新教材高中物理第5章原子核与核能第4节核裂变和核聚变第5节核能的利用与环境保护教师用书鲁科版选择性必修第三册.doc

第4节　核裂变和核聚变第5节　核能的利用与环境保护[核心素养·明目标]核心素养学习目标物理观念知道核裂变、核聚变、链式反应及其条件，了解可控热核聚变、核电站、原子弹、氢弹等科学思维能利用质能方程计算重核裂变与轻核聚变释放的核能，提高分析解决问题的能力科学探究通过对链式反应的探究，理解原子弹、核反应堆的原理，体验热核反应的条件科学态度与责任学习科学家们研究问题的方法，坚持实事求是的科学态度，体验其工作的艰辛，激发探索未来科学的热情知识点一　重核裂变　链式反应1．重核裂变(1)定义：用中子轰击重核，重核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量的核反应过程2)铀核裂变中的典型核反应方程：n＋U―→Ba＋Kr＋3n2．链式反应(1)定义：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，且能不断地增加，形成链式反应2)发生条件①有持续不断的中子②达到临界体积说明：核裂变是可以控制的，如核电站的建立和应用1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)铀核的裂变是一种天然放射现象 (×)(2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去 (√)(3)中子轰击重核发生裂变是撞击的效果。

(×)知识点二　轻核聚变　可控热核聚变1．轻核聚变(1)定义：采用轻核聚变成较重核引起结合能变化的方式可获得核能，这样的核反应称为核聚变2)太阳内部氢核聚变的反应方程：H＋H―→He＋n3)聚变燃料的获取：氘可从海洋中提取，而天然的氚不存在，但可通过反应n＋Li―→He＋H得到2．可控热核聚变(1)轻核聚变的条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的间距达到核力作用的范围2)物质第四态——等离子态：高温等离子体的密度及高温必须维持一定时间才能实现聚变3)约束高温等离子体的三种方式：引力约束、磁约束、惯性约束说明：轻核聚变不是重核裂变的逆过程2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些 (×)(2)轻核发生聚变反应不需要条件 (×)3：填空写出下面三个核反应方程的类型①Na→Mg＋e；β衰变②U＋n→Ba＋Kr＋3n；重核裂变③H＋H→He＋n轻核聚变知识点三　核能的利用与环境保护1．核电站(1)核电站就是将核反应堆释放的核能转化为电能的发电厂2)燃料：反应堆以U为燃料2．原子弹和氢弹(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)氢弹是一种不需人工控制而实现核聚变的反应装置3．核能的优势与危害(1)优势①核能发电可缓解能源危机②核能发电比燃煤发电对环境带来的污染小2)危害①核废料具有高放射性②核泄漏产生核污染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说明：核能发电产生的核废料具有很强的放射性，并且半衰期也很长，需要装入特制的容器，深埋地下4：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)目前的核电站采用的是聚变反应 (×)(2)核电站的发电成本低于煤电 (√)(3)原子核和氢弹的燃料不同，原理相同 (×) 考点1　对核裂变和链式反应的理解如图所示为重核裂变的链式反应试探究：(1)什么是链式反应？(2)链式反应中的临界体积指什么？提示：(1)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叫链式反应2)能发生链式反应的最小体积叫临界体积，相应的质量叫临界质量1．铀核的裂变和裂变方程(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或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)常见的裂变方程：①n＋U→Ba＋Kr＋3n②U＋n→Sr＋Xe＋3n2．链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积2)铀块的质量大于临界质量以上两个条件满足一个即可典例1】　铀核裂变的产物是多样的，一种典型的情形是生成钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n，以下说法正确的是(　　)A．该反应质量数守恒，没有质量亏损B．U的中子数比Ba的多91个C．U的比结合能比Ba的大D．Ba的结合能比kr的大思路点拨：(1)核裂变放出能量，比结合能变大2)核反应方程，质量数守恒、电荷数守恒D　[核反应质量数守恒，但此反应释放核能有质量亏损，故A错误；U的中子数为143，Ba中子数为88，中子数相差55，故B错误；重核裂变生成物的原子核更稳定，比结合能变大，故C错误；核子数越多，结合能越大，则Ba的结合能比kr的大，故D正确]对重核裂变的两点理解(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，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比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。

1．(多选)(2020·河北省武邑宏达实验学校高二月考)用中子轰击U原子核，发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为U＋n→X＋Sr＋2n，则以下说法中正确的是(　　)A．X原子核中含有84个中子B．X原子核的结合能比U原子核的结合能大C．X原子核中核子的平均质量比U原子核中核子的平均质量小D．X原子核中核子的比结合能比U原子核中核子的比结合能大CD　[由核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知X原子核中含有质子数92－38＝54　中子数235＋1－94－2－54＝86，故A错误；X原子核中的核子数：54＋86＝140(个)，核子数越多的原子核结合能越大，故X原子核的结合能比U原子核的结合能小，故B错误；原子核中核子结合时平均每个核子的质量亏损能量越多，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，原子核中核子结合时平均每个核子的质量亏损越多，原子核中核子的平均质量越小；因为裂变释放能量，出现质量亏损，所以裂变后的总质量减少，平均质量减少，故C正确；结合能与核子数之比称比结合能，也叫平均结合能，比结合能越大，表示原子核中单个核子分离所需的能量越多，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定；U裂变的过程中释放能量，则U的比结合能小于X原子核的比结合能，即X原子核中核子的比结合能比U原子核中核子的比结合能大，故D正确。

故选CD] 考点2　对核聚变的理解据报道，中科院离子物理所经过八年的艰苦奋斗努力，终于率先建成了世界上第一个全超导的托克马克试验装置并调试成功这种装置被称为“人造太阳”(如图所示)，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问题探究：(1)请写出此核聚变的方程式；(2)请说出核聚变能源的优点提示：(1)核聚变方程：H＋H→He＋n＋17.6 MeV(2)优点：①产能效率高　②核燃料储量丰富　③安全、清洁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放能反应3．核聚变的特点(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放出更多的能量2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。

4．核聚变的应用(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸2)可控热核反应：目前处于探索阶段5．重核裂变与轻核聚变的区别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倍燃料储量情况聚变燃料储量丰富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【典例2】　(多选)氘核H可通过一系列聚变反应释放能量，其反应式6H→2He＋xH＋yn，同时释放出43.15 MeV的能量已知氘核H的质量为1 876.1 MeV/c2(c为真空中的光速)，氦核He质量为3 728.4 MeV/c2，中子的质量为939.6 MeV/c2，1 L海水中含有的氘核约为1.0×1022个，而1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J，下列说法正确的是(　　)A．该核反应中x＝2，y＝2B．质子H的质量为960.3 MeV/c2C．1 L海水中的氘核全部反应损失的质量约为1.3×10－7 kgD．1 L海水中的氘核全部反应释放的能量大于一吨标准煤燃烧释放的热量AC　[根据质量数和电荷数守恒可得，该核反应中x＝2，y＝2，故A正确；释放出的能量对应的质量为43.15 MeV/c2，根据爱因斯坦质能方程可得，质子H的质量为m＝MeV/c2＝1 920.6 MeV/c2，故B错误；1 L海水中的氘核全部反应损失的质量m＝kg≈1.3×10－7 kg，故C正确；1 L海水中的氘核全部反应释放的能量E＝×43.15×106×1.6×10－19 J≈1.15×1010 J一吨标准煤燃烧释放的热量E′＝2.9×107×103 J＝2.9×1010 J，故D错误。

故选AC]2．太阳内部核反应的主要模式之一是质子－质子循环，循环的结果可表示为4H→He＋2e＋2γ已知H和He的质量分别为mp＝1.007 8 u和mα＝4.002 6 u，1 u＝931 MeV/c2，c为光速在4个H转变为1个He的过程中，释放的能量约为(　　)A．8 MeV　　 B．16 MeVC．26 MeV D．52 MeVC　[核反应质量亏损Δm＝4×1.007 8 u－4.002 6 u＝0.028 6 u，释放的能量ΔE＝0.028 6×931 MeV≈26.6 MeV，选项C正确] 考点3　核电站与核反应堆如图是慢中子反应堆的示意图试探究：(1)铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？(2)如何控制裂变反应的激烈程度？提示：(1)慢中子2)控制棒由镉做成，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，反之，应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快一些1．核电站的主要组成核电站的核心设施是核反应堆 ，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件列表如下：部件名称慢化剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨、重水或普通水(也叫轻水)镉水或液态钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染2．反应堆工作原理(1。