2017-2018學(xué)年高中物理 第三章 原子核 第6節(jié) 核聚變教學(xué)案 教科版選修-5

1、學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專(zhuān)精第6節(jié) 核_聚_變（對(duì)應(yīng)學(xué)生用書(shū)頁(yè)碼p47）一、熱核反應(yīng)1核聚變輕原子核聚合成較重原子核的反應(yīng).2核聚變較裂變的優(yōu)越性（1)相同質(zhì)量的燃料下，放出的能量更多。(2)不產(chǎn)生放射性廢料。（3）燃料儲(chǔ)量非常豐富。3熱核反應(yīng)因?yàn)楹司圩円诟哌_(dá)108_k的溫度下才能發(fā)生,故核聚變反應(yīng)也稱(chēng)熱核反應(yīng).4熱核反應(yīng)的應(yīng)用目前主要用在核武器上，如氫彈.二、可控核聚變反應(yīng)1托卡馬克是一種環(huán)形磁約束受控?zé)岷朔磻?yīng)裝置，也叫環(huán)流器。2超導(dǎo)托卡馬克把超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用在產(chǎn)生托卡馬克強(qiáng)磁場(chǎng)的線圈上。三、恒星演化中的核反應(yīng)1恒星的形成恒星主要是由遍布宇宙中的極其彌散的氣態(tài)塵埃聚集形成的，且內(nèi)部發(fā)生聚變反應(yīng)。

2、2恒星的演變恒星內(nèi)部隨聚變反應(yīng)的發(fā)生，核燃料減少經(jīng)慢長(zhǎng)時(shí)間最終將成為殘骸。（對(duì)應(yīng)學(xué)生用書(shū)頁(yè)碼p47)對(duì)核聚變的理解1.聚變輕原子核聚合成較重原子核的反應(yīng)叫聚變。例如:hhhen17。60 mev。2熱核反應(yīng)輕核必須在很高的溫度下相遇才能發(fā)生聚合放出更大的能量,這種在很高溫度下產(chǎn)生的聚變又叫熱核反應(yīng)。3聚變比裂變反應(yīng)放出更多能量的原因(1）平均每個(gè)核子釋放能量較多，是裂變反應(yīng)的23倍。如一個(gè)氚核和一個(gè)氘核結(jié)合成一個(gè)氦核時(shí)放出能量17。6 mev，平均每個(gè)核子放出能量約3.5 mev；而鈾235裂變時(shí),平均每個(gè)核子放出能量為1 mev.(2）同樣質(zhì)量的情況下,輕核的核子個(gè)數(shù)多,如氘和氚聚變?yōu)? k

3、g氦時(shí)放出的能量為e1，則e16。02102317.6 mev2。651033 ev。假設(shè)一個(gè)鈾核裂變時(shí)平均放出的能量為200 mev，則1 kg鈾核全部裂變時(shí)放出能量為e2，即e26.021023200 mev5.121032 ev，得：5。2.1下列說(shuō)法中正確的是()a聚變反應(yīng)從外界吸收能量b聚變反應(yīng)向外界放出能量c聚變反應(yīng)可以無(wú)條件地進(jìn)行d聚變反應(yīng)必須使核之間的距離接近1015 m解析:選bd聚變反應(yīng)時(shí)有質(zhì)量虧損,所以會(huì)向外界放出能量。聚變必須使核之間的距離接近1015 m，才能發(fā)生聚變反應(yīng)生成新核，所以是有條件的.重核裂變與輕核聚變的對(duì)比比較項(xiàng)目重 核 裂 變輕 核 聚 變放能原理把重

4、核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的核,并釋放出核能兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，并釋放出核能放能多少聚變反應(yīng)平均每個(gè)核子釋放的核能比裂變反應(yīng)要大得多核廢料的處理難度比較困難比較容易原料的蘊(yùn)藏量?jī)?chǔ)量較少，特別是u主要原料氘儲(chǔ)量非常豐富可控性比較容易進(jìn)行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用重核裂變釋放核能目前除氫彈以外，還不能進(jìn)行人工控制2熱核反應(yīng)是一種理想能源的原因是（）a就每一個(gè)核子平均來(lái)說(shuō),比重核裂變時(shí)釋放的能量多b對(duì)環(huán)境的放射性污染較裂變輕，且較容易處理c熱核反應(yīng)的原料在地球上儲(chǔ)量豐富d熱核反應(yīng)的速度容易控制解析：選abc聚變反應(yīng)平均每個(gè)核子比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量要大34倍,且其原料均為氫的同

5、位素，在地球上儲(chǔ)量極為豐富，其放射性污染也較裂變輕。但是，目前只是能夠讓輕核聚變發(fā)生，還不能控制聚變反應(yīng)、和平利用聚變時(shí)釋放的核能。故正確選項(xiàng)為a、b、c。（對(duì)應(yīng)學(xué)生用書(shū)頁(yè)碼p48）對(duì)輕核聚變的理解例1以下說(shuō)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聚變必須將反應(yīng)物加熱至數(shù)百萬(wàn)攝氏度以上高溫,顯然是吸收能量d裂變與聚變均可釋放巨大的能量解析a選項(xiàng),從形式上看,裂變與聚變似乎是互為逆反應(yīng),其實(shí)不然,因?yàn)槎叩姆磻?yīng)物與生成物全然不同，裂變是重核分裂成中等質(zhì)量的核,而聚變則是輕核聚合成為較重的核，無(wú)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

6、在能量的流向上也不相反.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(wàn)攝氏度高溫,但聚變一旦實(shí)現(xiàn)，所釋放的能量遠(yuǎn)大于所吸收的能量，因此，總的說(shuō)來(lái),聚變反應(yīng)還是釋放能量，故正確答案為d。答案d輕核聚變釋放的能量例2太陽(yáng)內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核的熱核反應(yīng),這個(gè)核反應(yīng)釋放出的大量能量就是太陽(yáng)的能源。（mp1。007 3 u，m4.001 5 u，me0。000 55 u）（1）寫(xiě)出這個(gè)核反應(yīng)方程。（2)這一核反應(yīng)釋放出多少能量？解析（1)核反應(yīng)方程是4hhe2e。(2）這一核反應(yīng)的質(zhì)量虧損是m4mpm2me0。026 6 u，emc20。026 6931.5 me

7、v24。78 mev.答案(1）見(jiàn)解析（2)24。78 mev寫(xiě)核聚變反應(yīng)方程與其他核反應(yīng)方程一樣，仍需要遵守質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的原則，放出核能的計(jì)算仍要根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程求解.(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書(shū)頁(yè)碼p48）1發(fā)生熱核反應(yīng)的辦法有（)a用中子轟擊b保持室溫環(huán)境、增大壓強(qiáng)c把物體加熱到幾百萬(wàn)攝氏度以上d用光子照射解析:選c要發(fā)生熱核反應(yīng),必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離1015m，這就要求原子核應(yīng)具有足夠的動(dòng)能,方法是給原子核加熱，使其達(dá)到幾百萬(wàn)攝氏度的高溫.2關(guān)于輕核聚變釋放核能,下列說(shuō)法正確的是()a一次聚變反應(yīng)一定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多b聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)每個(gè)核子釋放的平均能量大c聚

8、變反應(yīng)中粒子的比結(jié)合能變小d聚變反應(yīng)中由于形成質(zhì)量較大的核，故反應(yīng)后質(zhì)量增加 解析:選b在一次聚變反應(yīng)中釋放的能量不一定比裂變反應(yīng)多，但平均每個(gè)核子釋放的能量一定大，故a錯(cuò)誤,b正確；由于聚變反應(yīng)中釋放出巨大能量,則比結(jié)合能一定增加,質(zhì)量發(fā)生虧損，故c、d錯(cuò)誤。3科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在月球上含有豐富的he(氦3），它是一種高效、清潔、安全的核聚變?nèi)剂?，其參與的一種核聚變反應(yīng)的方程式為hehe2hhe。關(guān)于he聚變下列表述正確的是()a聚變反應(yīng)不會(huì)釋放能量b聚變反應(yīng)產(chǎn)生了新的原子核c聚變反應(yīng)沒(méi)有質(zhì)量虧損d目前核電站都采用聚變反應(yīng)發(fā)電解析:選b聚變反應(yīng)時(shí)將質(zhì)量較小的輕核聚變成質(zhì)量較大的核，聚變過(guò)程會(huì)有質(zhì)量虧

9、損,要放出大量的能量，但目前核電站都采用鈾核的裂變反應(yīng)。4現(xiàn)有三個(gè)核反應(yīng)：namgeunbakr3nhhhen下列說(shuō)法正確的是（）a是裂變，是衰變,是聚變b是聚變,是裂變，是衰變c是衰變,是裂變，是聚變d是衰變，是聚變，是裂變解析：選c中的e是粒子,故發(fā)生的是衰變,是重核分裂成質(zhì)量較小的核，是裂變,是典型的聚變，所以c正確。5下列關(guān)于聚變的說(shuō)法中，正確的是()a要使聚變產(chǎn)生,必須克服庫(kù)侖斥力做功b輕核聚變需幾百萬(wàn)攝氏度的高溫，因此聚變又叫做熱核反應(yīng)c原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬(wàn)攝氏度的高溫,所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)d太陽(yáng)和許多恒星內(nèi)部都在激烈地進(jìn)行著核裂變反應(yīng)解析：選abc輕核聚變時(shí)，要使輕核

10、之間距離達(dá)到1015 m,所以必須克服庫(kù)侖斥力做功,a正確;原子核必須有足夠的動(dòng)能，才能使它們接近到核力能發(fā)生作用的范圍，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，原子核必須處在幾百萬(wàn)攝氏度下才有這樣的能量，這樣高的溫度通常利用原子彈爆炸獲得,故b、c正確;在太陽(yáng)內(nèi)部或其他恒星內(nèi)部都存在著熱核反應(yīng),d錯(cuò)誤.6錢(qián)學(xué)森被評(píng)為“2007感動(dòng)中國(guó)十大人物”,他參與了我國(guó)第一顆原子彈和第一顆氫彈的研制工作。下列核反應(yīng)方程中屬研究?jī)蓮椀幕竞朔磻?yīng)方程式的是（）a。nheohb.unsrxe10nc.uthhed。hhhen解析：選bd“兩彈”指原子彈和氫彈，它們的核反應(yīng)屬于重核的裂變與輕核的聚變，故應(yīng)選b、d。7east裝置是中國(guó)耗時(shí)8

11、年、耗資2億元人民幣自主設(shè)計(jì)、自主建造而成的，它成為世界上第一個(gè)建成并真正運(yùn)行的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。已知兩個(gè)氘核聚變生成一個(gè)氦3和一個(gè)中子的核反應(yīng)方程是2hhen3.26 mev若有2 g氘全部發(fā)生聚變，則釋放的能量是(na為阿伏加德羅常數(shù)）()a0.53。26 mevb3.26 mevc0。5na3。26 mev dna3。26 mev解析：選c根據(jù)核反應(yīng)方程可知，兩個(gè)氘核聚變釋放的能量為3.26 mev，那么2 g氘核(即1 mol氘核）聚變釋放的能量為0.5na3.26 mev,所以c正確.8已知一個(gè)氫原子的質(zhì)量為1.67361027 kg，一個(gè)鋰原子的質(zhì)量為11。650510

12、27 kg,一個(gè)氦原子的質(zhì)量為6。64671027 kg。一個(gè)鋰核受到一個(gè)質(zhì)子轟擊變?yōu)?個(gè)粒子,核反應(yīng)方程為hli2he.根據(jù)以上信息，以下判斷正確的是()a題中所給的核反應(yīng)屬于衰變b題中所給的核反應(yīng)屬于輕核聚變c根據(jù)題中信息，可以計(jì)算核反應(yīng)釋放的核能d因?yàn)轭}中給出的是三種原子的質(zhì)量，沒(méi)有給出核的質(zhì)量，故無(wú)法計(jì)算核反應(yīng)釋放的核能解析：選c核反應(yīng)類(lèi)型是人工核轉(zhuǎn)變，a、b兩項(xiàng)均錯(cuò)誤，反應(yīng)前一個(gè)氫原子和一個(gè)鋰原子共有8個(gè)核外電子，反應(yīng)后兩個(gè)氦原子也是共有8個(gè)核外電子，因此只要將一氫原子和一個(gè)鋰原子的總質(zhì)量減去兩個(gè)氦原子的質(zhì)量，得到的恰好是反應(yīng)前后核的質(zhì)量虧損，電子質(zhì)量自然消掉。由質(zhì)能方程emc2可以

13、計(jì)算釋放的核能，c選項(xiàng)正確.9（北京高考)質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為m1、m2和m3，當(dāng)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核時(shí),釋放的能量是（c表示真空中的光速）（）a（m1m2m3)c b(m1m2m3）cc（m1m2m3）c2 d（m1m2m3)c2解析：選c根據(jù)質(zhì)量方程emc2知，核反應(yīng)過(guò)程中釋放的能量等于質(zhì)量的減少量與光速c平方的乘積，c正確，a、b、d錯(cuò)誤。10關(guān)于粒子，下列說(shuō)法正確的是()a電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子b強(qiáng)子都是帶電的粒子c夸克模型是探究三大類(lèi)粒子結(jié)構(gòu)的理論d夸克模型說(shuō)明電子電荷不再是電荷的最小單位解析：選d由于質(zhì)子、中子是由不同夸克組成的,它們不是

14、最基本的粒子，不同夸克構(gòu)成不同的強(qiáng)子,有的強(qiáng)子帶電，有的強(qiáng)子不帶電，故a、b錯(cuò)誤；夸克模型是研究強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的理論，不同夸克帶電不同，分別為e和等,說(shuō)明電子電荷不再是電荷的最小單位,故c錯(cuò)誤，d正確.11我國(guó)自行設(shè)計(jì)并研制的“人造太陽(yáng)”-托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行獲得重大進(jìn)展，這標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)邁入可控?zé)岷朔磻?yīng)領(lǐng)域先進(jìn)國(guó)家行列，如圖3.6.1所示.該反應(yīng)所進(jìn)行的聚變過(guò)程是hhhen,反應(yīng)原料氘(h)富存于海水中，而氚(h)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通過(guò)中子轟擊鋰核（li)的人工核轉(zhuǎn)變得到。圖3.6。1（1)請(qǐng)把下列用中子轟擊鋰核（li）產(chǎn)生一個(gè)氚核（h）和一個(gè)新核的人工核轉(zhuǎn)變方程填寫(xiě)完整：_n_h。（2）在（1）中，每產(chǎn)生1 g氚的同時(shí)有多少個(gè)li核實(shí)現(xiàn)了核轉(zhuǎn)變？(阿伏加德羅常數(shù)na取6。01023 mol1）(3）一個(gè)氚核和一個(gè)氘核發(fā)生核聚變時(shí)，平均每個(gè)核子釋放的能量為5。61013 j，求該核聚變過(guò)程中的質(zhì)量虧損。解析：（1)核反應(yīng)方程為:linheh。（2)因