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,,,高中物理·選修3-5·粵教版,第五節(jié) 裂變和聚變,[目標(biāo)定位] 1.知道重核的裂變反應(yīng)和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件.2.掌握核聚變的定義及發(fā)生條件.3.會(huì)計(jì)算裂變、聚變所釋放的能量．,一、核裂變與鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 1．核裂變：____分裂為兩個(gè)或兩個(gè)以上的較輕質(zhì)量的核的反應(yīng)． 2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：一個(gè)核的裂變能夠引發(fā)一個(gè)或一個(gè)以上的核發(fā)生裂變，讓核裂變的過程能____進(jìn)行下去，源源不斷地將____釋放出來． 3．鈾235與鈾238比較 (1)天然鈾儲(chǔ)量：鈾238占99.3%.鈾235占0.7%.,重核,自發(fā),核能,(2)與中子的作用特點(diǎn) ①鈾235俘獲各種能量的中子都會(huì)發(fā)生裂變，而且俘獲能量低的中子發(fā)生裂變的幾率____． ②鈾238只有俘獲能量____ 1 MeV的中子才可能發(fā)生裂變，并且?guī)茁蔩___ ，俘獲能量低于1 MeV的中子時(shí)，不發(fā)生裂變，而變?yōu)殁?39. ③為使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好選用_____． 4．一種典型的裂變反應(yīng)方程,較大,大于,很小,鈾235,5．臨界體積：能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的____體積． 二、受控?zé)岷朔磻?yīng) 1．核聚變：輕核結(jié)合成質(zhì)量______核，輕核聚變必須在高溫下進(jìn)行，因此又叫________． 2．能量變化：輕核聚變后，平均結(jié)合能____ ，反應(yīng)中會(huì)____能量． 4．核反應(yīng)條件：必須使它們的距離達(dá)到_____m以內(nèi)，使核具有足夠的____ ，輕核才能夠發(fā)生聚變．,最小,較大的,熱核反應(yīng),增加,釋放,10－15,動(dòng)能,5．特點(diǎn)：在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，輕核聚變比重核裂變________的能量．熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠____________就會(huì)使反應(yīng)繼續(xù)下去． 6．受控?zé)岷朔磻?yīng)：如果要使巨大的熱核反應(yīng)能量不是以爆炸的形式釋放，而是在人工控制下逐漸地釋放出來并加以利用(例如發(fā)電)，這稱為受控?zé)岷朔磻?yīng)． 7．實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)的條件 (1)要把熱核燃料加熱到非常高的溫度； (2)要使聚變反應(yīng)維持下去并能加以控制以提供可用的能量； (3)使熱核反應(yīng)釋放的能量足以補(bǔ)償形成聚變過程中所損失的能量，這個(gè)條件稱為“點(diǎn)火”條件.,釋放更多,自身產(chǎn)生的熱,一、核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 1．核子受激發(fā)：當(dāng)中子進(jìn)入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核，復(fù)核中由于核子的激烈運(yùn)動(dòng)，使核變成不規(guī)則的形狀． 2．核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時(shí)放出2～3個(gè)中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會(huì)不斷地進(jìn)行下去，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．,3．能量：鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量．一般來說，平均每個(gè)核子放出的能量約為1 MeV，1 kg鈾235全部裂變放出的能量相當(dāng)于2 800 t優(yōu)質(zhì)煤燃燒時(shí)釋放的能量，裂變時(shí)能產(chǎn)生幾萬度的高溫． 4．用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，其中兩種典型的反應(yīng)是：,【例1】 (單選)關(guān)于重核的裂變，下列說法正確的是 ( ) A．核裂變時(shí)釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量 B．重核裂變時(shí)釋放出大量的能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧 損，所以核子數(shù)減少 C．鈾核自發(fā)放出α粒子、β粒子時(shí)要釋放能量，核電站利 用的就是這一能量 D．重核的比結(jié)合能小于中等質(zhì)量核的比結(jié)合能，所以重 核裂變成中等質(zhì)量核時(shí)，要放出核能，有質(zhì)量虧損 答案 D,解析 核電站利用的是裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所放出的核能．原子核的衰變以及人工核反應(yīng)也要釋放核能，但天然衰變進(jìn)行得非常緩慢，放出的能量也很小，人工無法控制，實(shí)用價(jià)值不大，原子核的人工轉(zhuǎn)變也放出能量，但作為“炮彈”的粒子擊中原子核的機(jī)會(huì)太少，這種做法得不償失．所以核能的獲取主要是通過裂變或聚變的途徑．比結(jié)合能是核子結(jié)合成原子核時(shí)，每個(gè)核子平均放出的能量，或原子核拆解成核子時(shí)，每個(gè)核子平均吸收的能量．重核的比結(jié)合能小于中等質(zhì)量核的比結(jié)合能，即將重核分成核子時(shí)比中等質(zhì)量核分成核子時(shí)每個(gè)核子平均吸收的能量小些，可見,由重核裂變成兩個(gè)中等質(zhì)量的核要放出能量，選項(xiàng)D正確；鈾核裂變放出的能量是原子核的核能，而不是中子具有的動(dòng)能，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；裂變過程遵守質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒規(guī)律，B錯(cuò)誤；衰變是自發(fā)的現(xiàn)象，鈾核衰變后的新核仍是重核，而核電站利用的是裂變核能，選項(xiàng)C錯(cuò)誤． 借題發(fā)揮 重核裂變的實(shí)質(zhì) (1)重核裂變是中子轟擊質(zhì)量數(shù)較大的原子核，使之分裂成中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)釋放大量的能量，放出更多的中子的過程． (2)重核的裂變是放能核反應(yīng)，原因是核反應(yīng)前后質(zhì)量有虧損，根本原因是重核的比結(jié)合能相比中等質(zhì)量的核的比結(jié)合能要?。栽谥睾朔纸鉃閮蓚€(gè)中等質(zhì)量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時(shí)得到的能量．,mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg； mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg. 試寫出核反應(yīng)方程，求出反應(yīng)中釋放的核能． 解析 根據(jù)反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒和反應(yīng)中的能量守恒，就可以寫出核反應(yīng)方程． 根據(jù)核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損，用愛因斯坦質(zhì)能方程就可求出釋放的核能．,則核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為 Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.357 8×10－27 kg. 由愛因斯坦質(zhì)能方程可得釋放的核能為 ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J ＝3.220 2×10－11 J.,二、核聚變及核能的計(jì)算 1．聚變發(fā)生的條件：要使輕核聚變，必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15 m，這要克服電荷間強(qiáng)大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動(dòng)能．要使原子核具有足夠大的動(dòng)能，就要給它們加熱，使物質(zhì)達(dá)到幾百萬開爾文的高溫． 2．輕核聚變是放能反應(yīng)：從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個(gè)放能反應(yīng)． 3．聚變方程：,4．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別,反應(yīng) 方式,比較 項(xiàng)目,【例3】 (單選)以下說法正確的是 ( ) A．聚變是裂變的逆反應(yīng) B．如果裂變釋放能量，則聚變反應(yīng)必定吸收能量 C．聚變須將反應(yīng)物加熱至數(shù)百萬開爾文以上的高溫，顯 然是吸收能量 D．裂變與聚變均可釋放巨大的能量 答案 D,解析 A選項(xiàng)從形式上看，裂變與聚變似乎是互為逆反應(yīng)，但其實(shí)不然，因?yàn)槎叩姆磻?yīng)物和生成物完全不同．裂變是重核分裂成中等核，而聚變則是輕核聚合成為次輕核，無直接關(guān)聯(lián)，并非互為逆反應(yīng)；B選項(xiàng)既然裂變與聚變不是互為逆反應(yīng)，則在能量流向上也不必相反；C選項(xiàng)要實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，必須使參加反應(yīng)的輕核充分接近，需要數(shù)百萬開爾文的高溫提供能量．但聚變反應(yīng)一旦實(shí)現(xiàn)，所釋放的能量遠(yuǎn)大于所吸收的能量．因此，總的來說，聚變反應(yīng)還是釋放能量．,【例4】 一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子聚變?yōu)橐粋€(gè)氚核，已知質(zhì)子質(zhì)量mH＝1.007 3 u，中子質(zhì)量mn＝1.008 7 u，氚核質(zhì)量mT＝3.018 0 u．求： (1)寫出聚變方程； (2)釋放出的核能多大？ (3)平均每個(gè)核子釋放的能量是多大？,,