2017_2018学年高中物理第四章原子核第五节裂变和聚变教学案粤教版选修3_5

第五节裂变和聚变

对应学生用书页码P57

1．两个轻核聚合成一个较重核的反应叫核聚变，较重的核分裂成两个较轻核的反应叫核裂变。

2．一个核的裂变引发一个或一个以上的核发生裂变，让核裂变过程自己持续下去的核反应叫做链式反应。

3．为了使铀核裂变时放出的中子再引起其他铀核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，形成链式反应，最好是利用纯铀235；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，链式反应就不会发生。

4．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，由于原子核是带正电的，就必须克服电荷间很大的斥力作用，这就要求使核具有足够的动能，就要给核力加热，使物质达到几百万度以上的高温，使轻核在互相碰撞中接近到可以发生聚变的程度。因此这种反应又叫做热核反应。

5．如果要使巨大的热核反应能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工控制下逐渐地释出来并加以利用(例如发电)，这称为受控热核反应。

6．太阳辐射能量主要来自太阳内部的热核反应。

对应学生用书页码P57

核裂变与链式反应

1.核裂变

(1)概念：较重的一个核分裂成两个较轻的核时，会释放出能量，这种核反应叫做核裂变。

(2)铀核裂变分析：

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，释放出越来越多的核能。

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。一般说来，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。

(3)铀235和铀238的比较

在天然铀中，%的是238 92U,%的是235 92U，虽然中子都能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子作用的情况明显不同。

①235 92U俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大。

②238 92U只有在俘获的中子的能量大于1 MeV时才能发生核反应，且裂变的几率较小。对于低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不能引起核反应。

2．链式反应

(1)定义：发生裂变时，为了让核裂变过程自己持续下去，源源不断地将核能释放出来，这样的核反应叫做链式反应。

(2)示意图：如图4－5－1所示

图4－5－1

3．链式反应发生的条件

(1)铀块的体积大于临界体积。体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核。

(2)有足够浓度的铀235。

(3)有足够数量的慢中子。

(1)重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，自然界不会自发地产生。如铀核裂变不能自发地进行，要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂。

(2)重核裂变反应速度很快，不加控制的话，能量在很短的瞬间急剧释放。如果采用其他方法对反应速度加以控制就可以和平地利用这种巨大的核能。核电站就是可控的链式反应。

1．裂变反应中释放出的能量来自于( )

A．核子消失转化为能量

B．原子中电子与原子核的电势能减小

C．入射的中子消失转化为能量

D．原子核的平均结合能变大，释放出能量

解析：发生核反应过程中，核子数保持守恒，中子未消失，故A、C错误。能量来自于原子核内部，因重核在分裂为中等质量的原子核时，平均结合能增加而释放出能量，C错误，D正确。

答案：D

受控热核反应

1.核聚变

(1)概念：两个轻核聚合成一个较重的核时，会释放出能量，这种核反应叫做核聚变。

(2)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。

2．热核反应

(1)概念：要使轻核聚变，就要求使轻核具有足够大的动能，给轻核加热到很高的温度，当物质达到几百万度以上的高温时，一部分原子核就具有足够的动能而发生聚变，因此核聚变又叫热核反应。

(2)热核反应的优点(与裂变相比)

①产生的能量大；

②反应后生成的放射性物质易处理；

③热核反应的燃料在地球上储量丰富。

(3)热核反应的两种方式

①爆炸式热核反应；

②受控式热核反应(目前正处于探索、实验阶段)。

3．核聚变与核裂变的区别

(1)原理不同

重核的裂变是重核裂变成几个中等质量的原子核，放出能量，而聚变是几个轻核聚变(结合)成一个中等质量的原子核，放出巨大的能量。

(2)放出能量的大小不同

重核裂变时，平均每个核子释放的能量约为1兆电子伏，而轻核的聚变，平均每个核子释放出3兆电子伏以上的能量，即聚变比裂变能放出更多的能量。

(3)废料处理难度不同

裂变产生的废料处理起来比较困难，而热核反应的废料处理要简单得多。

(4)“燃料”的丰富程度不同

热核反应所需要的“燃料”——氘在地球上非常丰富，1升海水中大约有0.03克氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约和燃烧300升汽油相当。而裂变燃料——铀在地球上储量有限，尤其是用于核裂变的铀235，在铀矿中仅占 %，相比起来聚变的燃料——氘要丰富得多。我国是一个“贫铀”国家，贮藏量不多。

(5)两种反应的可控制性不同

裂变反应速度可以比较容易地进行人工控制，因此，现在国际上的核电站都是利用裂变放出能量，而聚变反应的可控制性比较困难，世界上许多国家都积极研究可控热核反应的理论和技术。

2．(双选)下列说法正确的是( )

A．聚变反应中有质量亏损，所以必向外界放出能量

B．使核发生聚变反应必须使核之间的距离接近到1×10－15 m，也就是接近到核力能够发生作用的范围内

C．要使核发生聚变反应，必须克服核力做功

D．热核反应只有在人工控制下才能发生

解析：由质能方程可知A正确；轻核结合成质量较大的核，必须使轻核间的距离达到发生核力的范围，才能使它们紧密地结合起来，B正确，C错误；热核反应必须在很高的温度下才能发生，不一定要人工控制，D错。

答案：AB

对应学生用书页码P59

对裂变反应的理解

[例1]

A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量

B．中子进入铀块中时，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，所以核子数量减小

D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能

[解析] 根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程。而并非中子的能量，故A错误。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，中子进入铀块时，裂变中产生

的中子散失到外界，没有足够的中子，则链式反应就不会发生，故B错误。在裂变反应中核子数是不会减少的，如235 92U裂变为9038Sr和134 54Xe的核反应，其核反应方程为235 92U＋10n―→9038Sr＋136 54Xe ＋1010n，

其中各粒子质量分别为

m U＝ 9 u，m n＝ 67 u，

m Sr＝ 7 u，m Xe＝ 2 u，

质量亏损为

Δm＝(m U＋m n)－(m Sr＋m Xe＋10m n)＝ 0 u

可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此C错误，重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，发生质量亏损，从而释放出核能。故D正确。

[答案] D

(1)发生链式反应的条件是：

①要俘获慢中子；

②铀块的体积大于或等于临界体积．

(2)重核裂变会释放能量的理解

①从平均结合能上看，中等质量的原子核平均结合能较大，质量较大的重核分裂为中等质量原子核时，要放出能量。

②从核子的平均质量上看，中等质量的原子核内核子的平均质量较小，如果由核子平均质量较大的重核裂变为中等质量原子核，质量要亏损，所以要放出能量。

轻核聚变的理解与计算

[例2] m0＝ 6 u，氦核质量m He＝ u，中子质量m n＝ 7 u。

(1)写出聚变方程并算出释放的核能(已知1 u相当于 MeV)；

(2)若反应前两氘核的动能均为E k0＝ MeV，它们正面对撞发生核聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？

[解析] (1)聚变的核反应方程为221H→32He＋10n。

这个核反应中的质量亏损为：

Δm＝2m0－(m He＋m n)

＝(2× 6－ 0－ 7)u＝ 5 u。

释放的核能为ΔE＝5× MeV＝ MeV。

(2)把两个氘核作为一个系统，对撞过程中动量守恒，由于反应前两核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的总动量恒为零，即：

0＝m He v He ＋m n v n ①

又由于反应前后能量守恒，故反应后氦核和中子的总动能为： 12m He v 2He ＋12m n v 2n ＝ΔE ＋2E k0② 因为m He ∶m n ＝3∶1，

所以氦核和中子的速率之比为：v He v n ＝13

把这两个关系式代入②式得： ΔE ＋2E k0＝4×12

m He v 2

He ＝4E kHe 。

解得氦核的动能和中子的动能分别为：

E kHe ＝14

×＋2× MeV＝ MeV ， E kn ＝3E kHe ＝ MeV 。

[答案] (1)22

1H→3

2He ＋1

0n MeV (2) MeV MeV

(1)计算核聚变中释放的核能，方法与其他核反应相似。首先，应算出聚变前的核子质量和反应后的质量，进而求出质量亏损Δm ＝m 前－m 后，再运用爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2

求出释放的总能量。该类问题是原子物理部分在高考中的热点。

(2)此类问题常犯的错误在于运用能量守恒定律解题时没有将该反应过程中由于质量亏损释放的核能考虑进去，而认为作用后的总动能等于作用前的总动能。

聚变反应2

1H ＋3

1H→4

2He ＋1

0n ，反应原料氘(2

1H)富存于海水中，而氚(3

1H)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通过中子轰击锂核(6

3Li)的人工核转变得到。则：

(1)请把下列用中子轰击锂核(6

3Li)产生一个氚核(3

1H)和一个新核的人工核转变方程填写完整：

6

3

Li ＋________―→________＋3

1H 。

(2)在(1)中，每生产1 g 的氚同时有多少个6

3Li 核实现了核转变？(阿伏加德罗常数N ＝×1023

个/mol)

(3)一个氘核和一个氚核发生核聚变时，平均每个核子释放的能量为E 0＝×10－13

J 。求

发生核聚变时的质量亏损。

解析：(1)6

3Li ＋1

0n→4

2He ＋3

1H

(2)因为1 g 氚为1

3

mol ，根据该反应方程实现核转变的

63

Li 核也为13 mol ，所以有13

××1023＝×1023个6

3Li 核实现了核转变。

(3)根据爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2

，

核聚变中有5个核子参加了反应，所以该核聚变中的质量亏损Δm ＝ΔE c 2＝5××10

－13×108

2

kg≈×10

－29

kg 。

答案：(1)1

0n 4

2He (2)×1023

个 (3)×10

－29

kg

[对应课时跟踪检测十九]

1．(双选)我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应有： (1)235

92U ＋1

0n→90

38Sr ＋136

54Xe ＋k 1

0n (2)2

1H ＋3

1H→4

2He ＋d 1

0n

关于这两个方程的下列说法，正确的是( ) A ．方程(1)属于α衰变 B ．方程(2)属于轻核聚变

C ．方程(1)中k ＝10，方程(2)中d ＝1

D ．方程(1)中k ＝6，方程(2)中d ＝1

解析：方程(1)应属于重核裂变而不是α衰变，选项A 错误；方程(2)为轻核聚变，选项B 正确；核反应前后质量数守恒、核电荷数守恒，方程(1)中：235＋1＝90＋136＋k ×1，解得k ＝10，方程(2)中：2＋3＝4＋d ×1，解得d ＝1，选项C 正确、D 错误。

答案：BC

2．下列核反应方程，属于裂变反应的有( )

92

)U→234 90Th ＋4

2He

92

)U ＋1

0n→144

56Ba ＋89

36Kr ＋31

0n

P→30

14Si ＋01e Be ＋4

2He→12

6C ＋1

0n

解析：A 选项是α衰变，B 选项是裂变，C 选项是放射性元素的衰变，D 选项是查德威

克发现中子的人工转变方程，故B 正确，A 、C 、D 错。

答案：B

3．2006年3月23日央视报道，中科院离子物理所经过八年的艰苦奋斗，终于建成了世界上第一个全超导的托卡马克试验装置并调试成功；这种装置被称为“人造太阳”(如图1所示)，

图1

它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续地输出能量，就像太阳一样为人类提供无限清洁的能源。在下列核反应方程中有可能是该装置内部所进行的核反应的是( )

7

)N ＋42He→16 8O ＋1

1H

H ＋3

1H→4

2He ＋1

0n

92

)U→234 90Th ＋4

2He

92

)U ＋1

0n→141

56Ba ＋92

36Kr ＋31

0n

解析：由题意可知，核反应为聚变反应，故C 、D 错．由质量数和电荷数守恒可知A 错B 对。

答案：B

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

解析：裂变和聚变中都有核能的释放，由爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2

可知均有质量亏损，故D 对。

答案：D

5．下列关于聚变的说法中，错误的是( ) A ．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功

B ．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应

C ．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应

D ．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着裂变反应

解析：轻核聚变时，要使轻核之间的距离达到10

－15

m ，所以必须克服库仑斥力做功，A

正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B 、C 正确；在太阳内部或其他恒星内部都存在着热核反应，D 错误。

答案：D

6．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 ．为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子

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 ．裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关

解析：要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于临界体积或临界质量，故A 、D 错，C 对。铀235俘获慢中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的几率小，故B 错。

答案：C

7．氢弹和原子弹各是根据什么原理制造的( ) A ．都是根据重核裂变原理 B ．都是根据轻核聚变原理

C ．原子弹是根据轻核聚变原理，氢弹是根据重核裂变原理

D ．原子弹是根据重核裂变原理，氢弹是根据轻核聚变原理

解析：氢弹是根据轻核聚变，原子弹是根据重核裂变，故选项D 对。 答案：D

8．使两个氘核发生聚变，必须使它们之间的距离接近到r 0，也就是接近到核力能够发生作用的范围，温度很高时，由氘原子构成的物质将成为等离子体，已知等离子体热运动的平均动能为E k ＝3

2

k 1T ，式中k 1为波尔兹曼常量，T 为热力学温度，两个氘核之间的电势能为

E p ＝k e 2

r

，k 为静电力常量，r 为核之间的距离，则使氘核发生聚变的温度至少应为( )

解析：由能量守恒定律可得E k ＝E p ，即32k 1T ＝k e 2

r 0，解得T ＝2ke

2

3k 1r 0

，选项B 对。

答案：B

9．一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量m H ＝ 3 u ，中子质量m n ＝ 7 u ，氚核质量m ＝3．018 0 u

(1)写出聚变方程； (2)释放出的核能多大？

(3)平均每个核子释放的能量是多大？ 解析：(1)聚变方程1

1H ＋21

0n→3

1H (2)质量亏损 Δm ＝m H ＋2m n －m ＝ 3＋2× 7－ 0) u ＝ 7 u 释放的核能

ΔE ＝Δmc 2

＝ 7× MeV≈ MeV。 (3)平均每个核子放出的能量为 错误! MeV ＝ MeV 。

答案：(1)1

1H ＋21

0n→3

1H (2) MeV (3) MeV

10．现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：

235 92

U ＋10n ―→143 60Nd ＋A Z Zr ＋310n ＋8 0

－1e ＋ν

(1)核反应方程中的ν是反中微子，它不带电，质量数为零．试确定生成物锆(Zr)的电荷数Z 与质量数A ；

(2)已知铀核的质量为 u ，中子质量为 u ，钕(Nd)核的质量为 u ，锆核的质量为 89．9047 u ；又知1 u ＝ MeV ，试计算1 kg 铀235大约能产生的能量是多少。 解析：(1)锆的电荷数Z ＝92－60＋8＝40， 质量数A ＝236－146＝90， 核反应方程中应用符号90

40Zr 表示。 (2)1 kg 铀235的铀核数为

n ＝

1000235

××1023

个。 不考虑核反应中生成的电子质量，1个铀核反应发生的质量亏损为 Δm ＝ u － u － u －2× u≈ u， 1 kg 铀235完全裂变产生的能量约为

E ＝n Δmc 2＝

1000235

××1023×××106××10－19 J≈×1013

J 。 答案：(1)40 90 (2)×1013

J