2022-2023學(xué)年粵教版（2019）選擇性必修第三冊 5.5裂變和聚變 課件（34張PPT）

第五章

原子與原子核第五節(jié)

裂變和聚變粵教版（2019）高中物理選擇性必修第三冊原子核中蘊(yùn)藏著巨大的能量，那么，怎樣才能讓這些能量有效釋放出來從而造福人類呢？原子核中的質(zhì)子數(shù)又稱為原子序數(shù)，這是因?yàn)樗c元素周期表中元素的排列序號一致。一般排在周期表前面的輕核，其質(zhì)子和中子數(shù)相等(N=Z)，例如，氦4的原子核有2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子，硅28各有14個(gè)質(zhì)子和中子.但是大多數(shù)重核是中子多于質(zhì)子，例如，金197有79個(gè)質(zhì)子和118個(gè)中子，鈾238有92個(gè)質(zhì)子和146個(gè)中子排在第83號元素鉍之后的原子核不穩(wěn)定，它們會(huì)自發(fā)裂變或衰變成更輕的原子核。排在第92號元素鈾之后的原子核十分不穩(wěn)定，很難在自然狀態(tài)下存在。如第94號元素钚是人工制造出來的，主要用于核武器，目前在自然界中尚沒有找到。一、核裂變與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)由原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)的變化曲線可知，原子核的比結(jié)合能在中等質(zhì)量(A=56，F(xiàn)e元素)處有極大值。這意味著比鐵原子核重的一個(gè)重核分裂成兩個(gè)較輕的核時(shí)，會(huì)釋放出能量，我們把這種核反應(yīng)叫作核裂變。同樣地，比鐵原子核輕的兩個(gè)輕核聚合成一個(gè)較重的核時(shí)，也會(huì)釋放出能量，我們把這種核反應(yīng)叫作核聚變。比結(jié)合能小的重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)較輕的原子核，為什么質(zhì)量會(huì)發(fā)生虧損而釋放能量？討論：【理論·探究】一個(gè)原子核裂變所產(chǎn)生的能量，與日常生活的耗能相比是微不足道的。但由于物質(zhì)所含的核子數(shù)目是十分巨大的，其單位質(zhì)量所放出的能量也就十分驚人。為了使裂變產(chǎn)生的能量可以被利用，必須讓一個(gè)原子核的裂變引發(fā)其他原子核發(fā)生裂變，讓核裂變過程自己持續(xù)下去，源源不斷地將核能釋放出來(如圖5-5-1所示)。這樣的核反應(yīng)叫作鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

鈾核裂變時(shí)，同時(shí)放出2~3個(gè)中子，有時(shí)甚至可以放出更多的中子。如果這些中子再引起其他鈾235發(fā)生核裂變，就可使裂變反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。在天然鈾中，主要有兩種同位素，其中99.3%是鈾238，0.7%是鈾235。這兩種鈾跟中子的作用很不相同，鈾235俘獲各種能量的中子時(shí)都可能發(fā)生裂變。鈾238只有俘獲能量大于1MeV的中子才可能發(fā)生裂變。能量低于1MeV的中子跟鈾238基本上只發(fā)生彈性碰撞，不引起核反應(yīng)、因此，為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好是利用高濃度鈾235。鈾塊的體積對于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也是一個(gè)重要因素。因?yàn)樵雍朔浅Ｐ?，如果鈾塊的體積不夠大，中子從鈾塊中通過時(shí)，可能還沒有碰到鈾核就跑到鈾塊外面去了。能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊最小體積叫作它的臨界體積。如果鈾235的體積超過了它的臨界體積，只要有中子進(jìn)入鈾塊，就會(huì)立即引起鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在極短時(shí)間內(nèi)就會(huì)釋放出大量的核能，發(fā)生猛烈的爆炸，原子彈就是根據(jù)這個(gè)原理制成的。二、核聚變及受控?zé)岷朔磻?yīng)

該過程約釋放出17.6MeV的結(jié)合能。聚變時(shí)每個(gè)核子平均釋放的結(jié)合能要比重核裂變時(shí)每個(gè)核子平均釋放的結(jié)合能大3~4倍。

人工的熱核反應(yīng)可以通過原子彈爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫來達(dá)到，氫彈就是這樣制成的。如果熱核反應(yīng)所釋放的巨大能量不是以爆炸的形式釋放，而是在人工控制下逐漸地釋放出來并加以利用（例如發(fā)電），這被稱為受控?zé)岷朔磻?yīng)。目前，受控?zé)岷朔磻?yīng)是一項(xiàng)正在研究的尖端課題，其應(yīng)用前景十分誘人，可徹底解決人類未來的能源問題，因此受到各國的高度重視。三、核能利用目前，人類主要是開發(fā)利用核裂變，還無法有效控制利用核聚變。原子彈爆炸時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度是不加控制的，為了人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使核能平緩地釋放出來，人們制成了核反應(yīng)堆。如圖5-5-3所示是熱中子反應(yīng)堆示意圖。熱中子反應(yīng)堆用的鈾棒是天然鈾或濃縮鈾(其中鈾235的含量約為3%)。由于裂變產(chǎn)生的是速度很大的快中子，很容易被鈾238俘獲而不發(fā)生裂變，所以必須設(shè)法使中子在碰上鈾238前降低速度。為此在鈾棒的周圍放上原子量比較小又不吸收或很少吸收中子的物體，如石墨、重水，快中子跟這些物體的原子核碰撞后，能量減小，變成慢中子，或稱熱中子。這種用來使中子減速的物體叫作慢化劑。慢中子碰到鈾238時(shí)會(huì)彈射回來，卻容易被鈾235俘獲而引起裂變。為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒。鎘吸收中子的能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些；當(dāng)反應(yīng)過于緩慢，達(dá)不到所需功率時(shí)，將鎘棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度就會(huì)增大。這種鎘棒被稱為控制棒。用電子儀器自動(dòng)地調(diào)節(jié)控制棒，就能使反應(yīng)堆保持一定的功率輸出而安全地運(yùn)行。核反應(yīng)堆工作時(shí)，核燃料裂變釋放出的核能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽狗磻?yīng)堆的溫度升高。水、液態(tài)鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，不斷地帶走熱能，輸出的熱能可用于發(fā)電。為了防止鈾核裂變物放出的各種射線對人體產(chǎn)生危害，在核反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥防護(hù)層，用來屏蔽射線，不讓它們透射出來。對放射性的廢料，也要裝入特制的容器中，埋入深地層來處理。利用核反應(yīng)堆工作時(shí)釋放出的熱能，可以使水汽化以推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，這就是核電站。核電站消耗的“燃料”很少，一座百萬千瓦的核電站，每年只消耗30噸左右濃縮鈾，而同樣功率的火力發(fā)電站，每年卻要消耗250萬噸煤。目前，核能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益跟火電站大體相同。為了適應(yīng)我國現(xiàn)代化建設(shè)對能源日益增長的需要，我國已于沿海地區(qū)建成投產(chǎn)多座核電站。把核反應(yīng)堆小型化，可以用于核動(dòng)力潛艇、核動(dòng)力破冰船和核動(dòng)力航空母艦

1.下列說法正確的是（）A．結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定B．核聚變又叫熱核反應(yīng)，太陽就是一個(gè)熱核反應(yīng)堆C．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)入射光越強(qiáng)，光電子的最大初動(dòng)能越大D．盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型可以解釋原子的穩(wěn)定性，但無法解釋原子光譜的分立特征B課堂練習(xí)2.2021年12月6日，全球第一臺(tái)“華龍一號”核電機(jī)組——中核集團(tuán)福建福清核電5號機(jī)組首個(gè)燃料循環(huán)結(jié)束，開始首次換料大修。如圖為普通核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)示意圖，通過鈾235鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核能的可控釋放。下列說法正確的是（）A．鎘棒通過改變中子的數(shù)量來控制反應(yīng)速度B．中子速度越快越容易使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生C．正常運(yùn)行的反應(yīng)堆水泥防護(hù)層外會(huì)檢測到大量α粒子D．鈾核裂變時(shí)釋放能量的多少與產(chǎn)物種類無關(guān)A課堂練習(xí)3.下列說法正確的是（）A．氫原子的發(fā)射光譜是連續(xù)譜B．太陽輻射的能量主要來自太陽內(nèi)部的核裂變C．目前核電站利用的核反應(yīng)是核聚變，核燃料為氘D．一束光照射到某種金屬上不能發(fā)生光電效應(yīng)，是因?yàn)樵摴獾念l率小于金屬的截止頻率D

4.2021年11月3日上午，清華大學(xué)王大中院士在北京人民大會(huì)堂被授于2020年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，王大中院士領(lǐng)導(dǎo)清華大學(xué)核能研究團(tuán)隊(duì)以提高核能安全性為主要學(xué)術(shù)理念，成功走出了一條以固有安全為主要特征的先進(jìn)核能技術(shù)的發(fā)展之路。下列有關(guān)核反應(yīng)的說法，正確的是（）A．鈾核的衰變和裂變都能自發(fā)發(fā)生B．兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的比結(jié)合能增加C．溫度升高，鈾核的半衰期將逐漸減小D．要使重核裂變產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，需用α粒子轟擊重核B5.下列說法中正確的是（）A．太陽輻射的能量主要來自太陽內(nèi)部的核聚變反應(yīng)B．幾個(gè)核子結(jié)合成原子核的過程一定有質(zhì)量虧損，需要吸收能量C．知道氡元素的半衰期我們就能知道一個(gè)氡原子核將何時(shí)發(fā)生衰變D．大量處于n=3能級的氫原子自發(fā)躍遷，可能輻射2種不同頻率的光A6.1999年9月，日本發(fā)生嚴(yán)重的核泄漏，這是和工廠將核原料（六氟化鈉）提煉成核反應(yīng)材料（二氟化鈾）時(shí)操作失誤造成的，工作人員在一個(gè)加工爐中投入16kg的核原料，大大超過了規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，從而造成了核泄漏，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是（）A．臨界體積 B．臨界壓強(qiáng)C．臨界溫度 D．由一定的溫度、體積和壓強(qiáng)共同確定A7.2022年3月11日，遼寧省紅沿河核電廠核能供暖項(xiàng)目進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性推進(jìn)階段。該項(xiàng)目提高了地方集中供熱能力和市政基礎(chǔ)配套設(shè)施水平，還將助力地方踐行“雙碳”目標(biāo)，從而為我國在東北地區(qū)實(shí)施長距離、大溫差核能供熱提供有力的先行示范。下列說法正確的是（）A．核反應(yīng)過程中原子核的質(zhì)量和質(zhì)量數(shù)均減少B．原子核比結(jié)合能越大，核子的平均質(zhì)量越小，原子核越穩(wěn)定C．紅沿河核電廠的原理是熱核反應(yīng)D．核裂變反應(yīng)中，反應(yīng)物的結(jié)合能之和大于生成物的結(jié)合能之和B8.重核裂變和輕核聚變是人類獲得核能的兩種主要途徑，關(guān)于裂變和聚變，下列說法正確的是（）A．裂變釋放能量，聚變吸收能量B．裂變過程有質(zhì)量虧損，聚變過程無質(zhì)量虧損C．裂變和聚變都可以釋放出巨大的能量D．太陽能來源于太陽內(nèi)部發(fā)生的核裂變C9.2022年1月3日，聯(lián)合國安理會(huì)5個(gè)常任理事國美中俄英法罕見發(fā)表聯(lián)合聲明，表達(dá)防止核武器擴(kuò)散決心。關(guān)于核反應(yīng)和核能，下列說法正確的是（）A．原子彈和氫彈都能瞬間放出巨大的能量，但原理不同。前者是利用了核聚變，后者是利用核裂變B．核動(dòng)力航空母艦的動(dòng)力裝置是核反應(yīng)堆，常用核反應(yīng)堆中是用鎘棒來控制核裂變的反應(yīng)速度C．目前核電站是采用核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，當(dāng)鈾塊的體積小于臨界體積時(shí)就會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)放出巨大能量D．原子核在超高溫下才能發(fā)生聚變，說明核聚變過程需要吸收能量B10.2021年5月我國的“人造太陽”工程成功創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子運(yùn)行?！叭嗽焯枴逼鋵?shí)是一種全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，以上紀(jì)錄的創(chuàng)造標(biāo)志著我國核聚變能源開發(fā)技術(shù)水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列。下列關(guān)于核聚變的說法正確的是（）A．我國的大亞灣核電站采用的是核聚變技術(shù)進(jìn)行發(fā)電的B．任何兩個(gè)原子核都可以發(fā)生聚變C．兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，核子的比結(jié)合能一定增大D．兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，大核的質(zhì)量與兩輕核的質(zhì)量之和相等C課堂小結(jié)

課堂小結(jié)二、反應(yīng)堆與核電站1．核電站：利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是反應(yīng)堆，它主要由以下幾部分組成：(1)燃料：鈾棒。(2)慢化劑：石墨、重水和普通水(也叫輕水)。(3)控制棒：為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒，它吸收中子的能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些，這種鎘棒叫作控制棒。課堂小結(jié)2．工作原理核燃料發(fā)生核裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻。3．核污染的處理在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線。核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。課堂小結(jié)

課堂小結(jié)6．核聚變與核裂變的比較(1)優(yōu)點(diǎn)：①輕核聚變產(chǎn)能效率高；②地球上核聚變?nèi)剂想碗暗膬?chǔ)量豐富；③輕核聚變更為安全、清潔。(2)缺點(diǎn)：核聚變需要的溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。解決方案：磁約束和慣性約束。課堂訓(xùn)練1.2019年新中國成立70周年之際，“兩彈一星”元?jiǎng)壮涕_甲被授予“人民科學(xué)家”國家榮譽(yù)稱號，程開甲曾參與了我國第一顆原子彈的研制，還參與主持了氫彈、兩彈結(jié)合等多種實(shí)驗(yàn)方式的30多次核試驗(yàn)，在我國的核事業(yè)發(fā)展上立下累累功勛，被稱為中國“核司令”。關(guān)于核知識(shí)的敘述，下列說法不正確的是（）A．太陽中的能量主要來源于氫核的聚變，發(fā)生聚變后產(chǎn)生的新核的比結(jié)合能增大B．大多數(shù)核電站的能量來源于重核裂變，發(fā)生裂變后產(chǎn)生的新核的比結(jié)合能減小C．核聚變與核裂變都發(fā)生了質(zhì)量的虧損D．原子核的結(jié)合能是指組成原子核的所有核子所具有的能量之和BD課堂訓(xùn)練2.2021年5月28日，中國在核聚變研究領(lǐng)域獲得重大突破，全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）成功實(shí)現(xiàn)了1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行。關(guān)于核聚變，下列說法中正確的是（）A．恒星的內(nèi)部進(jìn)行著核聚變反應(yīng)B．核聚變和核裂變互為逆過程C．核聚變過程中質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒D．核聚變過程中存在質(zhì)量虧損，虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了能量AC課堂訓(xùn)練3.2020年11月27日00時(shí)41分，華龍一號全球首堆中核集團(tuán)福清核電5號機(jī)組首次并網(wǎng)成功。如圖所示是原子核的比結(jié)合能與質(zhì)量數(shù)的關(guān)系圖，下列說法正確的是（）A．核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒B．華龍一號的原理是熱核反應(yīng)C．原子核比結(jié)合能越大，核子的平均質(zhì)量越小，原子核越穩(wěn)定D．核裂變反應(yīng)發(fā)生中，反應(yīng)物的結(jié)合能之和大于生成物的結(jié)合能之和AC課堂訓(xùn)練4.2021年10月5日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了分別來自美國、德國、意大利的三位科學(xué)家，其中意大利科學(xué)家喬治·帕里西因發(fā)現(xiàn)了“從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)中無序和波動(dòng)的相互作用”而獲獎(jiǎng)。下列有關(guān)原子和近代物理的說法正確的是（）A．光電效應(yīng)說明光具有波動(dòng)性B．α粒子散射實(shí)驗(yàn)說明原子具有核式結(jié)構(gòu)C．現(xiàn)有的核電站都是利用核裂變來發(fā)電的D．β射線是原子核外電子逸出的電子流BC課堂訓(xùn)練5.鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊，這類核反應(yīng)被定名為核裂變。1947年我國科學(xué)家錢三強(qiáng)、何澤慧在實(shí)驗(yàn)中觀察到鈾核也可以分裂為三部分或四部分。關(guān)于鈾核的裂變，下列說法正確的是（）A．裂變的產(chǎn)物不是唯一的B．裂變的同