选修35讲义第四章第五节裂变和聚变.docx

1 .两个轻核聚合成一个较重核的反响叫核聚变，较重的核分裂成两个较轻核的反响叫 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 反响叫作链式反响。3 .为了使铀核裂变时放出的生壬再引起其他铀核裂变，就可使裂变反响不断地进行下 去，形成链式反响，最好是利用纯铀235；铀块的体积必需大于其临界体积。假如体积小， 中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，链式反响就不会发生。4 .要使轻核聚变，就必需使轻核接近核力发生作用的距离听m,由于原子核是带 正电的，就必需克服电荷间很大的用力作用，这就要求使核具有足够的动能，就要给核力 加热，使物质到达几百万度以上的高温,使轻核在相互碰撞中接近到可以发生聚变的程度。 因此这种反响又叫作热核反响。5 .假如要使巨大的热核反响能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工掌握下渐渐地释 出来并加以利用(例如发电)，这称为受控热核反响。6 .太阳辐射能量主要来自太阳内部的热核反响。核裂变与链式反响(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，这种核反响叫作核裂 变。(2)铀核裂变分析。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 子的剧烈运动，使核变成不规那么的外形。核子分裂：核子间的距离增大，因而核力快速减弱，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23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。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,l 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的比拟。(2)质量亏损Am=mu+2mn-m= (1.007 3+2X1.008 7-3.018 0) u=0.006 7 u释放的核能AE=Amc2=0.006 7X931.5 MeV 6.24 MeVo(3)平均每个核子放出的能量为,3) MeV=2.08 MeVo答案：(l)|H+2An-(2)6.24 MeV(3)2.08 MeV10 .(江芳高考)(1)核电站利用原子核链式反响放出的巨大能量进行发电，避U是核电站 常用的核燃料。费U受一个中子轰击后裂变成螳Ba和瑞Kr两局部，并产生 个中子。要使链式反响发生，裂变物质的体积要(选填“大于或“小于”)它的临界体积。(2)取质子的质量Mp=L672 6><l(r27kg,中子的质量砥=1.674 9义1027 kg, a粒子的 质量g=6.646 7X10F kg,光速cXl()8m/s。请计算a粒子的结合能。(计算结果保存两 位有效数字)解析：(1)核反响方程遵守质量数守恒和电荷数守恒，且该核反响方程为：23592U + A n-14456Ba+Kr+3ftn,即产生3个中子。临界体积是发生链式反响的最小体积，要使链 式反响发生，裂变物质的体积要大于它的临界体积。(2)组成a粒子的核子与a粒子的质量差Am=(2/zip+2mn)-结合能AE=Amc2代入数据得AEX1012 j。答案：X10-12 J11 .卢瑟福用a粒子轰击氮核时发觉质子。发觉质子的核反响方程为号N+2Hef?O+ Ho氮核质量为加N= 14.007 53 u,氧核质量为mO= 17.004 54 U,氢核质量为加加=4.003 87 u,质子(氢核)质量为叫=1.008 15 U。(： 1 uc2=931 MeV,结果保存2位有效数字)求：(1)这一核反响是汲取能量还是放出能量的反响？相应的能量变化为多少？(2)假设入射氢核以切=3X107 m/s的速度沿两核中心连线方向轰击静止氮核。反响生 成的氧核和质子同方向运动，且速度大小之比为1 ： 50。求氧核的速度大小。解析：(1)由 Am=twn+mHefnomp得：Am=-0.001 29 u所以这一核反响是汲取能量的反响汲取能量为 AE=|Am|c2=0.001 29 uc2=1.2 MeVo(2)由动量守恒定律可得:mHCVo=mov氧又 o 氧：rp=l ： 50可解得：r 106m/so答案：X106m/s在自然?铀中，99.3%的是曼U,0.7%的是变U,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状况明显不同。赞U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。赞U只有在俘获的中子的能量大于1 MeV时才能发生核反响，且裂变的概率较小。对于低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不能引起核反响。2.链式反响(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, 这样的核反响叫作链式反响。(2)示意图：如下图3.链式反响发生的条件(1)铀块的体积大于临界体积。体积超过临界体积时，保证中子能够遇到铀核。(2)有足够浓度的铀235 o(3)有足够数量的慢中子。/，房改一巨(1)重核的裂变只能发生在人为掌握的核反响中，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)重核裂变反响速度很快，不加掌握的话，能量在很短的瞬间急剧释放。假如采纳其 他方法对反响速度加以掌握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 响。HA'GSHI YZ卷试应用12 裂变反响中释放出的能量来自于()A.核子消逝转化为能量B.原子中电子与原子核的电势能减小C.入射的中子消逝转化为能量D.原子核的平均结合能变大，释放出能量解析：选D 发生核反响过程中，核子数保持守恒，中子未消逝，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。知识点二受控热核反响(1)概念：两个轻核聚合成一个较重的核时，会释放出能量，这种核反响叫作核聚变。(2)发生的条件。要使轻核聚变，必需使轻核接近核力发生作用的距离10一15«1,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。13 热核反响(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, 当物质到达几百万度以上的高温时，一局部原子核就具有足够的动能而发生聚变，因此核 聚变又叫热核反响。(2)热核反响的优点(与裂变相比)。产生的能量大；反响后生成的放射性物质易处理；热核反响的燃料在地球上储量丰富。(3)热核反响的两种方式。爆炸式热核反响；受控式热核反响(目前正处于探究、试验阶段)。14 核聚变与核裂变的区分(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 MeV,而轻核的聚变，平均每个核子释 放出3 MeV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拟困难，而热核反响的废料处理要简洁得多。15 ) “燃料的丰富程度不同。热核反响所需要的“燃料”觉在地球上特别丰富，1L海水中大约有0.03 g元， 假如用来进行热核反响，放出的能量约和燃烧300 L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0.7 %,相比起来聚变的燃料一 气要丰富得多。我国是一个“贫铀国家，贮藏量不多。(5)两种反响的可掌握性不同。裂变反响速度可以比拟简洁地进行人工掌握，因此，现在国际上的核电站都是利用裂 变放出能量，而聚变反响的可掌握性比拟困难，世界上很多国家都乐观讨论可控热核反响的理论和技术。部卷试应用HA'GSHI YZ2.恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反响。核反响方程为?He+?He一9 Be+y。以下说法正确的选项是（）A.该核反响为裂变反响B.热核反响中有质量亏损，会放出巨大能量C.由于核反响中质量数守恒，所以质量也是守恒的D.任意原子核内的质子数和中子数总是相等的解析：选B 该核反响为聚变反响，故A错误；核反响中的裂变和聚变，都会有质量 亏损，都会放出巨大的能量，故B正确；核反响中质量数守恒，质量不守恒，故C错误； 原子中原子核内的质子数和中子数不肯定相等，有的原子中相等，有的原子中不相等，有 的原子没有中子，例如氢原子核内有一个质子，没有中子，故D错误。例1关于重核的裂变，以下说法正确的选项是（）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，肯定发生链式反响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，放出核能解析依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 发生核反响，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。链式反响 是有条件的，即铀块的体积必需大于其临界体积。假如体积小，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，那么链式反响就不会发生，故B错误。在裂变 反响中核子数是不会削减的，如镀U裂变为黑Sr和舅Xe的核反响，其核反响方程为班U+A n + 野 Xe+ lOAn,其中各粒子质量分别为mu=235.043 9 u, mn= 1.008 67 u,mSr=89.907 7 u, mXe=135.907 2 u,质量亏损为Am= Qu +mn） Wsr + /WXe+10机n） = 0151 0 U可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会削减的，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/倍/脚翔挥/(1)发生链式反响的条件是：要俘获慢中子；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：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。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，假如由核子平 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。给跟踪演练1 .链式反响中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是()A.质子B.中子C. 0粒子D.a粒子解析：选B 重核裂变链式反响发生依靠中子不断地轰击原子核使得裂变不断进行下去，应选项B正确。考向二轻核聚变的理解与计算例2两个笊核聚变产生一个中子和一个氢核(氢的同位素)。笈核质量mo=2.O13 6 u,氢核质量He=3.015 0 u,中子质量mn=1.008 7 uo(1)写出聚变方程并算出释放的核能(1 u相当于931.5 MeV)；(2)假设反响前两气核的动能均为£ko=O.35MeV,它们正面对撞发生核聚变，且反响后 释放的核能全部转变为动能，那么反响产生的氢核和中子的动能各为多大？解析聚变的核反响方程为2汨一狙e+An。这个核反响中的质量亏损为：Am=2mo-QHe+机 n)= (2X2.013 6-3.015 0-1.008 7)u=0.003 5 uo释放的核能为 AE= 0.003 5X931.5 MeV=3.26 MeVo(2)把两个髭核作为一个系统，对撞过程中动量守恒，由于反响前两核动能相同，其动 量等值反向，因此反响前后系统的总动量恒为零，即：0 = WHeHe + 7篦 n%又由于反响前后能量守恒，故反响后氢核和中子的总动能为：产 He。备 e+%n 沈=AE+ 2&0 由于机He : "% = 3 : 1,所以氮核和中子的速率之比为：警=； On J把这两个关系式代入式得：AE+2Eko=4X=4EkHe。解得氮核的动能和中子的动能分别为：EkHe=1x (3.26+2X 0.35) MeV=0.99 MeV,Fkn=3EkHe=2.97 MeVo答案2汨-dHe+An 3.26 MeV(2)0.99 MeV 2.97 MeV/曲题/发/挥/(1)计算核聚变中释放的核能，方法与其他核反响相像。首先，应算出聚变前的核子质 量和反响后的质量，进而求出质量亏损Am=机前一切后，再运用爱因斯坦质能方程AE=Amc2 求出释放的总能量。该类问题是原子物理局部在高考中的热点。(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响过程中由于质量亏 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。:跟踪演练2 .聚变反响汨+iH-2He+An,反响原料笊(汨)富存于海水中，而敬(汨)是放射性元素, 自然界中不存在，但可以通过中子轰击锂核(§Li)的人工核转变得到。那么：(1)请把以下用中子轰击锂核(¥Li)产生一个氟核(1H)和一个新核的人工核转变方程填写 完整：§Li+-+|Ho(2)在中，每生产1 g的晁同时有多少个氢i核实现了核转变？(阿伏加德罗常数 NX 1023 个/mol)(3)一个气核和一个晁核发生核聚变时，平均每个核子释放的能量为EoX 10- 13 J。求发 生核聚变时的质量亏损。解析：§Li+AnTHe+汨(2)由于1 g氟为mol,依据该反响方程实现核转变的§Li核也为:mol,所以有:X X 1023 x 1023个§Li核实现了核转变。依据爱因斯坦质能方程E=mc29A 17 5 X X 0-13核聚变中有5个核子参与了反响，所以该核聚变中的质量亏损Am=k (X 108)2 kg=X10-29 kgo答案：和2义1023个X 10-29 kg课堂小结>>>裂变聚变f重核裂变|f铀核裂变f 链式反应 f 产生条件轻核聚变一热核反应I一I受控热核反应一、选择题（第15题为单项选择题，第68题为多项选择题）3 .以下核反响方程，属于裂变反响的有（）A.曼 Uf 辨 Th+2HeB 筱 U+An f 螳 Ba+瑞 Kr+3jnC*P-酉 Si+YeD.|Be+He->126C+in解析：选B A选项是a衰变，B选项是裂变，C选项是放射性元素的衰变，D选项是 查德威克发觉中子的人工转变方程，故B正确，A、C、D错。4 .央视报道，中科院离子物理所经过八年的艰苦奋斗，最终建成了世界上第一个全超 导的托卡马克试验装置并调试胜利；这种装置被称为“人造太阳（如图），它能够承受上亿 摄氏度高温且能够掌握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 人类供应无限清洁的能源。在以下核反响方程中有可能是该装置内部所进行的核反响的是 （ ）A.VN+2He-VO+IHBXH+汨一乡 He+JiiC.W-WTh+HeD.赞 U+f 党 Ba+绿Kr+3Ali解析：选B由题意可知，核反响为聚变反响，故C、D错。由质量数和电荷数守恒可 知A错，B对。5 .（福建高考）以下有关原子结构和原子核的熟悉，其中正确的选项是（）A.y射线是高速运动的电子流B.氢原子辐射光子后，其绕核运动的电子动能增大C.太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变D.妙Bi的半衰期是5天，100 g妙Bi经过10天后还剩下50 g解析：选B 0射线是高速电子流，而丫射线是一种电磁波，选项A错误。氢原子辐射 光子后，绕核运动的电子距核更近，动能增大，选项B正确。太阳辐射能量的主要来源是 太阳内部氢核的聚变，选项C错误。10天为两个半衰期，剩余的斛Bi为100X0）$=100 XG)2g=25 g,选项D错误。6 .重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，以下说法中正确的选项是（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：选D 裂变和聚变中都有核能的释放，由爱因斯坦质能方程AE=Ac2可知均有 质量亏损，故D对。7 .使两个质核发生聚变，必需使它们之间的距离接近到ro,也就是接近到核力能够发 生作用的范围，温度很高时，由笊原子构成的物质将成为等离子体，等离子体热运动的平 均动能为式中队为波尔兹曼常量，T为热力学温度，两个气核之间的电势能为Ep=W k为静电力常量，厂为核之间的距离，那么使气核发生聚变的温度至少应为（）上皿'km3 Almke?Ake?Kiro3 k in解析：选B由能量守恒定律可得用=£p,即*"=若，解得T=黑,选项B对。8 .以下关于聚变的说法中，正确的选项是（）A.要使聚变产生，必需克服库仑斥力做功B.轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反响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响D.太阳和很多恒星内部都在剧烈地进行着裂变反响解析：选ABC 轻核聚变时，要使轻核之间的距离到达10一Km,所以必需克服库仑斥 力做功，A正确；原子核必需有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围， 试验证明，原子核必需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响，D错误。9 .我国科学家研制“两弹所涉及的根本核反响有：费U+，nf鹏r+辟Xe+必n(2)汨+?HTHe+dAn关于这两个方程的以下说法，正确的选项是()A.方程属于a衰变10 方程属于轻核聚变C.方程(1)中=10,方程中d=lD.方程(1)中=6,方程中d=l解析：选BC 方程应属于重核裂变而不是a衰变，选项A错误；方程为轻核聚 变，选项B正确；核反响前后质量数守恒、核电荷数守恒，方程(1)中，235+1=90+136 +kXl9解得女=10,方程中，2+3=4+dXl,解得d=l,故C正确、D错误。8.(广东高考)科学家使用核反响猎取晁，再利用气和晁的核反响获得能量，核反响方 程分别为：X+Yf?He+H+4.9MeV和+H+iH->2He+X+17.6MeV,以下表述正确的有 ()A. X是中子B. 丫的质子数是3,中子数是6C.两个核反响都没有质量亏损D.笊和瓶的核反响是核聚变反响解析：选AD 核反响方程遵守核电荷数守恒和质量数守恒，那么由，H+iHf2He+X + 17.6 MeV知X为，n,由X+Y-2He+汨+4.9MeV知Y为§Li,其中Y的质子数是3, 中子数也是3,选项A正确，选项B错误。两个核反响都释放出核能，故都有质量亏损， 选项C错误。X+Y->He+fH+4.9 MeV是原子核的人工转变，汨+汨-2He+，n + 176 MeV为轻核聚变，选项D正确。二、非选择题9.一个质子和两个中子聚变为一个僦核，质子质量；WH=1.007 3 u,中子质量7Wn=1.008 7 u,氟核质量机=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：聚变方程1H+如一汨