【高中教育】2020高中物理第四章原子核第五节裂变和聚变教学案粤教版选修3

第五节 裂变和聚变释放出的能量．一、核裂变与链式反应1．核裂变：______分裂为两个或两个以上的较轻质量的核的反应．2．链式反应：一个核的裂变能够引发一个或一个以上的核发生裂变，让核裂变的过程能____进行下去，源源不断地将____释放出来．3．铀235与铀238比较（1）天然铀储量：铀238占99.3%，铀235占0.7%． （2）与中子的作用特点①铀235俘获各种能量的中子都会发生裂变，而且俘获能量低的中子发生裂变的几率____．②铀238只有俘获能量____1 MeV 的中子才可能发生裂变，并且几率____，俘获能量低于1 MeV 的中子时，不发生裂变，而变为铀239．③为使链式反应容易发生，最好选用______． 4．一种典型的裂变反应方程 235 92U ＋10n→8936Kr＋14456Ba ＋________．5．临界体积：能够发生链式反应的铀块的____体积． 预习交流为了使裂变的链式反应容易进行，一般用高纯度的浓缩铀235，原因是什么？ 二、核聚变与受控热核反应 1．核聚变两个____聚合成一个____的核的反应．2．热核反应物质达到几百万度以上的高温时，原子的核外电子与原子完全脱离，这时小部分原子核具有足够的____，能够克服核间的________，在相互碰撞中接近到能够发生聚变的程度，因此聚变反应又叫热核反应．3．普遍性热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的__________．答案：一、1．重核2．自发核能3．（2）较大大于很小铀2354．310n5．最小预习交流：答案：由于裂变放出的中子有的可能被裂变物质中的杂质吸收而造成链式反应不能持续进行下去，要维持链式反应，就要减少裂变物质中的杂质，尽量用高纯度浓缩铀．二、1．轻核较重2．动能库仑斥力3．热核反应堆一、铀核裂变及链式反应1．核子是怎样分裂的？发生链式反应为何会有最小体积呢？2．为什么铀的同位素中铀235最容易发生链式反应？是不是所有的核裂变都能放出核能？（双选）（2011·合肥高二检测）关于重核裂变，以下说法正确的是（）．A．铀核裂变的产物是多种多样的B．铀核裂变时能同时释放出5～8个中子C．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D．能否发生链式反应与铀块的体积无关（1）重核裂变是人为的核反应，自然界中不会自发地产生裂变．（2）用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，释放出更多的中子又引起其他铀核的裂变，这样不断继续下去，中子会不断增加，裂变反应就会不断加强，形成了裂变的链式反应．①反应特点：重核裂变成中等质量的核．②裂变过程满足质量数和电荷数守恒．③裂变过程中有质量亏损，放出能量．④利用裂变产生的中子轰击其他原子，发生链式反应．二、对核聚变的理解1．（1）从微观和宏观两个角度分析说明核聚变发生的条件是什么？（2）核聚变反应有什么特点？（3）实现热核反应有什么必要性？2．氢弹的原理是怎样的？实现热核反应有没有可能？实现热核反应存在的困难是什么？一个质子和两个中子聚变为一个氘核，已知质子质量m H＝1.007 3 u，中子质量m n＝1.008 7 u，氘核质量m＝3.018 0 u．（1）写出聚变方程；（2）求释放出的核能；（3）求平均每个核子释放的能量．1．重核裂变和轻核聚变的主要区别：（1）放能原理不同重核裂变是重核分裂成两个或多个中等质量的原子核放出的核能；而轻核聚变是两个轻核结合成质量较大的原子核放出的核能．（2）放能多少不同在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量．（3）可控性不同重核裂变速度比较慢，容易进行人工控制，现在的核电站都是用裂变反应释放核能的．目前，除氢弹外，人们还不能控制轻核聚变．2．可能实现对热核反应的控制方法有：（1）磁约束：利用磁场来约束参加反应的物质．环流器是目前性能最好的一种磁约束装置．（2）惯性约束：利用强激光惯性压力约束参加反应的物质．1．有下列核反应：①42He＋2713Al→3015P＋10n②31H＋11H→42He＋γ③19 9F＋11H→16 8O＋42He④235 92U＋10n→8936Kr＋144 56Ba＋310n下列说法错误的是（）．A．①是原子核的人工转变的反应方程式B．②是聚变的核反应方程式C．③是α衰变的反应方程式D．④是裂变的核反应方程式2．（双选）关于聚变，以下说法中正确的是（）．A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时放出能量B．同样质量的物质发出聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大好多倍C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能3．已知在铀235裂变成钡和氪的过程中，质量亏损Δm＝0.215 3 u，则反应中平均每个核子释放的能量为多少？4．氘核（21H）和氚核（31H）的核反应方程如下：21H＋31H→42He＋10n，该氘核的质量为m1，氚核的质量为m2，氦核的质量为m3，中子的质量为m4，则反应过程中释放的能量为（）．A．（m1＋m2－m3）c2B．（m1＋m2－m4）c2C．（m1＋m2－m3－m4）c2D．（m3＋m4－m1－m2）c25．已知氘核质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u，32He核的质量为3.015 0 u．（1）写出两个氘核聚变成32He的核反应方程．（2）计算上述核反应中释放的核能．（3）若两个氘核以相等的动能0.35 MeV做对心碰撞即可发生上述反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成32He核和中子的动能各是多少？答案：活动与探究1：1．答案：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，这会造成核子间的距离增大，由于核子间的距离增大，所以核力迅速减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，就这样裂变会不断地进行下去．原子核的体积很小，原子内部绝大部分是空隙．如果铀块不够大，中子通过铀块时可能碰不到铀核而跑到铀块外面去．2．答案：在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是238 92U，0.7%的是235 92U，虽然中子都能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子作用的情况明显不同．（1）235 92U俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大．（2）238 92U只有在俘获的中子的能量大于1 MeV时才能发生核反应，且裂变的几率较小．对于低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不能引起核反应．故为了使链式反应容易发生，最好用纯度较高的铀235．不是所有的核反应都能放出核能，有的核反应，反应后生成物的质量比反应前的质量大，这样的核反应不但不放出能量，反而在反应过程中要吸收大量的能量．只有重核裂变和轻核聚变能放出大量的能量．迁移与应用1：AC 解析：铀核裂变的产物是多种多样的，常见的反应是教材中所见的两个方程，A项正确．铀核裂变时能同时释放出2～3个中子，放出的中子再引起其他铀核裂变，且能不断地继续下去，成为链式反应，B项错误，C项正确．如果铀块体积不够大，生成的中子从铀块中通过时可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了，能否发生链式反应与铀块的体积有关，故D错误．活动与探究2：1．答案：（1）①微观上：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10－15 m，要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力．②宏观上：要使原子核具有足够大的动能，就得把它加热到几百万摄氏度的高温．由于发生聚变的温度极高，因此聚变又叫热核反应．（2）①在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量．②热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去．③普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆．（3）实现热核反应是有必要的，原因是：由于地球上化石燃料和裂变材料的储量有限，开发聚变能量非常重要，并且是一项十分紧迫的任务．各国科学家都在加紧研究，尽快地在地球上制造出人类自己的“太阳”，缓解甚至消除能源危机的困扰．2．答案：首先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爆炸．（1）实现热核反应是有可能的，因为地球上储存着丰富的聚变燃料．地球上约有138.6亿亿立方米的水，每升水中含有0.03 g氘，大约有40多亿吨氘．（2）反应中所用的氚可以利用锂来提取，地球上锂的储量有2 000亿吨，用来抽取氚足以满足聚变的需要．实现热核反应存在的困难是：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温．迁移与应用2：答案：（1）11H＋210n→31H （2）6.24 MeV（3）2.08 MeV解析：（1）聚变方程：11H ＋210n→31H ． （2）质量亏损Δm ＝m H ＋2m n －m ＝（1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0）u ＝0.006 7 u ，释放的核能ΔE ＝Δmc 2＝0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV． （3）平均每个核子放出的能量为 6.243MeV ＝2.08 MeV ． 当堂检测1．C 解析：我们要对人工转变、聚变、裂变和衰变的定义作深入认识，根据各种定义可知：①是人工转变的反应方程式；②是聚变的核反应方程式；③并不是α衰变，而是人工转变，衰变是自发进行的，不需要外界因素的影响；④是裂变的核反应方程式．2．BD 解析：两个轻核聚合为较大质量的原子核就可释放能量但不一定是中等质量的核，故A 项错误；聚变反应放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多，这点由聚变反应的特点我们就可以知道，故B 项正确；裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积，而聚变反应的条件是原子核间距达到10－15m ，故要求有足够大的动能才能克服原子核间的斥力做功，故C 错、D 正确．3．答案：0.86 MeV解析：铀核裂变为不同的产物时，每个核子释放的能量不同，一般来说平均每个核子释放的能量约为1 MeV ．由爱因斯坦质能方程，可求得铀核裂变时放出的能量：ΔE ＝Δmc 2＝0.215 3×931.5 MeV＝201 MeV铀核中含有235个核子，所以平均每个核子释放的能量为201235MeV ＝0.86 MeV ．4．C 解析：此变化过程中释放能量，说明聚变之后，新核的质量之和小于聚变之前原来核的质量之和，质量亏损应为（m 1＋m 2）－（m 3＋m 4），而不是（m 3＋m 4）－（m 1＋m 2）．此反应的质量亏损为Δm ＝m 1＋m 2－m 3－m 4，释放的能量ΔE ＝Δmc 2＝（m 1＋m 2－m 3－m 4）c 2．5．答案：（1）21H ＋21H→32He ＋10n（2）3.26 MeV （3）0.99 MeV 2.97 MeV解析：（1）21H ＋21H→32He ＋10n ．（2）核反应中质量亏损Δm ＝2.013 6 u×2－（3.015 0 u ＋1.008 7 u ）＝0.003 5 u ，释放的核能：ΔE ＝Δmc 2＝0.003 5×931.5 MeV＝3.26 MeV ．（3）设32He 核和中子的质量分别为m 1、m 2，速度分别为v 1、v 2，则由动量守恒定律及能量守恒定律得：m 1v 1－m 2v 2＝0，E k1＋E k2＝2E k0＋ΔE解方程组可得：E k1＝14（2E k0＋ΔE ）＝14×（2×0.35＋3.26）MeV ＝0.99 MeVE k2＝34（2E k0＋ΔE ）＝34×（2×0.35＋3.26）MeV ＝2.97 MeV ．。

第4节 核裂变和核聚变一、教学目标1、知道重核裂变、核聚变的概念。

2、知道什么是链式反应。

3、了解聚变反应的特点及其条件，了解可控热核反应及其研究和发展.4、会计算核反应中释放的能量。

二、教学重难点1、核反应方程式的书写2、释放核能的计算。

三、教学过程（一）重核裂变1、重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为裂变。

2、核裂变是释放核能的方法之一。

3、铀核的裂变（1）铀核的裂变的一种典型反应。

最典型的一种核反应方程式是2351141921920563603U n Ba Kr n +→++(2)释放的核能的计算Δm=（235.043u+1.0087u)(1409139u+91.8973u+3.0261u)=0.2153uΔE=0.2153u ×931.5Mev=200.55Mev(3)铀核裂变的产物不同，释放的能量也不同。

（二）链式反应1、这种由重核裂变产生的中子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。

（见示意图523）2、临界体积（临界质量）：通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。

（三）轻核聚变1、轻核聚变成较重核，引起结合能变化的方式获得核能，这样的核反应称为核聚变。

2、氢核聚变：21H+31H→42He+10n3、能量计算：ΔE＝Δmc2＝17.6 MeV，平均每个核子释放能量3 MeV以上，约为裂变反应释放能量的3～4倍。

4、氚的获得：（四）可控热核聚变1、（1）聚变与裂变相比，轻核聚变产能效率高。

（2）聚变与裂变相比，地球上聚变燃料的储量丰富。

（3）聚变与裂变相比，轻核聚变反应更为安全、清洁。

2、发生条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的间距达到核力作用的范围。

要使它们达到这种程度，必须克服原子核间巨大的库仑斥力，这就得让核子获得足够大的动能。

以氘核发生聚变为例，必须在大约108 K高温下，使氘核获得至少70 keV的动能才能达到核力作用的范围而发生核聚变。

质量较大的核，必须使轻核间的距离达到发生核力的范围，
才能使它们紧密地结合起来，B正确(zhèngquè)，C错误；
栏 目
热核反应必须在很高的温度下才能发生，不一定要人工控制，
链 接
D错．
答案：AB
第二十七页，共29页。
►课堂训练
2．(双选)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”的说法正确的是( )
栏
目
A．“人造太阳”的核反应方程是
链
接
B．“人造太阳”的核反应方程是
C．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是 ΔE＝Δmc2 D．“人造太阳”核能大小的计算公式是 E＝12mc2
第二十八页，共29页。
解析： “人造太阳”发生的是氢核聚变，所以核反应方程
③热核反应的燃料在地球上储量丰富．
第二十一页，共29页。
(3)热核反应的两种方式：
①爆炸式热核反应；
②受控式热核反应(目前正处于探索、实验阶段)．
栏
3．核聚变与核裂变的区别．
目 链
接
(1)原理不同．
重核的裂变是重核裂变成几个(jǐ ɡè)中等质量的原子核，放 出能量，而聚变是几个(jǐ ɡè)轻核聚变(结合)成一个中等质量 的原子核，放出巨大的能量．
栏
怕的一面，又有可用的一面．核能已经在人类现代生活中发挥 目
链
着重要(zhòngyào)的作用，核能的利用还有哪些方面，核能又如 接 何获得呢？
第六页，共29页。
栏 目 链 接
第七页，共29页。
1．两个轻核聚合成一个较重核的反应叫____核__聚，变较重的 核分裂成两个较轻核的反应叫________．核裂变

物理选修3一5第四章第五节《裂变和聚变》教学设计案《裂变和聚变》教学设计教学目标（1）知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量；（2）知道什么是链式反应及其反应条件；（3）了解聚变反应的特点及其条件..（4）通过对核子平均质量与原子序数关系的理解，培养学生的逻辑推理能力及应用教学图像处理物理问题的能力；教学重点链式反应及聚变核反应的特点；裂变和聚变核反应方程式的书写。

教学难点通过核子平均质量与原子序数的关系，得到裂变和聚变释放能量及这一结论。

教学方法网络录课、动画演示教学过程（一）引入新课大家都知道在第二次世界大战即将结束的时候，美国于1945年8月6日、9日先后在日本的广岛、长崎上空投下了两颗原子弹，刹那间，这两座曾经十分美丽的城市变成一片废墟。

大家还知道目前世界上有少数国家建成了许多核电站，我国也相继建成了浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站等。

我想，现在大家一定想知道原子弹爆炸及核发电的原理，那么，我们这节课就来学习裂变，通过学习，大家就会对上述问题有初步的了解。

（二）进行新课1、裂变（fission）和聚变根据爱因斯坦的质能方程，要放出能量要发生质量亏损，通过观察核子的平均质量和原子序数的关系图，可知可以让核子平均质量较大的A分裂成较小的B和C，则发生质量亏损放出能量。

同理如果让两个核子平均质量较小的D和E结合成为一个平均质量较大的F，同样发生质量亏损，放出能量。

我们把重核分裂成两个较轻的核时，释放出核能称为重核裂变，把某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，同时放出大量的核能称为轻核聚变。

2、铀核的裂变2.1铀核的裂变主体——u235展示铀元素动画，这是铀元素，确切的说是铀-235，它的原子核有143 个中子和92 个质子．2.2原理：当一个中子快速轰击铀-235 的原子核时，形成一个新的处于激发态的核，由于其中的核子剧烈运动，核子间距离增大，核力迅速减小，不足以克服质子间的库仑斥力，核就分裂成两部分，又根据原子序数与中子数的关系可知，由于轻核的电荷数的减小，必然出现多余的中子，故释放出中子，于是分裂出另外两个元素——钡和氪，并释放2-3 个中子，以及约200 兆电子伏的能量。