到很高的温度108～109K
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，碰撞时十分接近，发生核聚变。因
此，核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，
靠自身产生的热就会使反应继续下去。
三、核聚变
2、核聚变普遍存在于宇宙中
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
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。
三、核聚变
1、核聚变
两个轻核结合成质量较大的核的核反应。
一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放
17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每
个核子放出的能量大3-4倍，核反应方程：
+ → + + .
其他聚变反应方程:
2
1
H 21 H 23 He 01 n
+
+
+
+
1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧
夫妇在巴黎首先观察到中子轰击铀核的三
分裂和四分裂现象。
【例题1】(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是( BD )
A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定生反应。
惯性约束示意图
1、核裂变的发现
⑴裂变：重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应的过程
⑵链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程
⑶链式反应的条件：铀的纯度和铀块大小
2、反应堆与核电站
3、核聚变
⑴核聚变：两个轻核结合成一个质量较大的核
⑵核聚变的条件：加热到几百万卡尔文（热核反应）
式反应进行下去。
拓展学习
铀核裂变时的核反应方程为：
+
→
+
+
已知： = . ×10-27 kg， = . ×10-27 kg， =
. ×10-27 kg， = . ×10-27 kg。求： 1Kg铀完全裂变释放的能量。
聚变反应中亏损的质量转化为能量，以光子的形式放出，故光子能量为E＝(m1＋
m2－m3－m4)c2，故C错误；
hc
h
根据 E＝ λ 得光子的波长为 λ＝
，故 D 错误。
m1＋m2－m3－m4 c
1、反应堆： 通过可控制的链式反应来释放核能的装置。
控制棒——镉棒
⑴燃料：铀棒
中子的速度不能太快，否则会与铀235“擦肩而过”，
铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变。实验证明，
速度与热运动速度相当的中子最适于引发核裂变。
这样的中子就是“热中子”，或称慢中子。
水泥防
护层
⑵慢化剂：为了使裂变产生的快中子减速，
第四道屏障——安全壳
由1m多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都装在安全壳中。
【例题2】(多选)关于核反应堆,下列说法正确的是( ABD )
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：
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
应,在极短时间内能够释放大量核能，发生猛裂爆炸。
拓展学习
为了打破核垄所，最终消灭核武器，1964年10月16日我国第一颗
原子弹爆炸成功。同时，我国政府郑重承诺:中国在任何时候、任何
情况下，都不首先使用核武器，不对无核国家或地区使用或威胁使用
核武器。我国研制成功原子弹，极大地增强了我国的国防力量。
二、反应堆与核电站
铀核裂变为中等质量的原子核时一定释放能量,B正确。
一、核裂变的发现
2、链式反应
⑴定义
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链式反应。
一、核裂变的发现
2、链式反应
⑵链式反应的条件
①保证铀235的纯度
杂质
中子
铀矿
杂质
一、核裂变的发现
2、链式反应
被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮
机运转。
核电站工作流程
二、反应堆与核电站
2、核电站
⑵核反应堆的防护措施：
第一道屏障——耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块
可以把98%以上的裂变产物滞留在芯块内。
第二道屏障——燃料元件包壳
由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。
第三道屏障——压力壳
将燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包壳少量射线泄漏。
热中子反应堆的核燃料
是铀棒，成分是天然铀
或浓缩铀（铀235的含量
占2%〜4%）。
二、反应堆与核电站
2、核电站
⑴核电站工作流程
第一回路中的水被泵压入反应堆，
通过堆芯时核心反应放出的热使水的
内能增加，水温升高。第一回路的水
进入交换器，把热量传给第二回路的
水，然后又被泵压回反应堆。
在热交换器内，第二回路中的水
在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有
石墨、重水或普通水。
⑶控制棒：在铀棒之间插入一些镉棒，利用镉棒
吸收中子的能力很强来控制反应速度。镉棒插入的
越深，吸收的中子就越多，链式反应的速度就越慢，
这样的镉棒叫控制棒。
⑷水泥防护层：屏蔽射线防止放射性污染。
燃料棒—
铀棒
减速剂
“热中子（慢中子）”核反应堆示意图
科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿
~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！
三、核聚变
3、核聚变的利用——氢弹
2
1H
1967年6月17日，我国首枚氢弹爆炸成功
普通炸药
爆炸
Ｕ235
裂变
氘、氚
聚变
+ 31H → 42He + 10n + 17.6MeV
三、核聚变
4、可控核聚变的方案
C
F
E
D
O
B
20世纪30年代，物理学家的一个重大发现
改变了人类历史。原子核在“分裂或聚合”
时，会释放出惊人的能量。
A
Fe
核子的平均结合能随质量数的变化
使较重的核分裂成中等大小的核，比
结合能会增加，发生质量亏损，释放
结合能。
z
一、核裂变的发现
1、核裂变 重核受粒子打击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应。
热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多
恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激
烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。
太
阳
恒
星
太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J，地球只接
受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过
程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参
与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。
D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
解析：
与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易发现的聚
变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，
B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据
E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；
2
1
H 21 H 31 H 11 H
要使轻核发生核聚变，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，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，
原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量原子核获得足够的动
能而发生核聚变呢？
⑴用加速器加速原子核
⑵链式反应的条件
②临界体积和临界质量：
裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫
做临界质量。
原子核的体积非常小，原子内部的
空隙很大，如果铀块不够大，中子在
铀块中通过时，就有可能不到铀核而
跑到铀核外面去，链式反应不能继续。
只有当铀核足够大时，裂变产生的中
子才有足够的概率打中某个核，使链
5.4核裂变与核聚变
较重的核分裂成中等大小的核，较小的核
合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放
出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，
利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是
怎样被转化和使用的呢？
核子平均质量
核子结合成铁原子核或铁附近的原子核
时，每个核子平均放出的能量大
D
E
F
A
C
B
Fe
O
Z
比结合能
A.这个反应的核反应方程是 21H＋31H→42He＋10n＋γ
B.这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应
C.辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2
h
D.辐射出的 γ 光子的波长 λ＝
m1＋m2－m3－m4c2
解析：
核反应方程满足质量数和电荷数守恒，故A正确；该反应为聚变反应，故B错误；
1个U235发生裂变亏损质量：
Δm = (mu+ mn) - (mBa+mKr+3mn)= 0.3578×10－27kg
1个U235发生裂变释放的能量：ΔE= ∆ = ∆ × . =200.55MeV
1kg铀中含有的铀核数为：
N
1000
1000
NA
6.02 10 23 2.562 10 24
⑶核聚变的例子：太阳、氢弹
【例题3】我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图)2018年获得重大突破，
等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要
的技术基础.下列关于聚变的说法正确的是（AD ）
A.核聚变比核裂变更为安全、清洁
B.任何两个原子核都可以发生聚变
C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加
⑴铀核裂变的一种典型情形
氪89
中子轰
击铀235
中间产
物铀236
+ →
3个中子
钡144
+
+
一、核裂变的发现
1、核裂变
⑵铀核的三分裂、四分裂
铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有:
二分裂
+ →
+ →
⑴磁约束 带电粒子运动时在均匀磁场中受洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能
利用磁场来约束参加反应的物质。
托卡马克装置
中国科学院的环流器装置
三、核聚变
4、可控核聚变的方案
⑵惯性约束 由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散
就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，
235
235
1Kg铀完全裂变释放的能量为：ΔE= . × 24×200.55MeV=8.2×1013J
已知1kg标准煤完全燃烧释放的热量是2.94×107J，则1Kg铀完全裂变释放的能量相当
于多少标准煤完全燃烧释放的热量？
相当于标准煤的质量为：
E 8.2 1013
6
m
kg
2
.