【精品】2019版高中物理第5章核能与社会5.3聚变与受控热核反应5.4核能利用与社会发展学案沪科版选修3-5.pdf

15.3 聚变与受控热核反应5.4 核能利用与社会发展 学习目标 1.了解核聚变及其特点和条件.2.会判断和书写核聚变反应方程，能计算核聚变释放的能量核聚变 导学探究 1为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几千万开的高温？答案轻核的聚变反应，是较轻的核子聚合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间接近到发生相互作用的距离，约为10 15m；同时由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度2(1)目前人们能实现的核聚变是什么？(2)实现热核反应存在的困难是什么？(3)如何实现对热核反应的控制？答案(1)目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸，是由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核反应，但这是不可控制的(2)实现热核反应存在的困难是：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温(3)可能实现对热核反应的控制方法：磁约束：利用磁场来约束参与反应的物质环流器是目前性能最好的一种磁约束装置惯性约束：利用强激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应 知识梳理 对核聚变的认识1核聚变(1)定义：使平均结合能小的轻核聚合成一个较重的原子核，同时释放核能(2)核反应举例：21H31H42He 10n17.6MeV.(3)聚变的条件：必须使原子核的距离达到1015m 以内，为此必须有几千万开以上的高温才2行，所以，聚变又叫热核反应2受控热核反应(1)“托卡马克”：是一种利用强磁场约束等离子体的环流器(2)激光聚变的构想：1964 年，我国著名物理学家王淦昌与苏联科学家各自独立地提出了激光聚变的构想，即用高功率的激光束打在氘、氚组成的靶丸上，产生高温使核燃料发生核聚变3核能的优越性(1)核燃料提供的能量巨大(2)核燃料的储量丰富(3)核燃料的运输和储存方便(4)清洁卫生，对环境的污染小 即学即用 判断下列说法的正误(1)核聚变时吸收能量()(2)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大()(3)轻核聚变比裂变更完全、清洁()(4)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度()核聚变的特点及应用1核聚变的特点(1)轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，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(2)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量(3)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(4)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2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33重核裂变与轻核聚变的区别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要大3 4倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235 在铀矿石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富.1L 水中大约有0.03g 氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300L汽油释放的能量相当可控性速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它例 1氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：21H31H42HeX，式中 X是某种粒子已知：21H、31H、42He和粒子 X的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.0026u和 1.0087u；1u931.5MeVc2，c是真空中的光速由上述反应方程和数据可知，粒子X 是_，该反应释放出的能量为_MeV(结果保留3 位有效数字)答案10n(或中子)17.6 解析根据质量数和电荷数守恒可得X是10n(中子)核反应中的质量亏损为m2.0141u 3.0161u 4.0026u 1.0087u 0.0189u 所以该反应释放出的能量为Emc217.6MeV.41(核反应方程的理解)(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的有()A.31H21H 42He10n 是核聚变反应B.31H21H 42He10n 是 衰变C.23592U10n14456Ba8936Kr310n 是核裂变反应D.23592U10n14054Xe9438Sr210n 是 衰变答案AC 解析两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应，故A 对，B 错；重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应，故C对；原子核放出 或 粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变原子核的衰变的反应物只有一种，故D错2(核聚变释放核能的计算)太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源(已知质子质量为mH1.0073u，氦核质量为mHe 4.0015u，正电子质量为me0.00055u，结果保留两位小数，1u相当于 931.5MeV 的能量)(1)写出这个核反应方程；(2)这一核反应能释放多少能量？答案(1)411H42He 201e(2)24.78MeV 解析(1)由题意可得核反应方程为411H42He201e.(2)反应前的质量m14mH41.0073u 4.0292u，反应后的质量m2mHe2me4.0015u 20.00055u 40026u，mm1m20.0266u，由质能方程得，释放能量Emc20.0266931.5MeV 24.78MeV.5一、选择题考点一对核聚变的理解1下列关于聚变的说法中，不正确的是()A要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B轻核聚变需要几千万开的高温，因此聚变又叫做热核反应C原子弹爆炸能产生几千万开的高温，所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应D太阳和许多恒星内部都在进行着剧烈的热核反应，在地球内部也可自发地进行答案D 解析轻核聚变时，要使轻核之间距离达到1015m，故必须克服库仑斥力做功，A 正确；要克服核子间作用力做功，必须使反应的原子核有足够大的动能，方法就是将其加热到几千万开的高温，B 正确；热核反应必须在几千万开的高温下进行，这样高的温度可利用原子弹爆炸释放的能量获得，C 正确；在太阳和许多恒星内部都存在热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错2关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是()A一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B聚变反应中平均每个核子释放的能量一定比裂变反应大C聚变反应中粒子的平均结合能变小D聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增大答案B 3下列说法正确的是()A聚变是裂变的逆反应B核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量C轻核聚变比裂变更为安全、清洁D强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发现的强子答案C 解析聚变和裂变的反应物和生成物不同，两者无直接关系，并非互为逆反应，故A错；实现聚变反应必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温，但聚变反应一旦实6现，所释放的能量远大于所吸收的能量，所以聚变反应还是释放能量，故B错；实现聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了，另外，聚变反应比裂变反应生成的废物数量少，容易处理，故C对；质子是最早发现的强子，故D错4我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英文名称：EAST，俗称“人造太阳”)设可控热核实验反应前氘核(21H)的质量为m1，氚核(31H)的质量为m2，反应后氦核(42He)的质量为m3，中子(10n)的质量为m4，真空中光速为c，下列说法正确的是()A这种装置中发生的核反应方程式是21H31H42He 10n B由核反应过程质量守恒可知m1m2m3m4C核反应放出的能量等于(m1m2m3m4)c2D这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同答案A 解析核反应方程为21H31H42He10n，选项 A正确；反应过程中向外释放能量，故质量有亏损，且释放的能量Emc2(m1m2m3m4)c2，选项 B、C错误；可控热核反应为核聚变，大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变，选项D错误考点二核反应方程的理解5某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为11H126C137NQ111H157N126C XQ2方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量如表：原子核11H 31H 42He 126C 137N 157N 质量/u1.00783.01664.002612.000013.005715.0001 以下推断正确的是()AX是32He，Q2Q1BX是42He，Q2Q1CX是32He，Q2Q1DX是42He，Q2m1.根据质能方程Emc2可求得Q2Q1，故选 B.76(多选)关于核反应的类型，下列表述正确的有()A.23892U23490Th42He是 衰变B.147N42He 178O 11H是 衰变C.21H31H 42He10n 是轻核聚变D.8234Se8236Kr20 1e 是重核裂变答案AC 7(多选)核聚变的主要原料氘，在海水中含量极其丰富已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，32He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是()A两个氘核聚变成一个32He所产生的另一个粒子是质子B两个氘核聚变成一个32He所产生的另一个粒子是中子C两个氘核聚变成一个32He所释放的核能为(m1m3m4)c2D与受控核聚变比较，现行的核反应堆产生的废物具有放射性答案BD 解析由核反应方程知221H32He 10X，X 应为中子，释放的核能应为E(2m1m3m2)c2，聚变反应的污染非常小而现实运行的裂变反应的废料具有很强的放射性，故 A、C错误，B、D正确二、非选择题8(核反应方程和半衰期的理解)恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应，当温度达到108K时，可以发生“氦燃烧”(1)完成“氦燃烧”的核反应方程：42He_ 84Be.(2)84Be是一种不稳定的粒子，其半衰期为2.6 10 16s一定质量的84Be，经 7.8 1016s 后所剩下的84Be占开始时的 _答案(1)42He(2)18(或 12.5%)解析(2)由题意可知经过了3 个半衰期，故剩余的84Be的质量m余m原(12)318m原9(核反应方程及核聚变能量的计算)科学家初步估计月球土壤中至少有100万吨“氦 3”(即32He)，它是热核聚变的重要原料，如果月球开发成功，将为地球带来取之不尽的能源已知氦 3 核与氘核发生聚变反应有质子流产生(1)写出核反应方程；(2)若该反应中质量亏损为9.0 1030kg，且释放的能量全部转化为生成物的总动能试计算8生成物的总动能(聚变前粒子的动能可忽略不计)答案(1)32He21H11H42He(2)8.1 10 13J 解析(1)根据题意设生成的新核为AZX，则由于在核反应过程中遵循质量数守恒故有3 21A，解得A4 根据核反应过程中电荷数守恒可得211Z解得Z2，故新核为42He 所以核反应方程式为32He21H11H42He(2)设核反应过程中质量亏损为m，根据爱因斯坦质能方程Emc2可得释放的能量E9.0 1030(3108)2 J 8.1 10 13 J 由于释放的能量全部转化为动能，故生成物的总动能为8.1 10 13 J.10(核 反 应 方 程 及 核 聚 变 能 量 的 计 算)一 个 原 来 静 止 的 锂 核(63Li)俘 获 一 个 速 度 为7.7 104m/s 的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0 103m/s，方向与中子的运动方向相反(1)试写出核反应方程；(2)求出氦核的速度大小；(3)若让一个氘核和一个氚核发生聚变时可产生一个氦核，同时放出一个中子，求这个核反应释放出的能量(已知氘核质量为mD2.014102u，氚核质量为mT 3.016050u，氦核质量mHe4.002 603 u，中子质量mn1.008 665 u,1 u1.660 61027kg，真空中光速c3108m/s)答案(1)63Li 10n31H42He(2)2 104m/s(3)2.82 1012J 解析(1)核反应方程为63Li 10n 31H42He.(2)取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得mnv0mTv1mHev2v2mnv0mTv1mHe2104m/s.(3)质量亏损为mmDmTmHemn(2.014102 3.016050 4.002603 1.008665)u0.018884u3.1361029kg 根据爱因斯坦质能方程得：Emc23.1361029(3108)2J2.821012J.