知识讲解核能、核能的利用.pdf

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1、高中物理 高中物理 物理总复习：核能、核能的利用 【考纲要求】1、知道核力及结合能、质量亏损等概念 2、会配平和书写核反应方程式 3、知道核能获取的两种方式，了解核反应堆的主要组成部分，能进行简单的有关核能的计算问题 【考点梳理】考点一、核能 要点诠释：1、核力 核子间作用力。其特点为短程强引力：作用范围为 2.01015m，只在相邻的核子间发生作用。2、核能 核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能。比结合能：结合能与核子数之比称做比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。不同原子核的比结合能是不一样的

2、，由比结合能曲线可以看出：中等大小的核比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。3、质能方程、质量亏损 爱因斯坦质能方程 Emc2说明物体的质量和能量之间存在着一定的关系，一个量的变化必然伴随着另一个量的变化。核子在结合成原子核时放出核能，因此，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小m，这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能Emc2；反之，由核能也可求出核反应过程的质量亏损。4、Emc2是计算核能的常用方法。在具体应用中要注意单位制的统一及不同单位的换算。若质量单位取原子质量单位 u，则：此结论亦可在计算中直接应用。另外，在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生

3、成的新核和新粒子的动能。因而在此情况下可应用力学原理动量守恒和能量守恒来计算核能。5、质能方程的理解 对于质量亏损，切忌不能认为这部分质量转化成了能量，质能方程的本质是：第一，质高中物理 高中物理 量或能量是物质的属性之一，决不能把物质和它们的某一属性（质量和能量）等同起来。第二，质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，方程建立了这两个属性在数值上的关系，这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒，质量和能量在量值上的联系决不等于这两个量可以相互转化。第三，质量亏损不是否定了质量守恒定律，生成的 射线虽静质量为零，但动质量不为零。考点二、重核的裂变 要点诠释：重核分裂成中等质量的核的反应过程。如：235

4、11369019205438010UnXeSrn 由于中子的增值使裂变反应能持续地进行的过程称为链式反应。发生链式反应的条件是：裂变物质的体积临界体积。裂变的应用：原子弹、原子反应堆。核电站：核电站的核心是核反应堆，核反应堆主要由以下几部分组成。核燃料：浓缩铀 235.减速剂：浓缩铀 235 容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、中水、或普通水作减速剂.控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子能力很强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度.保护层：反应堆外层是很厚的水泥壁，可防止射线辐射出去.冷却系统：靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环

5、流动，把产生的热量传输出去.反应堆是核电站的核心，核电站是靠核反应堆产生的内能发电.考点三、轻核的聚变 要点诠释：轻核结合成质量较大的核的反应过程。如：23411120HHHen 发生聚变反应的条件是：超高温（几百万度以上）热核反应。聚变的应用：氢弹、可控热核反应。要点诠释：1、原子核既然是由质子和中子组成的，那么为什么还会从原子核里发射出 粒子、粒子？实际上，发射出来的 粒子和 粒子仍是原子核内的质子和中子结合或转化而成的。粒子是原子核内的 2 个质子和 2 个中子结合在一起发射出来的，粒子是原子核内的中子转化为质子时产生并发射出来的。所以不能因为从原子核中发射出 粒子和 粒子就认为原子核也

6、是由它们组成的。2、质量数守恒和核电荷数守恒是我们书写核反应方程的重要依据，但要以核反应的事实为基础，不能仅仅根据该两条守恒定律随意书写事实上不存在的核反应方程。另外，核反应通常是不可逆的，方程中只能用箭头：“”连接并指示反应方向，而不能用等号“”连接。高中物理 高中物理【典型例题】类型一、配平和书写核反应方程 例 1、下面列出的是一些核反应方程 30301514PSiX 9210415BeHeBY 447223HeHeLiZ 其中（）AX 是质子，Y 是中子，Z 是正电子 BX 是正电子，Y 是质子，Z 是中子 CX 是中子，Y 是正电子，Z 是质子 DX 是正电子，Y 是中子，Z 是质子【

7、思路点拨】根据质量数守恒和电荷数守恒配平核反应方程，再确定 XYZ 是何种物质。【答案】D【解析】将三个核反应方程写明确，为 3030015141PSiX 921014150BeHeBY 44712231HeHeLiZ 可知 X 为正电子，可知 Y 为中子，可知 Z 为质子【总结升华】根据质量数守恒和电荷数守恒配平核反应方程，是解决此类问题的关键。举一反三【变式 1】原子核AZX与氘核21H反应生成一个粒子和一个质子。由此可知 AA=2，Z=1 B.A=2，Z=2 C.A=3，Z=3 D.A=3，Z=2【答案】D【解析】HHeHXAZ114221，应用质量数与电荷数的守恒121,142ZA，解

8、得2,3ZA，答案 D。【变式 2】2006 年美国和俄罗斯的科学家利用回旋加速器，通过4820Ca（钙 48）轰击24998Cf（锎249）发生核反应，成功合成了第 118 号元素，这是迄今为止门捷列夫元素周期表中原子序数最大的元素。实验表明，该元素的原子核先放出 3 个相同的粒子 X，再连续经过 3 次 衰变后，变成质量数为 282 的第 112 号元素的原子核，则上述过程中的粒子 X 是（）A.中子 B.质子 C.电子 D.粒子【答案】A【解析】因为在衰变的过程中质量数守恒，电荷数守恒 根据电荷守恒定律可得，118-32-112=0，所以 X 粒子的电荷量为零 再根据质量守恒，48+24

9、9-43-282=3，所以 X 粒子的质量数为 1，所以该粒子为中子，故 BCD 错误，A 正确故选 A【变式 3】目前普遍认为，质子和中子都是由被称为 u 夸克和 d 夸克的两类夸克组成.u 夸克带电荷量为23e，d 夸克带电荷量为13e，e 为基元电荷.下列论断中可能正确的是（）A质子由 1 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成 B质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成 C质子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成，中子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成 高中物理

10、高中物理 D质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成【答案】B【解析】由质子带一个单位正电荷，中子不带电，设质子中 u 夸克、d 夸克个数分别是 x、y，x、y 取正整数，则21()133xeye 解得 x=2、y=1；设中子中 u 夸克 d 夸克个数分别是 m、n，m、n 取正整数，则21()033mene 解得 m=1、n=2.故选 B【变式 4】现有三个核反应：2424011121NaMge 2351141921920563603UnBaKrn 23411120HHHen 下列说法正确的是（）A.是裂变，是 衰变，是聚变 B.是聚

11、变，是裂变，是 衰变 C.是 衰变，是裂变，是聚变 D.是 衰变，是聚变，是裂变【答案】C【解析】原子核的变化通常包括衰变、人工转变、裂变和聚变.衰变是指原子核放出 粒子和 粒子后，变成新的原子核的变化，如本题中的核反应；原子核的人工转变是指在其它粒子的轰击下变成新的原子核的变化；裂变是重核分裂成质量较小的核，如核反应；聚变是轻核结合成质量较大的核，如核反应；综上所述，C 项正确.类型二、质能方程与核能的有关计算【高清课堂：原子核物理 例 3】例 2、为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将 2005 年定为“国际物理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程，下列说法中不正确的是（）AE=mc2 表

12、明物体具有的能量与其质量成正比 B根据 E=mc2可以计算核反应中释放的核能 C一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程出现了质量亏损 DE=mc2中的 E 是发生核反应中释放的核能【思路点拨】爱因斯坦质能方程的含义核反应过程中发生质量亏损会释放能量【答案】D【解析】A、爱因斯坦提出的质能方程 E=mc2告诉我们，物体具有的能量与它的质量成正比故 A 正确B、E=mc2中m 是亏损质量，E 是释放的核能，故 B 正确C、核反应中若质量亏损，就要释放能量，所以一个质子和一个中子结合成一个氘核时释放能量，表明此过程出现了质量亏损故 C 正确D、E=mc2中的 E 是物体具有的能量故

13、D 错误 故选 D【总结升华】理解了 E=mc2和E=mc2的各个量的物理意义，就能准确的选出错误的选项.举一反三【变式 1】据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置（又称“人造太阳”）已完成了首次工程调试.下列关于“人造太阳”的说法中正确的是（）A“人造太阳”的核反应方程是nHeHH10423121 高中物理 高中物理 B“人造太阳”的核反应方程是nKrBanU1092361415610235923 C“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是2mcE D“人造太阳”核能大小的计算公式是221mcE 【答案】AC【解析】“人造太阳”是利用海水中的21H和31H聚变而产生

14、大量热量的.放出的热量可利用爱因斯坦质能方程 E=mc2求出，其中 m 为质量亏损，所以 A、C 项正确.而 B 项核反应方程是23592U的裂变方程，所以 B 项错误.爱因斯坦质能方程221mcE 是计算质量 m 的粒子所具有的能量，并不是计算由于核反应中质量亏损而产生的热量.所以 D 项错误.【变式 2】在衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测。1953 年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中11H的核反应，间接地证实了中微子的存在。（1）中微子与水中的11H发生核反应，产生中子（10n）和正电子（01e），

15、即 中微子+11H10n+01e可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是 。（填写选项前的字母）（A）0 和 0 （B）0 和 1 （C）1 和 0 （D）1 和 1（2）上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转 变为两个光子（），即 01e+01e2 已知正电子和电子的质量都为 9.110-31，反应中产生的每个光子的能量约为 J.正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是 。（3）试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小。【答案】（1）A （2）14102.8 遵循动量守恒（3）粒子的动量 kmEp2，物质波的波长ph由nemm，知ne

16、pp，则ne.【解析】（1）发生核反应前后，粒子的质量数和核电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数分都是 0，A 项正确。（2）产生的能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，由2mcE，故一个光子的能量为 22318214129.1 10(3.0 10)8.2 1022eeEm cm cJJ。正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒。高中物理 高中物理（3）物质波的的波长为ph，要比较波长需要将中子和电子的动量用动能表示出来即kmEp2，因为nemm，所以nepp，故ne。例 3、（20

17、16 全国卷）在下列描述的核过程的方程中，属于 衰变的是 ，属于 衰变的是 ，属于裂变的是 ，属于聚变的是 。（填正确答案标号）A12120671CN+e B3232015161PS+e C238234492902UTh+He D1441717281N+HeO+H E238114094192054380U+nXe+Sr+2 n F32411120H+HHe+n 【答案】C、AB、E、F【解析】衰变的反应物只有一个，生成物有42He或01e；重核裂变的反应物是 U 核和中子，生成中核；氢核聚变是轻核合成为中核。举一反三【变式 1】（2015 江苏卷）C.（2）核电站利用原子核链式反应放出的巨大能

18、量进行发电，23592U是常用的核燃料。23592U受一个中子轰击后裂变成14456Ba和8936Kr两部分，并产生_个中子。要使链式反应发生，裂变物质的体积要_（选填“大于”或者“小于”）它的临界体积。（3）取质子的质量271.6726 10kgpm，中子的质量271.6749 10kgnm，粒子的质量276.6467 10kgm，光速83 10 m/sc ，请计算 粒子的结合能，（计算结果保留两位有效数字）【答案】（2）3 大于（3）JE12103.4【解析】（2）由235114489192056360U+nBaKr3 n可知，会产生 3 个中子，要使裂变持续进行（链式反应），物质的体积需

19、大于它的临界体积。（3）组成 粒子的核子与 粒子的质量亏损 mmmmnP)22(结合能2mcE 高中物理 高中物理 代入数据得JE12103.4【点评】本题考查原子核裂变，爱因斯坦质能方程。【变式 2】一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为 m1、m2、m3，普朗克常量为 h，真空中的光速为 c。下列说法正确的是（）A.核反应方程是 113101HnH B.聚变反应中的质量亏损123mmmm C.辐射出的光子的能量312()Emmm c D.光子的波长2123()hmmmc【答案】B【解析】该核反应方程质量数不守恒，A 错；聚变反应中的质量亏损

20、123mmmm，B对；聚变反应中亏损的质量转化为能量以光子的形式放出，故光子能量为2123()Emmm c，C 错；根据 hc2123()Emmm c 所以光子的波长：123()hmmmc，D 错，故选 B。【高清课堂：原子核物理 例 4】例 4、雷蒙德戴维斯因研究来自太阳的电子中微子（e）而获得了 2002 年度诺贝尔物理学奖，他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满 615t 四氯乙烯（C2Cl4）溶液的巨桶，电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为3737017181eClAre，己知3717Cl核的质量为 36.95658u，3718Ar核的质量为 36.95691u，

21、01e的质量为 0.00055u，l u质量对应的能量为 931.5MeV根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为（）A1.33MeV B0.82MeV C0.51MeV 0.31MeV【思路点拨】根据题意可知该核反应过程中质量增加，因此需要提供能量，根据质能方程求出反应所需能量，然后根据能量守恒即可求出中微子的最小能量【答案】B【解析】反应过程需要能量为：E=mc2 =（36.95691u+0.00055u-36.95658u）c2 根据 l u 质量对应的能量为 931.5MeV，得：E0.82MeV，所以中微子的能量最小为 0.82MeV，故 ACD 错误，B 正确故选

22、 B【总结升华】本题考查了能量守恒在原子物理知识中的应用，要解答这类问题关键是在计算上不要出错。举一反三【变式 1】氘核和氚核可发生热核聚变而释放巨大的能量，该反应方程为：高中物理 高中物理 234112HHHex，式中 x 是某种粒子。已知：21H、31H、42He和粒子 x 的质量分别为2.0141 u、3.0161 u、4.0026 u 和 1.0087 u；1 u=931.5 MeV/c2，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】（1）10n（中子）17.6【解析】根据234112HHHex并结合质

23、量数守恒和电荷数守恒知 x 为10n；由质能方程2Emc 得23412341112011202931.517.6HHHnHHHnEmmmmcmmmmMeVMeV【变式 2】一静止的23892U核经衰变成为23490Th核，释放出的总动能为 4.27MeV.问此衰变后23490Th核的动能为多少 MeV（保留 1 位有效数字）【答案】0.07MeV【解析】据题意知，此衰变的衰变方程为23892U 23490Th+42He，根据动量守恒定律得 Th Thm vm v 式中，m和Thm分别为粒子和 Th 核的质量，v和Thv分别为粒子和 Th 核的速度的大小.由题设条件知 221122ThThkm

24、vm vE 4234Thmm 由式得 2Th12ThThkmm vEmm 代入数据得，衰变后23490Th核的动能为 MeV07.0212hTThvm 【变式 3】钚的放射性同位素23994Pu静止时衰变为铀核激发态23592U和粒子，而铀核激发态23592U立即衰变为铀核23592U，并放出能量为0.097MeV的光子。已知：23994Pu、23592U和粒子的质量分别为239.0521uPum、235.0439uum 和4.0026um 21931.5MeV/cu （1）写出衰变方程；（2）已知衰变放出的光子的动量可忽略，球粒子的动能。【答案】（1）2392359492PuU（2）【解析】（1）衰变方程为 239235*9492PuU 高中物理 高中物理 235*2359292UU 或合起来有 2392359492PuU （2）上述衰变过程的质量亏损为PuUmmmm 放出的能量为2Em c 这个能量是铀核23592U的动能UE、粒子的动能 aE和光子的能量E之和 UEEEE 由式得 2()UPuUEEmmm cE 设衰变后的铀核和粒子的速度分别为Uv和v，则由动量守恒有UUm vm v 又由动能的定义知2211,22UUUaEm vEm v 由式得UaaEmEm 由式得2()UaPuUUmEmmmcEmm 代入题给数据得5.034MeVE。