1、6核裂变7核聚变8粒子和宇宙第十九章原子核学习目标知识探究典例精析达标检测1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义及发生条件.3.会判断和书写核裂变、核聚变方程,能计算核反应释放的能量一、核裂变和链式反应(1)铀核裂变是如何发生的?知识探究导学探究导学探究答案答案答案铀核的裂变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,同时放出中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变反应一代接一代继续下去,形成链式反应(2)铀核裂变在
2、自然界中能自发进行吗?答案答案答案重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中,在自然界中不会自发地发生铀核裂变不会自发地进行,要使铀核裂变,首先要利用中子轰击铀核,使铀核分裂,分裂产生更多的中子,这些中子继续与其他铀核发生反应,再引起新的裂变,这样就形成了链式反应对核裂变和链式反应的理解(1)核裂变重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的 ,并放出 的过程(2)铀核裂变用 轰击铀核时,铀核发生裂变,其产物是多种多样的,其中一种典型的反应是 .知识梳理知识梳理答案核能新原子核中子(3)链式反应由重核裂变产生的 使裂变反应一代接一代继续下去的过程,叫做核裂变的链式反应(4)链式反应的条件铀块的体积 或等
3、于临界体积或铀块的质量 或等于临界质量有足够数量的 中子答案中子大于大于慢铀核裂变时,对于产生链式反应的重要因素,下列说法中正确的是()A.铀块的质量是重要因素,与体积无关B.为了使裂变的链式反应容易发生,最好直接利用裂变时产生的中子C.若铀235的体积超过它的临界体积,裂变的链式反应就能够发生D.能否发生链式反应与铀的质量无关即学即用即学即用解析答案解析解析要使铀核裂变产生链式反应,铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量,只要组成铀块的体积小于临界体积或质量小于临界质量就不会产生链式反应,裂变反应中产生的中子为快中子,这些快中子不能直接引发新的裂变,如果铀块的质量大,
4、则其体积大,若超过临界体积时则发生链式反应,由此知A、B、D错误,C正确.答案答案C核反应堆的结构及核电站的认识(1)核电站是利用核能发电,它的核心设施是 ,它主要由以下几部分组成:燃料:.慢化剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用 、重水或普通水作慢化剂;控制棒:采用在反应堆中插入镉棒的方法,利用镉 的能力很强的特性,控制链式反应的速度.知识梳理知识梳理答案二、核电站反应堆铀棒石墨吸收中子(2)工作原理核燃料 释放能量,使反应区温度升高.(3)能量输出利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却.(4)核污染的处理在反应堆的外面需要修建很厚
5、的 ,用来屏蔽裂变产物放出的各种射线.核废料具有很强的 ,需要装入特制的容器,.答案裂变循环流动水泥层放射性深埋地下即学即用即学即用核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它的主要组成部分是()A.原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统B.原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统C.原子燃料、调速剂、碰撞系统和热系统D.原子燃料、中子源、原子能聚存和输送系统A解析答案解析解析核反应堆的主要部分包括:燃料,即浓缩铀235;慢化剂,采用石墨、重水或普通水;控制棒,控制链式反应的速度;冷却系统,水或液态钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆的热量传输出去用于发电,故A正确,B、C、D错.(1
6、)为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温?导学探究导学探究答案三、核聚变答案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1015 m;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)目前人们实现的核聚变是什么?实现热核反应存在的困难是什么?如何实现对热核反应的控制?答案答案答案 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.实现热核反应存在的困难是:地
7、球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温.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.对核聚变的认识(1)聚变两个轻核结合成质量较大的核,释放出核能的反应,称为核聚变,聚变反应又称为热核反应.(2)聚变方程:知识梳理知识梳理(3)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 m,这要克服电荷间强大的库仑力作用,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,有一种方法就是给它们 ,使物质达到几百万开尔文以上的高温
8、.答案1015加热即学即用即学即用(多选)下列关于聚变的说法中,正确的是()A.要使聚变产生,必须克服库仑斥力做功B.轻核聚变需要几百万开尔文的高温,因此聚变又叫做热核反应C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温,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 发地进行解析答案解析解析轻核聚变时,要使轻核之间距离达到1015 m,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百万开尔文的高温,B正确;热核反应必须在几百万开尔文的高温下进行,这样高的温度可利用原子弹爆炸释放的能量获
9、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.答案答案ABC强子和夸克的关系是怎样的?夸克分多少种?它的带电性是怎样的?什么是夸克的“禁闭”?导学探究导学探究答案四、粒子和宇宙答案答案夸克是强子的基本组成成分;夸克有6种:上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克;它们带的电荷分别为元电荷为 ;每种夸克都有对应的反夸克;夸克不能以自由的状态单个出现的性质,叫夸克的“禁闭”.对粒子和宇宙的理解(1)“基本粒子”不基本直到19世纪末,人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒,后来人们发现了光子、电子、 、 ,并把它们叫做“基本粒子”.随着科学的发展,科
10、学们发现了很多的新粒子并不是由以上 组成的,并发现 、 等本身也有复杂结构.知识梳理知识梳理答案质子中子基本粒子质子中子(2)发现新粒子新粒子:1932年发现了 ,1937年发现了,1947年发现了K介子和介子及以后的超子等.粒子的分类:按照粒子与各种相互作用的关系,可将粒子分为三大类: 、和 .(3)夸克模型的提出1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型,认为强子是由构成的.答案正电子子强子轻子媒介子夸克即学即用即学即用目前普遍认为,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的.u夸克带电荷量为 e,d夸克的带电荷量为 e,e为元电荷,下列说法中可能正确的是()A.质子由1个
11、u夸克和2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夸克组成返回解析答案解析解析答案答案B返回例例1关于重核的裂变,下列说法正确的是()A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B.中子从铀块中通过时,一定发生链式反应C.重核裂变释放出大量的能量,产生明显的质量亏损,所以核子数减少D.重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能一、重核裂变的理解及核能的计算典例精析解析答案归纳总结
12、解析解析核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损,是核能转化为其他形式能的过程,其能量远大于俘获中子时吸收的能量,A错误,D正确.发生链式反应是有条件的,铀块的体积必须大于或等于临界体积,否则中子从铀块中穿过时,可能碰不到原子核,则不会发生链式反应,B错误.重核裂变时,核子数守恒,C错误.答案答案D归纳总结归纳总结重核裂变的实质:(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
13、能量(但核子数守恒),而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量.例例2用中子轰击铀核( ),其中的一个可能反应是分裂成钡( )和氪()两部分,放出3个中子.各个核和中子的质量如下:mU390.313 91027 kg,mn1.674 91027 kg;mBa234.001 61027 kg,mKr152.604 71027 kg.试写出核反应方程,求出反应中释放的核能.解析答案总结提升解析解析根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒,就可以写出核反应方程.根据核反应前后的质量亏损,用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能.铀核裂变方程为 ,则核反应前后的质量亏损为mmUmnmBamK
14、r3mn3.5781028 kg.由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为Emc23.5781028(3108)2 J3.220 21011 J.答案答案 3.220 21011 J总结提升总结提升铀核裂变释放核能的计算(1)首先算出裂变反应中的质量亏损m.(2)根据Emc2计算释放的核能计算时要注意m与E单位的对应关系:若m用kg做单位,则E用J做单位;若m用u做单位,则E用MeV做单位,1 u相当于931.5 MeV的能量.(3)若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能,应先算出铀块中有多少个铀核(设为n),则铀块裂变释放的核能EnE.二、轻核聚变的理解及核能的计算例例3(多选)据新华社报道,由
15、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”的说法正确的是()A.“人造太阳”的核反应方程是B.“人造太阳”的核反应方程是C.根据公式Emc2可知,核燃料的质量相同时,聚变反应释放的能量比 裂变反应大得多D.根据公式Emc2可知,核燃料的质量相同时,聚变反应释放的能量与 裂变反应相同解析答案解析解析是氢核聚变方程,故A项正确;根据氢核聚变特点,相同质量的核燃料,氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多,故选项C正确.答案答案 AC例例4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
16、能量就是太阳的能源.(计算结果在小数点后保留两位小数,1 u相当于931.5 MeV的能量)(1)写出这个核反应方程.解析答案解析解析 由题意可得核反应方程为答案答案(2)这一核反应能释放多少能量?解析答案解析解析 反应前的质量m14mH41.007 3 u4.029 2 u,反应后的质量m2mHe2me4.001 5 u20.000 55 u4.002 6 u,mm1m20.026 6 u,由质能方程得,释放能量Emc20.026 6931.5 MeV24.78 MeV.答案答案24.78 MeV(3)已知太阳每秒释放的能量为3.81026 J,则太阳每秒减少的质量为多少千克?(已知质子质量
17、为mH1.007 3 u,氦核质量为mHe4.001 5 u,正电子质量为me0.000 55 u)解析答案解析解析 由质能方程Emc2得太阳每秒减少的质量答案答案4.22109 kg总结提升返回总结提升重核裂变与轻核聚变的区别 反应 方式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34倍总结提升返回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返回1.一个 原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应的裂变方程为 ,则下列叙述正确
18、的是()A.X原子核中含有86个中子B.X原子核中含有141个核子C.因为裂变时释放能量,根据Emc2,所以裂变后的总质量数增加D.因为裂变时释放能量,出现质量亏损,所以生成物的总质量数减少达标检测解析答案解析解析X原子核中的核子数为(2351)(942)140个,B错误;中子数为140(9238)86个,A正确;裂变时释放能量,出现质量亏损,但是其总质量数是不变的,C、D错误.答案答案A2.一个铀235吸收一个中子后发生的一种核反应方程是 ,放出的能量为E,铀235核的质量为M,中子的质量为m,氙136核的质量为m1,锶90核的质量为m2,真空中光速为c,则释放的能量E等于()A.(Mm1m
19、2)c2B.(Mmm1m2)c2C.(Mm1m29m)c2D.(m1m29mM)c2解析答案C解析解析铀235裂变时的质量亏损:mMmm1m210mMm1m29m,由质能方程可得Emc2(M9mm1m2)c2.3.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HCNQ1,HNCXQ2.方程中Q1、Q2表示释放的能量,相关的原子核质量见下表:解析答案B解析解析由核反应过程必须遵守质量数守恒和电荷数守恒知X是 .放出热量分别为Q1和Q2的两个核反应中质量亏损分别为0.002 1 u和0.005 3 u,故Q2Q1.4.一个氘核()和一个氚核()结合成一个氦核( ),同时放出一个中
20、子,已知氘核质量为m12.014 1 u,氚核质量为m23.016 0 u,氦核质量为m34.002 6 u,中子质量为m41.008 665 u,1 u相当于931.5 MeV的能量,求:(1)写出聚变的核反应方程;解析解析核反应方程为.解析答案答案答案(2)此反应过程中释放的能量为多少?平均每个核子释放出多少核能?(结果在小数点后保留一位小数)解析解析此反应过程的质量亏损为m2.014 1 u3.016 0 u4.002 6 u1.008 665 u0.018 835 u,Emc20.018 835931.5 MeV17.5 MeV.平均每个核子释放的核能为 MeV3.5 MeV.解析答案返回答案答案17.5 MeV3.5 MeV