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6 核裂变课堂合作探讨问题导学一、核裂变活动与探讨11．重核的裂变能够自发地进行吗？2．发生链式反映的条件是什么？迁移与应用1关于重核的裂变，以下说法正确的是（）A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时取得的能量B．中子从铀块中通过时，必然发生链式反映C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变成中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能1．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。
2．核子割裂：核子间的距离增大，因此核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而割裂成几块，同时放出2～3个中子，这些中子又引发其他铀核裂变，如此，裂变就会不断地进行下去，释放出愈来愈多的核能。
3．能量：铀核裂变成中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量。
一般来讲，平均每一个核子放出的能量约为1 MeV,1 kg铀235全数裂变放出的能量相当于2 800 t优质煤燃烧时释放的能量，裂变时能产生几万度的高温。
二、核电站活动与探讨21．快中子增殖反映堆，简称“快堆”，是获取核能的一种技术。
快堆不用铀235，而用钚239作燃料，不过在堆心燃料钚239的外围再生区里放置铀238。
钚239产生裂变反映时放出来的快中子，被装在外围再生区的铀238吸收，变成铀239，铀239通过两次β衰变后转化为钚239。
在大型快堆中，平均每10个钚239原子核裂变可使12至14个铀238转变成钚239。
如此，钚239裂变，在产生能量的同时，又不断地将铀238变成可用燃料钚239，而且再生速度高于消耗速度，核燃料越烧越多，快速增殖，所以这种反映堆又称“快速增殖堆”。
快中子增殖反映堆目前还处在研制阶段。
2011年7月21日10时，我国第一个由快中子引发核裂变反映的中国实验快堆成功实现并网发电。
如图为该快堆外景。
一、核裂变1．裂变重核被中子轰击后分裂成两块质量差不多的新原子核，称为裂变．2．铀核裂变用中子轰击铀核，铀核发生裂变，铀核裂变的产物是多样的，其中最典型的反应是生成钡和氪，同时放出三个中子．核反应方程式为：235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n.3．链式反应当一个中子引发一个铀核裂变后，反应释放出的中子又轰击其他原子核产生裂变，释放出的中子又轰击其他铀原子核……这样的反应一代接一代进行下去的过程，叫做裂变的链式反应．4．临界体积和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．5．发生链式反应的条件裂变物质的体积必须大于或等于临界体积，或裂变物质的质量必须大于或等于临界质量．如图所示为我国于1964年10月16日发射的第一颗原子弹爆炸成功的图片．同时，我国政府郑重承诺：中国在任何时候、任何情况下，都不首先使用核武器，不对无核国家或地区使用或威胁使用核武器．我国研制成功原子弹，极大地增强了我国的国防力量．你知道这其中蕴涵的物理知识吗？提示：原子弹是利用重核的裂变反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸．二、核电站原子核的链式反应可以在人工的控制下进行，从而实现了核能的可控释放，实现可控的条件是控制引起链式反应的中子的数目，方法是在核反应堆中的铀棒之间插入一些镉棒，镉具有极强的吸收中子的能力，当将镉棒插得深一些时，就能多吸收一些中子，使链式反应的速度慢下来，这种镉棒又叫控制棒．核能作为一种新型能源，在人类的发展过程中所起的作用越来越重要．核反应堆中发生着怎样的核反应？提示：核反应堆中发生的是可控链式反应．考点一重核的裂变及链式反应1．铀核的裂变(1)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．(2)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2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能．(3)核能的释放：由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中等质量的原子核时，会发生质量亏损，释放核能．(4)铀的存在形式在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是238 92U,0.70%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．①235 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．②238 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．2．链式反应的条件铀块的体积大于或等于临界体积、质量大于或等于临界质量，只要满足其中之一即可．【例1】(多选)关于铀核裂变，下述说法正确的是( )A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235D．铀块的体积对发生链式反应无影响1．什么是核裂变？2．什么是链式反应？3．链式反应发生的条件是什么？【答案】BC【解析】铀核受到中子的轰击，会发生裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两种不同的核的情况较多，也有的分裂成多种不同的核，并放出2～3个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量较高的中子时才能引起裂变，且裂变的概率小，而要发生链式反应，需使铀块体积大于或等于临界体积，故选项B、C正确．总结提能本题考查了重核裂变的知识．重核裂变是重核受中子轰击后分裂成中等质量核的反应，其释放能量的原因是重核的比结合能比中等质量核小．关于重核的裂变，以下说法正确的是( D )A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B．中子进入铀块中时，一定发生链式反应C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数量减小D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能解析：根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，而并非中子的能量，故A错误．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于或等于其临界体积．如果体积小，中子进入铀块时，裂变中产生的中子散失到外界，没有足够的中子，则链式反应就不会发生，故B错误．在裂变反应中核子数是不会减少的，如235 92U＋10n―→9038Sr＋136 54Xe＋1010 n.其中各粒子质量分别为m U＝235.043 9 u，m n＝1.008 67 u，m Sr＝89.907 7 u，m Xe＝135.907 2 u，质量亏损为Δm＝(m U＋m n)－(m Sr＋m Xe＋10m n)≈0.151 0 u可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此C错误．重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，发生质量亏损，从而释放出核能，故D正确．故选D.考点二核电站1．核心：核电站的核心是核反应堆，其简化示意图如下：各部分的作用如下：(1)铀棒：由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，它是核反应堆的燃料．(2)石墨(或重水)：石墨(或重水)作为减速剂，附着在铀棒周围，使反应生成的快速中子变为慢中子，便于铀235吸收，发生裂变．(3)镉棒：主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫做控制棒．(4)混凝土防护层：屏蔽射线防止放射性污染．2．核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少：一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30 t左右，而同样功率的火电站每年要消耗250万吨．(2)污染小：核电对环境的污染比火电小．【例2】铀核裂变的许多可能的核反应中的一个是U＋10n→141 56Ba＋9236Kr＋310n.23592(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量(235 92U、141 56Ba、9236Kr、10n的质量分别为235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u)；(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？它相当于燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107 J/kg)【答案】(1)200.6 MeV (2)5.14×1026 MeV 2 800 t【解析】(1)铀核裂变的质量亏损为Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7)u＝0.215 3 u.一个铀235原子核裂变后释放的能量为ΔE＝Δmc2＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV.(2)1 kg铀235中含有原子核的个数为N＝103235×6.02×1023≈2.56×1024，1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量E＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV.设q为煤的热值，m为煤的质量，有E＝qm，所以m＝Eq＝5.14×1026×1.6×106×10－192.94×107kg≈2 800 t.总结提能解答此类题的关键在于如何把已知与所求联系起来，特别是要能考虑到利用相对原子质量和阿伏加德罗常数去计算1 kg铀所含的原子核的个数，只要能想到这儿，一切问题就都迎刃而解了．23592U受中子轰击时会发生裂变，产生139 56Ba和9436Kr，同时放出200 MeV的能量．现要建设发电能力是50万千瓦的核电站，用铀235作为原子锅炉的燃料．假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天需要纯铀235的质量为多少？若改用火力发电，需要燃烧值为2.94×107 J/kg的煤多少吨？阿伏加德罗常数为6.02×1023 mol－1.答案：0.527 kg 1.47×103 t解析：根据发电功率计算出每天应发电能的总量E ＝24 h×3.6×103×P ＝4.32×1013 J.要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目n ＝4.32×10132×108×1.6×10－19＝1.35×1024(个)．则对应的质量m ＝nN ·μ＝1.35×10246.02×1023×235×10－3 kg ＝0.527 kg. 需要的煤的质量为m ′＝E2.94×107 J/kg ＝4.32×10132.94×107 kg ＝1.47×106 kg ＝1.47×103 t.重难疑点辨析 了解原子弹的原理原子弹是利用快中子导致链式反应而发生原子爆炸的武器．在裂变材料的体积大于临界体积时，可以使增殖系数K >1，这时中子数可逐代倍增，最后引起原子爆炸．对纯235 92U ，其K ＝2.若N 0＝1，则到第90代时，中子数已增到N ＝280个，其已大到相当于1 kg 铀的原子数，因此1 kg 纯235 92U 只要经过80代裂变就可以全部发生裂变．若将1 kg 铀做成球状，其直径不过5 cm ，而快中子的速度约为2×107 m·s －1，所以裂变进行得极其迅猛，其爆炸可在百分之一秒内完成．原子弹的结构形式有许多种，一般是将两块和多块小于临界体积的235 92U(或233 92U 、239 94Pu 等)放在一个密封的弹壳内，平时这几块相隔一定的距离，所以不会爆炸．使用时可通过引爆装置使它们骤然合为一体，由于其体积超过临界体积，爆炸立刻发生．【典例】 1964年10月16日，我国在新疆罗布泊沙漠成功地进行了第一颗原子弹试验，结束了中国无核时代．(1)原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量，由于裂变物质的体积超过临界体积而爆炸．①完成下面核裂变反应方程式：U＋10n→()Xe＋9438Sr＋210n＋200 MeV.23592②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么？(2)为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染环境，需采取哪些措施？(写两种)【解析】(1)①根据核反应过程质量数、电荷数守恒可知，235 92U裂变为140 54Xe.②裂变自动持续下去的反应叫链式反应．(2)核反应堆外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线；放射性核废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理．【答案】(1)①140 54Xe ②链式反应(2)见解析原子弹与核电站都是核能利用的成果，都是利用了重核裂变，但原子弹爆炸时的反应速度是不可控的．1．镉棒在核反应堆中的作用是( D )A．使快中子变慢中子B．使慢中子变快中子C．使反应速度加快D．控制反应速度，调节反应速度的快慢解析：在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，镉棒起吸收中子，控制反应速度，调节功率大小的作用．2.235 92U吸收一个慢中子后，分裂成136 54Xe和9038Sr，还放出( C )A．1个α粒子B．3个中子C．10个中子D．10个质子解析：设放出的粒子的质量数为x，电荷数为y，核反应过程满足质量数守恒和电荷数守恒．由题意可得⎩⎪⎨⎪⎧ 235＋1＝136＋90＋x 92＝54＋38＋y 解得⎩⎪⎨⎪⎧x ＝10，y ＝0. 由此判断该核反应放出的一定是中子，且个数是10.3．原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等，在下列核反应中，属于核裂变反应的是( D )A.10 5B ＋10n→73Li ＋42HeB.238 92U→234 90Th ＋42HeC.14 7N ＋42He→17 8O ＋11H D.235 92U ＋10n→141 56Ba ＋9236Kr ＋310n解析：由链式反应特点知：反应过程中由一个中子引发裂变，放出2～3个中子促成链式反应，故D 正确．4．(多选)如图是慢中子反应堆的示意图，对核反应堆的下列说法正确的是( BC )A ．铀235容易吸收快中子发生裂变反应B ．快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C ．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D ．若要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些解析：根据铀235的特点，它更容易吸收慢中子而发生裂变，A 错误；在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量从而更易让铀235吸收裂变，B 正确；链式反应的剧烈程度取决于裂变释放出的中子总数，镉控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反应的快慢，即插入得深，吸收得多，反应将变慢，反之将加快，C 正确，D 错误．答案：1.10×103 kg解析：反应堆每年提供的核能E 总＝PT η，其中T 表示1年的时间．以M 表示每年消耗的235 92U 的质量，得M m U ＝E 总ΔE ，解得M ＝m U PT ηΔE，代入数据得M ＝1.10×103 kg.。
核聚变粒子和宇宙1．核聚变(1)定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做聚变。
聚变后比结合能增加，因此反应中会释放能量。
(2)发生条件：轻核聚变必须在温度达到几百万开尔文时，才可以发生，因此又叫热核反应。
聚变一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。
(3)实例：①热核反应主要应用在核武器上，如氢弹；②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射堆；③典型的核聚变：一个氘核和一个氚核的聚变，21H＋31H→42He＋10n＋17.6 MeV，该反应平均每个核子放出的能量比裂变反应平均每个核子放出的能量大3～4倍。
2．受控热核反应(1)聚变与裂变相比有很多优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上聚变燃料的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁。
(2)实现核聚变的方法：①难点：地球上没有任何容器能够经受几百万开尔文的高温；②方案：科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束，环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。
[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．我国一些核电站已经开始大规模利用轻核聚变发电。
(×)2．轻核聚变须达到几百万开尔文以上的高温，自然界不存在轻核聚变。
(×)[释疑难·对点练]1．从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。
例如：21H＋31H→10n＋42He＋17.6 MeV。
2．聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核间距达到核力发生作用的距离10－15 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，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，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温。
3．特点(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。
4．应用(1)核武器——氢弹。
1．了解核聚变的特点和条件，了解核聚变的优点。
2．会判断和书写核聚变反应方程。
3．能计算核聚变释放的能量。
4．知道粒子的分类及其特点，了解夸克模型。
5．了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化。
一、核聚变1．定义：两个轻核结合成质量□01较大的核的反应。
轻核聚变反应必须在□02高温下进行，因此又叫热核反应。
2．核反应举例：21H＋31H→□0342He＋10n＋17.6 MeV。
3．实例分析(1)核武器：□04氢弹，由普通炸药引爆□05原子弹，再由□06原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
(2)宇宙天体：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。
二、受控热核反应1．聚变与裂变相比有很多优点(1)轻核聚变产能□01效率高；(2)地球上聚变燃料的储量□02丰富；(3)轻核聚变更为□03安全、清洁。
2．约束核聚变材料的方法：□04磁约束和□05惯性约束。
三、粒子的概念1．“基本粒子”不基本(1)传统的“基本粒子”：光子、□01电子、质子和□02中子。
(2)“基本粒子”不基本的原因①科学家们逐渐发现了数以百计的□03不同种类的新粒子。
②科学家们又发现质子、中子等本身也有自己的□04复杂结构。
2．发现新粒子(1)新粒子：1932年发现了□05正电子，1937年发现□06μ子，1947年发现K 介子和π介子，后来又发现超子、反粒子等。
(2)分类：按照粒子与各种相互作用的关系分为：强子、轻子和□07媒介子。
3．夸克模型(1)夸克模型的提出：1964年美国物理学家提出了强子的夸克模型，认为强子是由□08夸克构成的。
(2)分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们的电荷量分别为元电荷的□09＋23或□10－13，每种夸克都有对应的□11反夸克。
(3)意义：电子电荷不再是电荷的□12最小单元，即存在分数电荷。
四、宇宙及恒星的演化1．宇宙演化：根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，在大爆炸之后逐渐形成了夸克、轻子和□01胶子等粒子，随后经过□02强子时代、□03轻子时代、□04核合成时代。
第6节核裂变1．知道什么是核裂变。
2．知道链式反应及链式反应的条件。
3．会利用质量亏损计算核裂变产生的核能。
4．了解核反应的工作原理，知道如何控制核反应的速度。
5．了解如何防止核污染。
一、重核的裂变1．核裂变：□01较轻原子核，并放出□02核能的过程。
2．铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋□03310n。
中一种典型的反应是235923．链式反应：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。
4．链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于或等于□04临界体积或裂变物质的质量大于或等于□05临界质量。
二、核电站1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是□01核反应堆，它主要由以下几部分组成：(1)燃料：□02铀棒；(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用□03石墨、□04重水和□05普通水(也叫轻水)作慢化剂；(3)控制棒：利用镉吸收□06中子能力很强的特性，在反应堆中采用插入镉棒的方法控制链式反应的速度；(4)热交换器：利用□07水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆中的热量传输出去。
2．核辐射的屏蔽：在反应堆的外面需要修建很厚的□08水泥层；核废料需装入特制的容器，□09深埋地下。
判一判(1)只要铀块体积大于临界体积就可以发生链式反应。
()(2)核电站应用的是重核裂变获得能量。
()(3)铀核裂变的产物是唯一的。
()(4)在利用重核裂变制成的原子弹中，也需要用镉制成的控制棒。
()提示：(1)√(2)√(3)×(4)×想一想(1)铀核裂变是天然放射现象吗？提示：天然放射现象是指元素自发地放出射线的现象，而裂变是重核在其他粒子轰击下发生的核反应。
(2)中子的速度越快越容易发生铀核裂变吗？提示：不是。
中子速度不能太快，否则就会与铀核“擦肩而过”，铀核不能俘获中子，也就不能发生裂变了。
6 核裂变1．核裂变(1)核裂变的发觉：1939年德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发觉了铀核的裂变。
(2)核裂变：使重核割裂成中等质量原子的核反映叫做重核的裂变。
(3)铀核裂变的一种核反映方程235 92U ＋10n→144 56Ba ＋8936Kr ＋310n 。
(4)核裂变的条件重核的裂变只能发生在人为控制的核反映中，自然界中不会自发地产生。
如铀核的裂变要利用中子轰击才能割裂。
【例1】 235 92U 吸收一个慢中子后，割裂成136 54Xe 和9038Sr ，还放出( )A ．1个α粒子B ．3个中子C ．10个中子D ．10个质子解析：设放出的粒子的质量数为x ，电荷数为y ，核反映进程知足质量数守恒和电荷数守恒。
由题意可得⎩⎪⎨⎪⎧ 235＋1＝136＋90＋x ，92＝54＋38＋y ，解得⎩⎪⎨⎪⎧ x ＝10，y ＝0。
由此判断该核反映放出的必然是中子，且个数是10。
答案：C2．链式反映(1)概念：由重核裂变产生的中子使裂变反映一代接一代继续下去的进程，叫做核裂变的链式反映。
如图所示。
(2)临界体积要发生核反映，就必需使中子击中铀核，而核的体积很小，那么在铀块不太大的情形下，中子通过铀块时，没有碰着铀核而跑到铀块外，因此，要发生链式反映，铀块的体积必需大于某一值，能发生链式反映的铀块的最小体积叫它的临界体积。
(3)产生条件：裂变的链式反映需要必然的条件才能维持下去：①要有足够浓度的铀235；②要有足足数量的慢中子；③铀块的体积要大于临界体积。
【例2】 关于铀核的裂变，下列说法正确的是( )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2～3个中子C ．为了使裂变的链式反映容易进行，最好用浓缩铀235D ．铀块的体积对产生链式反映无影响解析：铀核受到中子的轰击会引发裂变，裂变的产物是多种多样的，具有偶然性，裂变成两块的情形较多，也可能割裂成多块，并放出2～3个中子。
第7、8节核聚变__粒子和宇宙1．两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫聚变。
2．约束核聚变材料的方法：磁约束和惯性约束。
3．粒子分为三大类，有媒介子、轻子、强子。
美国物理学家盖尔曼提出，强子是由夸克构成的。
一、核聚变1．定义两个轻核结合成质量较大的原子核的反应。
2．条件(1)轻核的距离要达到10－15_m以内。
(2)聚变可以通过高温来实现，因此又叫热核反应。
3．核反应举例(1)热核反应主要应用在核武器上，如氢弹。
(2)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)典型的核聚变：一个氘核和一个氚核的聚变，21H＋31H→42He＋10n＋γ该反应平均每个核子放出的能量比裂变反应平均每个核子放出的能量大3～4倍。
4．聚变与裂变相比有很多优点(1)轻核聚变产能效率高。
(2)地球上聚变燃料的储量丰富。
(3)轻核聚变更为安全、清洁。
5．实现核聚变的方法(1)难点：地球上没有任何容器能够经受几百万开尔文的高温。
(2)方案：科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束，环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。
二、粒子和宇宙1．“基本粒子”不基本(1)19世纪末，人们认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒。
(2)后来认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，并称为“基本粒子”。
随着科学的进一步发展，科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子、电子组成的，另外又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。
所以，从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。
2．发现新粒子与夸克模型(1)反粒子实验中发现，对应着许多粒子都存在质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反的粒子，这些粒子叫做反粒子。
例如，电子的反粒子就是正电子。
(2)粒子的分类按照粒子与各种相互作用的不同关系，可将粒子分为三大类：①强子：参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子。
第7、8节核聚变__粒子和宇宙1．两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫聚变。
2．约束核聚变材料的方法：磁约束和惯性约束。
3．粒子分为三大类，有媒介子、轻子、强子。
美国物理学家盖尔曼提出，强子是由夸克构成的。
一、核聚变1．定义两个轻核结合成质量较大的原子核的反应。
2．条件(1)轻核的距离要达到10－15_m以内。
(2)聚变可以通过高温来实现，因此又叫热核反应。
3．核反应举例(1)热核反应主要应用在核武器上，如氢弹。
(2)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)典型的核聚变：一个氘核和一个氚核的聚变，21H＋31H→42He＋10n＋γ该反应平均每个核子放出的能量比裂变反应平均每个核子放出的能量大3～4倍。
4．聚变与裂变相比有很多优点(1)轻核聚变产能效率高。
(2)地球上聚变燃料的储量丰富。
(3)轻核聚变更为安全、清洁。
5．实现核聚变的方法(1)难点：地球上没有任何容器能够经受几百万开尔文的高温。
(2)方案：科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束，环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。
二、粒子和宇宙1．“基本粒子”不基本(1)19世纪末，人们认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒。
(2)后来认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，并称为“基本粒子”。
随着科学的进一步发展，科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子、电子组成的，另外又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。
所以，从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。
2．发现新粒子与夸克模型(1)反粒子实验中发现，对应着许多粒子都存在质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反的粒子，这些粒子叫做反粒子。
例如，电子的反粒子就是正电子。
(2)粒子的分类按照粒子与各种相互作用的不同关系，可将粒子分为三大类：①强子：参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子。
第7节、第8节 核聚变 粒子和宇宙A 组：合格性水平训练1．(核聚变)发生轻核聚变的方法是() A ．用中子轰击B ．保持室温环境，增大压强C ．用γ光子照射D ．把参与反响的物质加热到几百万摄氏度以上的高温 答案 D解析 用中子轰击是核裂变反响发生的条件，故A 项错误。
根据轻核聚变发生的条件可知，发生轻核聚变的方法是把参与反响的物质加热到几百万摄氏度以上的高温，故B 、C 两项错误，D 项正确。
2．(核聚变)科学家发现在月球上含有丰富的32He(氦3)，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反响的方程式为32He ＋32He →211H ＋42He 。
如下关于32He 聚变的表述正确的答案是()A ．聚变反响不会释放能量B ．聚变反响产生了新的原子核C ．聚变反响没有质量亏损D ．目前核电站都采用32He 聚变反响发电 答案 B解析 聚变反响是轻核变为较大质量核的反响，发生质量亏损，释放能量；目前核电站采用重核裂变反响，D 错误；选项B 正确，A 、C 错误。
3．(受控热核反响)我国自行研制了可控热核反响实验装置“超导托卡马克〞。
设可控热核实验反响前氘核(21H)的质量为m 1，氚核(31H)的质量为m 2，反响后氦核(42He)的质量为m 3，中子(10n)的质量为m 4。
光速为c 。
如下说法中不正确的答案是()A ．这种装置中发生的核反响方程式是21H ＋31H →42He ＋10nB ．由核反响过程质量守恒可知m 1＋m 2＝m 3＋m 4C ．核反响放出的能量等于(m 1＋m 2－m 3－m 4)c 2D ．这种装置与我国大亚湾核电站所使用核装置的核反响原理不一样 答案 B解析 可控热核反响实验装置属于轻核聚变，所以D 正确。
核反响方程为21H ＋31H →42He ＋10n ，A 正确。
在这个过程中满足爱因斯坦质能方程，即核反响放出的能量等于(m 1＋m 2－m 3－m 4)c 2，所以C 正确。
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第6节核__裂__变重核的裂变1．裂变定义重核分裂为质量较小的核,释放出核能的反应。
2．铀核裂变用中子轰击铀核时,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235 92U＋10 n―→144， 56Ba＋错误!Kr＋3错误!n。
3．链式反应当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应.4．链式反应的条件发生裂变物质的体积大于等于临界体积或裂变物质的质量大于等于临界质量。
[辨是非](对的划“√”，错的划“×”）1．核裂变反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，同时遵循电荷数守恒。
（√)2．裂变物质的体积需要大于等于临界体积,链式反应才能顺利进行。
（√）[释疑难·对点练]1．铀核的裂变和链式反应（1）哈恩的发现：1938年12月，德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼在利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变，向核能的利用迈出了第一步。
（2）裂变的解释:①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，由于复核中核子的激烈运动,使核变成不规则的形状。
②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2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样,裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能.③能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量，一般来说,平均每个核子放出的能量约为1 MeV，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t优质煤燃烧时释放的能量。
第6节核裂变第7节核聚变第8节粒子和宇宙1.知道重核的裂变产物和链式反应发生的条件．2.知道核聚变，了解受控聚变反应．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．4.知道粒子的分类及其应用，了解夸克模型．5.了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化．一、核裂变1．核裂变：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程．2．铀核裂变：用中子轰击铀核时，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235U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n．923．链式反应：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应．4．链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量．二、核电站1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成：(1)燃料：铀棒．(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水作慢化剂．(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法调节中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．2．工作原理：核燃料裂变释放能量，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循环流动，用于发电．4．核污染的处理：在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下．三、核聚变与受控热核反应1．核聚变(1)定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应．(2)举例：21H＋31H→42He＋10n＋17.6 MeV(3)条件①轻核的距离要达到10－15 m 以内． ②需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹，需要用原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸．(5)太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.5×107 K ，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部聚变释放的核能．2．受控热核反应(1)聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高．第二：地球上聚变燃料的储量丰富．第三：轻核聚变更为安全、清洁，控制温度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理．(2)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温．(3)控制方法 ①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器． ②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用激光从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应．四、粒子和宇宙1．“基本粒子”不基本(1)直到19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是基本粒子．(2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子组成的，并发现质子、中子等本身也有复杂结构．2．发现新粒子(1)新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K 介子和π介子及以后的超子等．(2)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：强子、轻子和媒介子．3．夸克模型：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的，带电量为＋23e 或－13e . 4．宇宙的演化宇宙大爆炸――→约10－44s 后温度为1032K ，产生了夸克、轻子、胶子等粒子――→约10－6s 后温度下降到1013K 左右，强子时代→温度下降到1011K 时，轻子时代→温度下降到109K 时，核合成时代――→一万年后温度下降到104K ，混合电离态→温度下降到3 000 K 时，中性的氢原子――→继续冷却恒星和星系．5．恒星的演化：宇宙尘埃→星云团→恒星诞生→氢核聚合成氦核→氦核聚合成碳核→其他聚变过程→无聚变反应，形成白矮星或中子星或黑洞．判一判(1)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去．()(2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．()(3)核聚变时吸收能量．()(4)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大．()(5)夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单元．()(6)恒星在辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡阶段停留时间最长．()提示：(1)√(2)×(3)×(4)√(5)√(6)√做一做(多选)如图是慢中子反应堆的示意图，对于核反应堆，下列说法中正确的是()A．铀235容易吸收快中子发生裂变反应B．快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D．若要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些提示：选BC．根据铀235的特点，它更容易吸收慢中子而发生裂变，A错误；在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量从而更易让铀235吸收引起裂变反应，B正确；链式反应的剧烈程度取决于裂变释放出的中子总数，镉控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反应的快慢，即插入的深，吸收的多，反应将变慢，反之将加快，C正确，D错误．核裂变与核能的计算1．常见的裂变方程(1)23592U＋10n→13954Xe＋9538Sr＋210n(2)23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n2．链式反应发生的条件(1)铀块的体积大于临界体积．体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核．(2)有足够浓度的铀235.(3)有足够数量的慢中子．3．裂变反应的能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温．命题视角1对重核裂变的理解关于重核的裂变，以下说法正确的是()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能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能[解析]根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积．如果体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会发生．在裂变反应中核子数是不会减少的，如23592U 裂变为9038Sr和13654Xe的核反应，其核反应方程为23592U＋10n―→9038Sr＋13654Xe＋1010n，其中各粒子质量分别为m U＝235.043 9 u，m n＝1.008 67 u，m Sr＝89.907 7 u，m Xe＝135.907 2 u，质量亏损为Δm＝(m U＋m n)－(m Sr＋m Xe＋10m n)＝0.150 97 u.可见铀核裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此选项A、B、C均错．[答案] D命题视角2裂变中核能的计算现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是23592U＋10n→14360Nd＋A Z Zr＋310n＋80－1e＋ν.(1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数．(2)已知铀(U)核质量为235.043 9 u ，中子质量为1.008 7 u ，钕(Nd)核质量为142.909 8 u ，锆核质量为89.904 7 u ；又知1 u ＝1.660 6×10－27 kg ，试计算1 kg 铀235大约能产生的能量是多少？[思路点拨] 关键是计算裂变前后的质量亏损．[解析] (1)锆的电荷数Z ＝92－60＋8＝40，质量数A ＝236－146＝90；核反应方程中应用符号9040Zr 表示．(2)1 kg 铀235的铀核数为n ＝1 000235×6.02×1023≈2.56×1024个．不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应发生的质量亏损为Δm ＝m U ＋m n －m Nd －m Zr －3m n ＝0.212 u ．因此1 kg 铀235完全裂变产生的能量约为E ＝n ·Δm ×931.5 MeV ＝2.56×1024×0.212×931.5 MeV ≈5.06×1026 MeV.[答案] (1)40 90 (2)5.06×1026 MeV【通关练习】1．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块的质量无关解析：选C ．要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积，但铀块的质量无论怎样，只要组成铀块的体积小于临界体积，则不会发生链式反应，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，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，由此知A 、B 、D 错误，C 正确．2．2011年3月11日，日本发生了9.0级地震后爆发海啸，导致福岛核电站核泄露，核安全问题引起世界关注．福岛核电站属于轻水反应堆，即反应堆使用普通水作为减速剂，使快中子减速变成慢中子，便于被235 92U 俘获，发生可控制核裂变的链式反应．(1)若铀核235 92U 俘获一个慢中子，发生核裂变后产生了139 54Xe 和9438Sr ，试写出核裂变方程； (2)若快中子的减速过程可视为快中子与普通水中的11H 核发生对心正碰后减速，碰撞过程可简化为弹性碰撞．假定碰撞前11H 核静止，快中子速度为v 0＝3.2×107 m/s.求碰撞后中子的速度．(已知中子质量m n 为氢核质量m H 的1.16倍)解析：(1)235 92U ＋10n →139 54Xe ＋9438Sr ＋310n.(2)快中子与11H 核发生弹性对心正碰，由动量守恒定律得m n v 0＋0＝m n v n ＋m H v H ，由机械能守恒定律得：12m n v 20＋0＝12m n v 2n ＋12m H v 2H ，代入数据解得：v n ≈2.4×106 m/s. 答案：(1)235 92U ＋10n →139 54Xe ＋9438Sr ＋310n(2)2.4×106m/s核聚变和核能的计算1．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10－15 m ，这要克服电荷间强大的斥力作用，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，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．2．轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．3．聚变方程21H ＋31H ―→42He ＋10n ＋17.6 MeV .4．重核裂变与轻核聚变的区别命题视角1(多选)下列说法正确的是() A ．聚变反应中有质量亏损，所以必向外界放出能量B ．要使核发生聚变反应，必须使核之间的距离接近到1×10－15 m ，也就是接近到核力能够发生作用的范围内C ．要使核发生聚变反应，必须克服核力做功D ．热核反应只有在人工控制下才能发生[解析] 由质能方程可知，选项A 正确；轻核结合成质量较大的核，必须使轻核间的距离达到核力能发生作用的范围，才能使它们紧密地结合起来，选项B 正确，C 错误；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，选项D 错误．[答案] AB命题视角2 聚变中核能的计算(2017·高考全国卷乙)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电．氘核聚变反应方程是：21H ＋21H →32He ＋10n.已知21H 的质量为2.013 6 u, 32He 的质量为3.015 0 u ，10n 的质量为1.008 7 u ，1 u ＝931 MeV/c 2.氘核聚变反应中释放的核能约为( )A ．3.7 MeVB ．3.3 MeVC ．2.7 MeVD ．0.93 MeV[解析] 氘核聚变反应的质量亏损为Δm ＝2×2.013 6 u －(3.015 0 u ＋1.008 7 u)＝0.003 5 u ，释放的核能为ΔE ＝Δmc 2＝0.003 5×931 MeV/c 2×c 2≈3.3 MeV ，选项B 正确．[答案] B(1)核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据．(2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE ＝Δmc 2进行计算．【通关练习】1．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是( )A ．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B ．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大C ．聚变反应中粒子的比结合能变小D ．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加解析：选B ．在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故A 错误，B 正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，故C 、D 错误．2．两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)．已知氘核质量m D ＝2.013 6 u ，氦核质量m He ＝3.015 0 u ，中子质量m n ＝1.008 7 u.(1)写出聚变方程并算出释放的核能；(已知质量亏损1 u 释放的核能为931.5 MeV)(2)若反应前两氘核的动能均为E kD ＝0.35 MeV.它们正面对撞发生聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？解析：(1)核反应方程为21H ＋21H →10n ＋32He.该反应质量亏损Δm ＝2m D －m He －m n ＝0.003 5 u.由质能方程得释放核能ΔE ＝Δm ×931.5 MeV ＝0.003 5×931.5 MeV ≈3.26 MeV .(2)将两个氘核作为一个系统，由动量守恒有0＝m He v He －m n v n ，由于m He m n ＝31，则v He ＝13v n . 又由能量守恒有12m He v 2He ＋12m n v 2n ＝ΔE ＋2E kD。
