2020-2021學年人教版選擇性必修第三冊核裂變與核聚變學案老頭

第五章原子核第4節(jié)核裂變與核聚變【素養(yǎng)目標】1.知道重核的裂變和鏈式反響2.會計算核裂變釋放的能量3.了解原子彈的原理4.知道聚變反響的特點5.了解聚變反響的條件【必備知識】知識點一、核裂變1．定義：核物理中，把重核被中子轟擊后分裂成兩個質量差不多的新原子核，并放出核能的過程，叫核裂變。2．鈾核的典型裂變方程用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，其產物是多種多樣的，其中一種典型的反響是eq\o\al(235,)92U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,)56Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n.3．鏈式反響由重核裂變產生的中子使核裂變反響一代接一代繼續(xù)下去的過程。4．鏈式反響的條件(1)鈾塊的體積大于臨界體積．(2)鈾塊的質量大于臨界質量．以上兩個條件滿足一個，那么另一個條件自動滿足．知識點二、反響堆與核電站1.核反響堆：通過可控制的鏈式反響實現(xiàn)核能釋放的裝置稱為核反響堆．(1)熱源：在核電站中，核反響堆是熱源，如圖為簡化的核反響堆示意圖：鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)為慢化劑，使反響生成的快中子變?yōu)槁凶?，便于?35的吸收，發(fā)生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍．反響堆示意圖(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反響速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反響速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反響速度加快，采用電子儀器自動調節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反響的劇烈程度．(3)冷卻劑：核反響釋放的能量大局部轉化為內能，這時通過水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反響堆內外循環(huán)流動，把內能傳輸出去，用于推動蒸汽機，使發(fā)電機發(fā)電．發(fā)生裂變反響時，會產生一些有危險的放射性物質，很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面．知識點三、核聚變1．定義：兩個輕核結合成質量較大的核，并釋放出能量的反響．2．典型的核聚變方程：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV3．條件在超高溫條件下，劇烈的熱運動使得一局部原子核具有足夠的動能，可以克服庫倫斥力，發(fā)生核聚變。因此，核聚變又叫熱核反響。4．優(yōu)點核聚變產能效率高，燃料的儲量豐富，更為平安、清潔。5．實現(xiàn)困難核聚變需要的溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經受如此高的溫度。為了解決這個難題，科學家設想了兩種方案，即磁約束和慣性約束【課堂檢測】1．2021年1月10日，黃旭華獲2021年度國家最高科學技術獎。黃旭華作為中國第一代核潛艇總設計師，成功研制了我國第一代核潛艇，為我國海基核力量實現(xiàn)從無到有的歷史性跨越做出了卓越的奉獻。以下關于核反響正確的選項是〔〕A．HeHeH為原子核的α衰變，放出的α射線有很強的穿透性B．氪90〔Kr〕是不穩(wěn)定的，衰變成為鋯90〔Zr〕需要經過2次α衰變C．原子衰變成新核時，新原子核處于高能級狀態(tài)不穩(wěn)定，會向低能級躍遷，躍遷時只能放出一些特定頻率的γ射線D．比結合能越小的原子核越穩(wěn)定【答案】C【詳解】A．HeHeH為輕核的聚變，α射線的電離能力很強，穿透性很弱，A錯誤；B．根據(jù)質量數(shù)與質子數(shù)守恒，結合β衰變釋放電子，那么KrZr+eB錯誤；C．因為原子核在經歷核反響后往往處于激發(fā)態(tài)，衰變后產物的新核從激發(fā)態(tài)向較低能級躍遷，一般以發(fā)射電磁波的形式進行，發(fā)射的正是γ射線，C正確；D．比結合能越大的原子核越穩(wěn)定，D錯誤。應選C。2．以下四幅圖涉及不同的物理知識，其中說法正確的選項是〔〕A．圖1：光電效應中，光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比B．圖2：鈾核裂變中放出新的中子又引起新的裂變，形成鏈式反響C．圖3：氫原子能級是分立的，但原子發(fā)射光子的頻率是連續(xù)的D．圖4：盧瑟福通過α粒子散射實驗，提出原子核均勻分布在原子內的結構模型【答案】B【詳解】A．圖1的光電效應中，由愛因斯坦的光電效應方程可知變換可得故光電子的最大初動能與入射光的頻率呈線性關系，但不成正比，A錯誤；B．圖2中，鈾核裂變中放出新的中子又引起新的裂變，形成鏈式反響，B正確；C．圖3中：氫原子能級是分立的，原子發(fā)射光子的頻率也是不連續(xù)的，即原子發(fā)光只能發(fā)出某個能級差對應的能量而形成的光子，C錯誤；D．圖4中，盧瑟福通過α粒子散射實驗，提出的是原子的核式結構模型，D錯誤。應選B?！舅仞B(yǎng)作業(yè)】1．2021年12月4日，新一代“人造太陽〞核聚變實驗裝置－“中國環(huán)流器二號M〞在四川成都建成并實現(xiàn)首次放電。這標志著我國自主掌握了大型先進托卡馬克裝置的設計、建造、運行技術，為我國核聚變堆的自主設計與建造打下了堅實根底。以下說法正確的選項是〔〕A．目前運行的核電站發(fā)電都是采用核聚變反響B(tài)．托卡馬克內部反響過程是鏈式反響C．托卡馬克內部核反響可能是D．屬于核聚變反響【答案】D【詳解】A．目前運行的核電站發(fā)電都是采用核裂變反響。A錯誤；B．托卡馬克內部反響過程是核聚變反響。B錯誤；C．該反響是核裂變反響，托卡馬克內部核反響不可能是該反響。C錯誤；D．屬于核聚變反響。D正確。應選D。2．“人造太陽〞核聚變的反響方程為。關于此核聚變，以下說法正確的選項是〔〕A．，B．將原子核加熱到幾百萬開爾文時，原子核具有足夠的動能，才能發(fā)生聚變反響D．裂變比聚變更平安、清潔【答案】B【詳解】A．根據(jù)電荷數(shù)守恒、質量數(shù)守恒可知，故A錯誤；B．將原子核加熱到幾百萬開爾文時，原子核具有足夠的動能，才能發(fā)生聚變反響，故B正確；C．1個氘核和1個氚核發(fā)生核聚變，可以放出17.6MeV的能量，故C錯誤；D．輕核聚變產生物為氦核，沒有輻射和污染，所以聚變比裂變更清潔，但聚變更難控制，故D錯誤。應選B。3．2021年1月30日，華龍一號全球首堆中核集團福建福清核電5號機組投入商業(yè)運行，這標志著我國在三代核電技術領域躋身世界前列。目前核能發(fā)電都是利用核裂變反響，以下表示重核裂變的是〔〕A． B．C． D．【答案】A【詳解】A．該反響是重核裂變，選項A正確；B．該反響是衰變方程，選項B錯誤；C．該反響為原子核的人工轉變方程，選項C錯誤；D．該反響是輕核聚變反響，選項D錯誤。應選A。4．鈾核〔〕是制造核武器的主要材料之一，其中一種核反響方程為，以下說法正確的選項是〔〕A．該核反響在中子的轟擊下發(fā)生，為人工轉變B．X原子核中含有86個中子C．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量D．因為裂變時釋放能量，出現(xiàn)質量虧損，所以生成物的總質量數(shù)減少【答案】B【詳解】A．該核反響為鏈式反響，而不是人工轉變，故A錯誤。B．根據(jù)核反響質量數(shù)和電荷數(shù)守恒可計算出，X原子核中含有86個中子，故B正確。C．核裂變釋放的能量大于它俘獲中子時得到的能量，故C錯誤。D．因為裂變釋放能量，出現(xiàn)質量虧損，所以裂變后的總質量減少，但總質量數(shù)不變，故D錯誤。應選B。5．以下說法正確的選項是〔〕A．假設使放射性物質的溫度升高，其半衰期將減小B．發(fā)生α衰變時，生成核與原來的核相比，中子數(shù)減少了4C．太陽輻射的能量主要來自太陽內部的熱核反響D．按照玻爾理論，氫原子核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道時，電子的動能減小，電勢能增大，原子的總能量不變【答案】C【詳解】A．半衰期與放射性物質的溫度無關。A錯誤；B．發(fā)生α衰變時，生成核與原來的核相比，中子數(shù)減少了2個。B錯誤；C．太陽輻射的能量主要來自太陽內部的熱核反響。C正確；D．按照玻爾理論，氫原子核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道時，電子的動能減小，電勢能增大，原子的總能量增大。D錯誤。應選C。6．在太陽內部發(fā)生的典型核反響方程是4→He+2X，以下說法正確的選項是〔〕A．核電站利用此反響來獲得核能B．該核反響屬于聚變反響C．方程中的X為電子〔e〕D．該核反響前后質量數(shù)守恒，因而反響前后總質量保持不變【答案】B【詳解】A．核電站利用核裂變來獲得核能，A錯誤；B．該核反響屬于聚變反響，B正確；C．根據(jù)質量數(shù)和電荷數(shù)守恒，此X為正電子，C錯誤；D．該核反響前后質量數(shù)守恒，釋放了核能，根據(jù)愛因斯坦質能方程可知反響過程產生了質量虧損，D錯誤。應選B。7．輕核聚變的一個核反響方程為：H＋H→He＋X，假設H的質量為m1，H的質量為m2，He的質量為m3，X的質量為m4，那么以下說法中正確的選項是〔〕A．H和H在常溫下就能夠發(fā)生聚變B．X是質子C．這個反響釋放的核能為ΔE＝〔m1＋m2－m3－m4〕c2D．我國大亞灣核電站是利用輕核的聚變釋放的能量來發(fā)電的【答案】C【詳解】A．H和H只能在極高溫度下才能夠發(fā)生聚變，選項A錯誤；B．根據(jù)核反響的質量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，X的質量數(shù)為1，電荷數(shù)為0，是中子，選項B錯誤；C．根據(jù)質能方程可知，這個反響釋放的核能為ΔE＝〔m1＋m2－m3－m4〕c2選項C正確；D．我國大亞灣核電站是利用重核裂變釋放的能量來發(fā)電的，選項D錯誤。應選C。8．太陽內部發(fā)生的核反響模式之一是質子—質子循環(huán)，即四個結合生成一個，并釋放出大量能量，其鏈式反響方程為①，②，③