2017_2018学年高中物理第四章原子核4.5裂变和聚变教学案粤教版选修3_5

第五节 裂变和聚变

[目标定位] 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义及发生条件.3.会计算裂变、聚变所释放的能量．

一、核裂变与链式反应 1．核裂变

比较重的一个核分裂为两个较轻的核并释放出能量的反应． 2．链式反应

一个核的裂变能够引发一个或一个以上的核发生裂变，让核裂变的过程自己持续下去，源源不断地将核能释放出来的反应． 3．一种典型的裂变反应方程

235 92

U ＋10n→8936Kr ＋144 56Ba ＋31

0n

4．临界体积

能够发生链式反应的铀块的最小体积． 二、受控热核反应 1．核聚变

比较轻的两个核结合成一个较重的核，并释放出能量的反应叫核聚变． 2．能量变化

轻核聚变后，平均结合能增加，反应中会释放能量． 3．核反应举例

21

H ＋31H→42He ＋1

0n ＋17.6 MeV.

4．核反应条件

必须使它们的距离达到10－15

m 以内，使核具有足够的动能，轻核才能够发生聚变．

5．受控热核反应

热核反应能量在人工控制下逐渐地释放出来并加以利用(例如发电)，这称为受控热核反应． 6．实现受控热核反应的条件

(1)要把热核燃料加热到非常高的温度；

(2)使热核反应释放的能量足以补偿形成聚变过程中所损失的能量，这个条件称为“点火”条件．

预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中

一、对核裂变和链式反应的理解

1．核子受激发：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．

2．核子分裂：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，形成链式反应．

3．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．一般来说，平均每个核子放出的能量约为1 MeV ，1 kg 铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t 优质煤燃烧时释放的能量，裂变时能产生几万度的高温．

4．用中子轰击铀核时，铀核裂变的产物是多种多样的，其中两种典型的反应是：

235 92U ＋10n ―→144 56Ba ＋8936Kr ＋31

0n ； 235 92

U ＋1

0n ―→136

54Xe ＋90

38Sr ＋101

0n

【例1】 关于重核的裂变，下列说法正确的是( ) A ．核裂变时释放的能量等于它俘获中子时得到的能量

B ．重核裂变时释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少

C ．铀核自发放出α粒子、β粒子时要释放能量，核电站利用的就是这一能量

D ．重核的平均结合能小于中等质量核的平均结合能，所以重核裂变成中等质量核时，要放出核能，有质量亏损 答案 D

解析 将重核分成核子时比中等质量核分成核子时每个核子平均吸收的能量小些，可见由重核裂变成两个中等质量的核要放出能量，选项D 正确；铀核裂变放出的能量是原子核的核能，而不是中子具有的动能，选项A 错误；裂变过程遵守质量数、电荷数守恒规律，B 错误；衰变是自发的现象，铀核衰变后的新核仍是重核，而核电站利用的是裂变核能，选项C 错误． 借题发挥 重核裂变的实质

(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．

(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的平均结合能相比中等质量的核的平均结合能要小．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．

【例2】 用中子轰击铀核(235

92U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(141

56Ba)和氪(92

36Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：

m U ＝390.313 9×10－27 kg ，m n ＝1.674 9×10－27 kg ； m Ba ＝234.001 6×10－27 kg ，m Kr ＝152.604 7×10－27 kg.

试写出核反应方程，求出反应中释放的核能． 答案 1

0n ＋235

92U ―→141

56Ba ＋92

36Kr ＋31

0n 3.220 2×10

－11

J

解析 根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒，就可以写出核反应方程． 铀核裂变方程为1

0n ＋235

92U ―→141

56Ba ＋92

36Kr ＋31

0n ，

根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能． 则核反应前后的质量亏损为

Δm ＝m U ＋m n －m Ba －m Kr －3m n ＝0.357 8×10－27

kg.

由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为 ΔE ＝Δmc 2

＝0.357 8×10－27

×(3×108)2

J

＝3.220 2×10

－11

J.

二、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，因此聚变反应是一个放能反应． 3．聚变方程

21

H ＋31H ―→42He ＋1

0n ＋γ.

4．重核裂变与轻核聚变的区别