20162017学年高中物理第四章原子核第五节裂变和聚变检测粤教版选修35

2017 粤教版高中物理选修第四章《裂变和聚变核能利用小粒子与大宇宙》 word 学案[ 学习目标定位 ] 1.明白重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.把握核聚变的定义及发生条件 .3.会判定和书写核裂变和核聚变方程，能运算核反应开释的能量 .4.了解裂变反应堆的工作原理，了解常用裂变反应堆的类型，明白核电站工作模式．1．核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒．2．核能运算：E＝mc2.(1)若m 单位为 kg，则 E 的单位为 J；(2)若m 单位为u，则 E 的单位为MeV ，可直截了当利用E＝m×931.5 MeV 运算核能．3．重核的裂变(1)核裂变：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的较轻原子核，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 23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋ 310n.(3)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连续下去的过程，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临界体积．4．核聚变(1)定义：两个轻核结合成质量较大的核，如此的核反应叫做核聚变．轻核聚变必须在高温下进行，因此又叫热核反应．(2)能量变化：轻核聚变后，平均结合能增加，反应中会开释能量．(3)核反应举例： 21H＋31H →42He＋10n＋17.6 MeV.(4)核反应条件：必须使原子核的距离达到10－15 m 以内，为达到这么近的距离，一样需要在高温下进行．5．核能的利用利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，它要紧由以下几部分组成：(1)燃料：铀棒；(2)减速剂：铀 235 容易捕捉慢中子发生反应，采纳石墨、重水作减速剂；(3)操纵棒：利用镉吸取中子的能力专门强的特性，在反应堆中采纳插入镉棒的方法操纵链式反应的速度．(4)冷却系统：利用水或液态的金属钠等流体作为冷却剂，在反应堆内外循环流淌，把反应堆中的热量传输出去.一、核裂变和链式反应[ 咨询题设计 ](1)铀核裂变是如何发生的？(2)铀核裂变在自然界中能自发进行吗？答案(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，复核中由于核子的猛烈运动，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，如此，裂变反应一代接一代连续下去，形成链式反应．(2)重核的裂变只能发生在人为操纵的核反应中，自然界可不能自发地发生．铀核裂变可不能自发地进行，要使铀核裂变，第一要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这些中子连续与其他铀核发生反应，再引起新的裂变，如此就形成了链式反应．[ 要点提炼 ]1．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，其中两种典型的反应是 23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n；23592U＋10n→13654Xe＋9038Sr＋1 01n.2．链式反应由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代连续下去的过程，叫做核裂变的链式反应．3．链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积．(2)有足够数量的慢中子．二、裂变过程中核能的分析与运算[ 咨询题设计 ]重核裂变什么缘故能开释核能？人们获得核能的途径有哪些？通过图1讲明．图1答案中等质量的原子核的核子的平均质量较小，重核和轻核的核子的平均质量较大．如果原子序数较大的重核 A 分裂成原子序数小一些的核 B 和 C，会有质量亏损，放出庞大的核能．获得核能的要紧途径：一是重核裂变，二是轻核聚变．[ 要点提炼]铀核裂变开释核能的运算1．第一算出裂变反应中发生的质量亏损m.2．按照E＝mc2 运算开释的核能运算时要注意m 与 E 单位的对应关系：若m 用kg做单位，则E 用J 做单位；若m 用u 做单位，则 E 用MeV做单位， 1 u 相当于931.5 MeV 的能量．3．若运算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核 (设为 n)，则铀块裂变开释的核能E＝n E.三、轻核的聚变1．聚变两个轻核结合成质量较大的核，开释出核能的反应，称为核聚变．聚变反应又称为热核反应．2．聚变方程： 21H＋31H→2He4＋0n1.3．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，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，使物质达到几百万度以上的高温．4．重核裂变与轻核聚变的区不错误 !重核裂变轻核聚变重核分裂成两个或多个中等两个轻核结合成质量较大放能原理质量的原子核，放出核能的原子核，放出核能聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大放能多少3～4 倍核废料聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多处理难度一、对重核裂变的明白得及应用例 1 (单选 )关于重核的裂变，下列讲法正确的是 ( ) A．核裂变开释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．重核裂变开释出大量的能量，产生明显的质量亏损，因此核子数减少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，因此重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能解析按照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．因而其开释的能量远大于其俘获中子时吸取的能量．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，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就可不能发生．在裂变反应中核子数是可不能减少的，如 23592U 裂变为 9038Sr 和13654Xe 的核反应，其核反应方程为：23592U＋10n→38Sr90＋13654Xe＋101n查阅有关资料可得其中各粒子质量分不为mU＝235.043 9 u，mn＝1.008 67 umSr＝89.907 7 u，mXe＝ 135.907 2 u质量亏损为m＝ (mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn)＝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，核子数是可不能减少的，因此选项A、B、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，从而开释出核能．综上所述，选项 D 正确．答案D例 2用中子轰击铀核(23592U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(14156Ba)和氪 (9236Kr)两部分，放出 3 个中子．各个核和中子的质量如下：mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg；mBa＝ 234.001 6×10－27 kg，mKr ＝152.604 7×10－27 kg.试写出核反应方程，求出反应中开释的核能．解析按照反应前后质量数守恒、电荷数守恒，就能够写出核反应方程．按照核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出开释的核能．铀核裂变方程为 0n1＋23592U→14156Ba＋9236Kr＋310n，则核反应前后的质量亏损为m＝mU＋mn－mBa－mKr － 3mn＝0.357 8×10－27 kg.由爱因斯坦质能方程可得开释的核能为E＝mc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J＝3.220 2×10－11 J.答案 0n1＋23592U→ 14156Ba＋36Kr92＋ 310n 3.220 2×10－11 J 二、对轻核聚变的明白得及核能运算例 3 太阳内部连续持续地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，那个核反应开释出的大量能量确实是太阳的能源．(1)写出那个核反应方程．(2)这一核反应能开释多少能量？(3)已知太阳每秒开释的能量为3.8×1026 J ，则太阳每秒减少的质量为多少千克？(mp ＝1.007 3 u ，mHe ＝4.001 5 u ，me ＝0.000 55 u) 解析 (1)由题意可得核反应方程应为 41H →2He4＋2＋1e0.(2)反应前的质量 m1＝4mp ＝4×1.007 3 u ＝ 4.029 2 u ，反应后的质量m2＝mHe ＋2me ＝4.001 5 u ＋2×0.000 55 u ＝4.002 6 u ，m ＝m1－m2＝0.026 6 u ，由质能方程得，开释能量E ＝ mc2＝0.026 6×931.5 MeV ≈24.78 MeV.(3)由质能方程E ＝ mc2 得每秒减少的质量E×1026 m ＝ c2 ＝ 3.83×108 2 kg ＝4.2×109 kg.定义及发觉答案 (1)41H →42He ＋2＋01e (2)24.78 MeV (3)4.2×109 kg V ≥V 临链式反应的条件足够的慢中子核裂变1.裂变和聚变原子弹应用核电站核反应堆2．核能的利用定义核电站聚变发生的条件核聚变1． (双选 )关于铀核裂变，下列讲法正确的是优点()受控热核反应A ．铀核裂变的产物是多可种控多方样案的，但只能裂变成两种不同的核B ．铀核裂变时能同时开释 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 ．铀块的体积对产生链式反应无阻碍答案BC解析 铀核受到中子的冲击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情形比较多，也有的分裂成多块，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 只有俘获能量在 1 MeV 以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故 B、C 正确．2． (单选 )下列关于聚变的讲法中，不正确的是()A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B．轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此聚变又叫做热核反应C．原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，因此氢弹利用原子弹引发热核反应D．太阳和许多恒星内部都在猛烈地进行着热核反应，在地球内部也能够自发地进行答案D解析轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，因此必须克服库仑斥力做功， A 正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范畴，实验证实，原子核必须处在几百万开尔文时才有如此的能量，如此高的温度通过利用原子弹爆炸获得，故B、C 正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部可不能自发地进行，D 错误．3． (单选 )1 个铀的能量，则 1 g 纯铀235 吸取 1 个中子发生核反应时，大约放出196 MeV 235 完全发生核反应放出的能量为(NA 为阿伏加德罗常数 )()A．NA ×196 MeVB．235NA×196 MeVC．235× 196 MeVNAD.235×196 MeV答案D1解析由于 1 mol 的铀核质量为 235 g,1 g 铀 235 的物质的量为235NAmol，因此 1 g 铀 235 开释的能量 E＝235×196 MeV ，故 D 正确．4． (单选 )一个 23592U 原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为 23592U＋10n→X＋9438Sr＋210n，则下列叙述正确的是 ()A．X 原子核中含有86 个中子B．X 原子核中含有141 个核子C．因为裂变时开释能量，按照E＝mc2，因此裂变后的总质量数增加D．因为裂变时开释能量，显现质量亏损，因此生成物的总质量数减少答案A解析X 原子核中的核子数为 (235＋1)－(94＋2)＝140 个，B 错误；中子数为 140－(92－38)＝86 个， A 正确；裂变时开释能量，显现质量亏损，然而其总质量数是不变的，C、D 错误．5． (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”的讲法正确的是()A．“人造太阳”的核反应方程是21H＋31H→42He＋10nB．“人造太阳”的核反应方程是23592U＋10n→14156Ba＋9236Kr ＋310nC．按照公式 E＝mc2 可知，核燃料的质量相同时，聚变反应开释的能量比裂变反应大得多D．按照公式 E＝mc2 可知，核燃料的质量相同时，聚变反应开释的能量与裂变反应相同答案AC解析1H2＋1H3→2He4＋0n1 是氢核聚变方程，故A 项正确；按照氢核聚变特点，相同质量的核燃料，氢核聚变开释的能量比裂变反应大得多，故选项 C 正确．[ 概念规律题组 ]1． (单选 )在原子核的人工转变过程中，科学家常用中子轰击原子核，这是因为 ()A．中子的质量较小B．中子的质量较大C．中子的能量较大D．中子是电中性的答案D解析科学家常用中子轰击原子核，这是因为中子不带电，比其他带电粒子更能充分地接近原子核，故正确选项是 D.2． (单选 )下列核反应中，属于核裂变反应的是()A.105B＋10n→73Li ＋42HeB.23892U→23490Th＋42HeC.147N＋42He→178O＋1HD.23592U＋0n1→14456Ba＋36Kr89＋310n答案D解析由核裂变反应的特点知， D 正确．3． (单选 )镉棒在核反应堆中所起的作用是()A．使快中子变成慢中子B．使慢中子变成快中子C．使反应速度加快D．操纵反应速度，调剂反应速度的快慢答案D解析在核反应堆中石墨 (重水 )起变快中子为慢中子的作用．镉棒又叫操纵棒，起吸取中子、操纵反应速度、调剂功率大小的作用，故 D 正确．4． (双选 )能源是社会进展的基础，进展核能是解决能源咨询题的途径之一．下列开释核能的反应方程中，表述正确的是()A.31H＋1H2→2He4＋0n1 是核聚变反应B.31H＋1H2→2He4＋0n1 是β衰变C.23592U＋0n1→14156Ba＋36Kr89＋310n 是核裂变反应D.23592U＋0n1→14054Xe＋38Sr94＋210n 是α衰变答案AC解析 B 项为轻核聚变，β 衰变的实质为一个中子转化为一个质子后开释出一个电子，选项 B 错误；α 衰变的实质是开释氦核 (α粒子 )，而 D 项是重核裂变，并未开释α粒子，选项 D 错误，正确选项为 A 、C.A．X 是中子， k＝9B．X 是中子， k＝10C．X 是质子， k＝9D．X 是质子， k＝10答案B解析设 X 的电荷数是 Z，质量数是 A，按照核反应的关系式，由电荷数守恒得92＋0＝38＋54＋kZ 解得 kZ＝ 0，又由质量数守恒得235＋1＝90＋136＋kA 解得 kA ＝10.综合解得 k≠0，Z＝0，可知 X 是中子；A＝1，k＝10，可知选项 B 正确．6． (双选 )关于聚变，以下讲法正确的是()A．两个氘核能够聚变成一个中等质量的原子核，同时吸取能量B．同样质量的物质发生核聚变反应时放出的能量比同样质量的物质发生核裂变反应时开释的能量大得多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答案BD7． (单选 )关于轻核聚变开释核能，下列讲法正确的是()A．一次聚变反应一定比一次裂变反应开释的能量多B．聚变反应比裂变反应每个核子开释的平均能量大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，故反应后总质量变大答案B[ 方法技巧题组 ]8． (单选 )一个铀 235 吸取一个中子后发生的核反应方程是23592U＋0n1→13654Xe＋9038Sr＋101n，放出的能量为 E，铀 235 核的质量为 M ，中子的质量为 m，氙 136 核的质量为 m1，锶 90 核的质量为 m2，真空中光速为c，则开释的能量 E 等于 ()A．(M －m1－ m2)c2B．(M ＋m－m1－m2)c2C．(M －m1－ m2－9m)c2D．(m1＋m2＋9m－ M)c2答案C解析铀 235 裂变时的质量亏损： m＝M ＋m－ m1－m2－10m＝M －m1－m2－9m，由质能方程可得 E＝ mc2＝(M －9m－m1－m2)c2.9． (单选 )某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为 1H＋ 126C→137N＋Q1，1H＋157N→126C＋X＋Q2.方程中 Q1、Q2 表示开释的能量，有关的原子核质量见下表：原子134121315N核1H 2 He2He 6 C7 N7质量1.007 8 3.016 0 4.002 612.000 013.005 715.000 1/u以下推断正确的是 ()A．X 是32He，Q2＞Q1B．X 是2He4，Q2＞Q1C．X 是2He3，Q2＜Q1D．X 是2He4，Q2＜Q1答案 B解析本题考查核反应方程的书写和运算核反应开释的能量，意在考查考生的推理判定和运算能力．由核反应过程必须遵守质量数守恒和电荷数守恒知 X 是42He.放出热量分不为Q1 和 Q2 的两个核反应中质量亏损分不为0.002 1 u 和 0.0053 u，故 Q2＞Q1.10．(单选 )我国秦山核电站第三期工程中有两个 60 万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于 23592U 的裂变，现有四种讲法：①23592U 原子核中有 92 个质子， 143 个中子；②23592U 的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程为23592U ＋0n1→13954Xe＋38Sr95＋210n；③23592U 是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45 亿年，升高温度半衰期缩短；④一个 23592U 裂变能放出 200 MeV 的能量，合 3.2×10－11 J.以上讲法中完全正确的是()A．①②③ B．②③④ C．①③④ D．①②④答案 D解析由23592U 的质量数和电荷数关系易知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；通过运算知④正确，故答案为 D.11．在氢弹爆炸中发生的核聚变方程为1H2＋1H3→2He4＋0n1，已知 1H2 的质量为 2.013 6 u，1H3 的质量为 3.016 6 u，42He 的质量为 4.002 6 u，0n1的质量为 1.008 7 u，阿伏加德罗常数 NA ＝6.02×1023 mol －1，求此氢弹爆炸中合成 1 kg 的氦时所开释的能量．答案 2.65×1027 MeV解析由题意可知，当一个 21H 核与一个 31H 核发生反应合成一个 2He4核时放出的能量为E＝mc2＝0.018 9×931.5 MeV ≈17.6 MeV1000而 1 kg 氦中含有的原子数目为N＝4×6.02×1023＝1.505×1026 (个)因此合成 1 kg 氦核时所放出的总能量为E＝ N E≈2.65×1027 MeV [ 创新应用题组 ]12．一个原先静止的锂核 (63Li) 俘获一个速度为 7.7×104 m/s 的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为 1.0×103 m/s，方向与中子的运动方向相反．(1)试写出核反应方程．(2)求出氦核的速度大小．(3)若让一个氘核和一个氚核发生聚变时可产生一个氦核，同时放出一个中子，求那个核反应开释出的能量．(已知氘核质量为mD＝ 2.014 102 u，氚核质量为 mT＝3.016 050 u，氦核质量 mHe＝4.002 603 u，中子质量 mn＝1.008 665 u，1 u＝1.660 6×10－27 kg)答案(1)63Li ＋0n1→1H3＋2He4 (2)2×104 m/s (3)2.82×10－12 J解析(1)63Li ＋10n→31H＋42He(2)取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得mnv0＝－ mTv1＋mHev2mnv0＋mTv1v2＝mHe＝1×7.7×104＋3×1.0×103 m/s4＝2×104 m/s(3)核反应方程为 21H＋31H →42He＋10n质量亏损为：m＝mD＋mT－mHe－mn＝(2.014 102＋3.016 050－4.002 603－1.008 665) u＝0.018 884 u≈3.136×10－29 kg按照爱因斯坦质能方程E＝mc2＝3.136×10－29×(3×108)2 J≈2.82×10－12 J。

第五节裂变和聚变1．两个比较轻的核聚合成一个较重的核时要______能量，这种核反应称为核____________．如错误!H＋错误!H→____________＋错误!n＋17.51 MeV.比较重的核分裂成两个较轻的核时要______能量，这种核反应称为核裂变．铀核的裂变方程为错误!U＋错误!n→错误!Kr＋144Ba＋________。

562．链式反应：当一个______引发一个铀核裂变后,反应释放出的______又轰击其他原子核产生裂变，……这样的反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的______反应．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__________叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量．发生链式反应的条件：裂变物质的体积必须______________临界体积,或裂变物质的质量必须__________临界质量．3．要想发生聚变反应，必须使核间距离接近到________，采用的方法是对核加热,使其在高温下反应,因此聚变反应又叫__________．【概念规律练】知识点一重核的裂变1．关于重核的裂变，下列说法正确的是（）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的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少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2．（双选)关于铀核裂变,下列说法中正确的是( )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．铀块的体积对产生链式反应无影响知识点二轻核聚变3．（双选）下列关于聚变的说法中，正确的是（)A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B．轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此聚变又叫做热核反应C．原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹可利用原子弹引发热核反应D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着裂变反应4．现有三个核反应:①错误!Na→错误!Mg＋错误!e ②错误!U＋错误!n→错误!Ba＋错误!Kr＋3错误! nH＋错误!H→错误!He＋错误!n③2，1下列说法正确的是（）A．①是裂变，②是β衰变，③是聚变B．①是聚变,②是裂变，③是β衰变C．①是β衰变,②是裂变，③是聚变D．①是β衰变，②是聚变,③是裂变5．(双选）关于聚变，以下说法正确的是( ）A．两个轻原子核聚变为一个质量较大的原子核比一个重核分裂成两个中等质量的原子核放出的能量大很多倍B．一定质量的聚变物质聚变时放出的能量比相同质量的裂变物质裂变时释放的能量大很多倍C．聚变发生的条件是聚变物质的体积要大于临界体积D．发生聚变反应时，原子核必须有足够大的动能【方法技巧练】一、裂变产生核能的计算6．铀核裂变的许多可能的核反应中的一个是二、轻核聚变有关核能的计算方法7．太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少．太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026 J，根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近（)A．1036 kg B．1018 kgC．1013 kg D．109 kg8．两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014 1 u，氦核质量为4.002 6 u。

第五节裂变和聚变对应学生用书页码P571．两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。

2．一个核的裂变引发一个或一个以上的核发生裂变，让核裂变过程自己持续下去的核反应叫做链式反应。

3．为了使铀核裂变时放出的中子再引起其他铀核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，形成链式反应，最好是利用纯铀235；铀块的体积必须大于其临界体积。

如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，链式反应就不会发生。

4．要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，由于原子核是带正电的，就必须克服电荷间很大的斥力作用，这就要求使核具有足够的动能，就要给核力加热，使物质达到几百万度以上的高温，使轻核在互相碰撞中接近到可以发生聚变的程度。

因此这种反应又叫做热核反应。

5．如果要使巨大的热核反应能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工控制下逐渐地释出来并加以利用(例如发电)，这称为受控热核反应。

6．太阳辐射能量主要来自太阳内部的热核反应。

对应学生用书页码P57核裂变与链式反应1.核裂变(1)概念：较重的一个核分裂成两个较轻的核时，会释放出能量，这种核反应叫做核裂变。

(2)铀核裂变分析：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。

一般说来，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。

(3)铀235和铀238的比较在天然铀中，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．(双选)关于裂变反应，下列说法中正确的是( )A ．用中子轰击铀核发生裂变，其一定分裂为质量差不多的两部分B ．铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量C ．铀核发生裂变时可能分裂成二、三或四部分D ．所有重核元素用中子轰击均能发生裂变反应解析：选BC.用中子轰击U 和Pu(钚)等少数几种重核元素才能发生裂变反应，2359223994发生裂变的原子核可能分裂为二部分、三部分或四部分，但产生两部分的概率很大，由此知B 、C 正确．2．(单选)对于核反应方程 H ＋H →He ＋X ，用c 表示光速，下列说法正确的是( )213142A ．X 是质子，核反应放出的能量等于质子质量乘以c 2B ．X 是中子，核反应放出的能量等于中子质量乘以c 2C ．X 是质子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与质子的质量和，再乘以c 2D ．X 是中子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与中子的质量和，再乘以c 2解析：选D.由质量数守恒及电荷数守恒定律可得X 为n(中子)，再据质能方程可得核10反应放出的能量为反应前后质量亏损与c 2的乘积，故D 正确．3．(单选)氘与氚发生聚变反应的方程式是H ＋H →He ＋n ＋17.6 MeV ，若有2 g 氘21314210和3 g 氚全部发生聚变，N A 为阿伏加德罗常数，则释放的能量是( )A ．N A ×17.6 MeVB ．5N A ×17.6 MeVC ．2N A ×17.6 MeVD ．3N A ×17.6 MeV解析：选A.由核反应方程可知1个氘核和1个氚核聚变成氦核时放出17.6 MeV 能量和1个中子，则1mol 的氘和1 mol 氚全部聚变成1 mol 氦核时释放的能量为ΔE ＝N A ×17.6 MeV.4．(单选)下列关于聚变的说法中，不正确的是( )A ．要使聚变产生，必须克服库仑引力做功B ．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应C ．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D ．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应解析：选A.轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m ，所以必须克服库仑斥力做功，A 错误；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B 、C 正确；在太阳内部或其他恒星内部都存在着热核反应，D 正确．5．用中子轰击铀核(U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(Ba)和氪(Kr)两部分，23592141569236放出3个中子．各个核和中子的质量如下：m U ＝390.313 9×10－27 kg ，m n ＝1.674 9×10－27 kg ；m Ba ＝234.001 6×10－27 kg ，m Kr ＝152.604 7×10－27 kg.试写出核反应方程，求出反应中释放的核能．解析：根据反应前后核的质量数守恒、核电荷数守恒，就可以写出核反应方程．根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦的质能方程就可求出释放的核能．此铀核裂变方程为n ＋U →Ba ＋Kr ＋3n102359214156923610则核反应前后的质量亏损为Δm ＝m U ＋m n －m Ba －m Kr －3m n ＝0.357 8×10－27 kg.由爱因斯坦的质能方程可得释放的核能为ΔE ＝Δmc 2＝0.357 8×10－27×(2.997 9×108)2 J ＝3.215 7×10－11 J.答案：n ＋U →Ba ＋Kr ＋3n 3.215 7×10－11 J 102359214156923610。

第四章原子核第五节裂变和聚变A级抓基础1．链式反应中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是( )A．质子B．中子C．β粒子D．α粒子解析：重核裂变时放出中子，中子再轰击其他重核发生新的重核裂变，形成链式反应，B项正确．答案：B2．重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是( )A．裂变过程质量增加，聚变过程质量亏损B．裂变过程质量亏损，聚变过程质量增加C．裂变过程和聚变过程都有质量增加D．裂变过程和聚变过程都有质量亏损解析：裂变和聚变中都有核能的释放，由ΔE＝Δmc2可知均有质量亏损，故D对．答案：D3．氢弹和原子弹各是根据什么原理制造的( )A．都是根据重核裂变原理B．都是根据轻核聚变原理C．原子弹是根据轻核聚变原理，氢弹是根据重核裂变原理D．原子弹是根据重核裂变原理，氢弹是根据轻核聚变原理解析：氢弹是根据轻核聚变原理，原子弹是根据重核裂变原理，故选项D对．答案：D4．下列核反应方程，属于裂变反应的是( )A.238 92U→234 90Th＋42HeB.235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310nC.3015P→3014Si＋01eD.94Be＋42He→12 6C＋10n解析：A选项是α衰变，B选项是裂变反应，C选项是放射性元素的衰变，D选项是查德威克发现中子的人工转变方程，故B正确，A、C、D错．答案：B5．(多选)关于核反应的类型，下列表述正确的有( )A.238 92U →234 90Th ＋42He 是α衰变B.14 7N ＋42H e →17 8O ＋11H 是β衰变C.21H ＋31H →42He ＋10n 是轻核聚变D.8234Se →8236Kr ＋2 0－1e 是重核裂变解析：选项A 是α衰变，选项B 是原子核的人工转变，选项C 是核聚变，选项D 是β衰变，选项A 、C 正确．答案：ACB 级 提能力6．(多选)我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应有：(1)235 92U ＋10n →9038Sr ＋136 54Xe ＋k 10n(2)21H ＋31H →42He ＋d 10n关于这两个方程的下列说法，正确的是( )A ．方程(1)属于α衰变B ．方程(2)属于轻核聚变C ．方程(1)中k ＝10，方程(2)中d ＝1D ．方程(1)中k ＝6，方程(2)中d ＝1解析：方程(1)应属于重核裂变而不是α衰变，选项A 错误；方程(2)为轻核聚变，选项B 正确；核反应前后质量数守恒、核电荷数守恒，方程(1)中：235＋1＝90＋136＋k ×1，解得k ＝10，方程(2)中：2＋3＝4＋d ×1，解得d ＝1，选项C 正确，D 错误．答案：BC7．(多选)据新华社报道，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( )A ．“人造太阳”的核反应方程是21H ＋31H →42He ＋10nB ．“人造太阳”的核反应方程是235 92U ＋10n →141 56Ba ＋9236Kr ＋310nC ．根据公式E ＝mc 2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D ．根据公式E ＝mc 2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同 解析：21H ＋31H →42He ＋10n 是氢核聚变方程，故A 项正确；根据氢核聚变特点，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故C 项正确．答案：AC8．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为11H ＋12 6C →13 7N ＋Q 1，11H ＋15 7N →126C ＋X ＋Q 2 方程中Q 1、Q 2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：原子核 11H 32He 42He 12 6C 13 7N 15 7N 质量/u 1.007 8 3.016 0 4.002 6 12.000 0 13.005 7 15.000 1 以下推断正确的是( )A ．X 是32He ，Q 2>Q 1B ．X 是42He ，Q 2>Q 1 C ．X 是32He ，Q 2<Q 1 D ．X 是42He ，Q 2<Q 1 解析：根据核反应中质量数与电荷数守恒容易求得新核X 的质量数为4、电荷数为2，即X 是42He ；根据表中提供的数据，可以求得第2个核反应的质量亏损大，根据爱因斯坦质能方程必然有Q 1<Q 2.答案：B9．一个原来静止的锂核(63Li)俘获一个速度为7.7×104 m/s 的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103 m/s ，方向与中子的运动方向相反．(1)试写出核反应方程；(2)求出氦核的速度大小；(3)若让一个氘核和一个氚核发生聚变时可产生一个氦核，同时放出一个中子，求这个核反应释放出的能量(已知氘核质量为m D ＝2.014 102 u ，氚核质量为m T ＝3.016 050 u ，氦核质量m He ＝4.002 603 u ，中子质量m n ＝1.008 665 u ，1 u ＝1.660 6×10－27 kg)．解析：(1)63Li ＋10n →31H ＋42He.(2)取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得 m n v 0＝－m T v 1＋m He v 2，v 2＝m n v 0＋m T v 1m He ＝1×7.7×104＋3×1.0×1034m/s ＝ 2×104 m/s.(3)质量亏损为Δm ＝m D ＋m T －m He －m n ＝(2.014 102＋3.016 050－4.002 603－1.008 665) u ＝0.018 884 u≈3.136×10－29 kg根据爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2＝3.136×10－29×(3×108)2 J ≈2.82×10－12 J. 答案：(1)63Li ＋10n →31H ＋42He (2)2×104 m/s(3)2.82×10－12 J。

第五节裂变和聚变[学习目标] 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义及发生条件.3.会计算裂变、聚变所释放的能量．一、核裂变和链式反应[导学探究] 如图1为铀核裂变示意图．图1(1)铀核裂变是如何发生的？(2)铀核裂变在自然界中能自发进行吗？答案(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，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应．(2)重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自发地发生，故铀核裂变不会自发地进行．要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这些中子继续与其他铀核发生反应，再引起新的裂变，这样就形成了链式反应．[知识梳理] 对核裂变和链式反应的理解1．核裂变重核被中子轰击后分裂成两个较轻的核，并放出能量的过程．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235 92U＋10n→144 56 Ba＋8936Kr＋310n.3．链式反应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(1)铀块的体积大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量． (2)有足够数量的慢中子．[即学即用] 判断下列说法的正误．(1)铀核的裂变是一种天然放射现象．( × )(2)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．( √ ) (3)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．( × )(4)铀核裂变的产物是钡和氪，且固定不变，同时放出三个中子．( × ) 二、受控热核反应 1．聚变两个轻核结合成质量较大的核，释放出能量的反应，称为核聚变，聚变反应又称为热核反应． 2．聚变方程21H ＋31H ―→42He ＋10n ＋17.6 MeV.3．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10－15m ，这要克服电荷间巨大的库仑斥力作用，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，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万度以上的高温． [即学即用] 判断下列说法的正误． (1)核聚变时吸收能量．( × )(2)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．( √ ) (3)轻核聚变比裂变更完全、清洁．( √ )(4)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度．( √ )一、核裂变与其释放核能的计算 1．常见的裂变方程(1)23592U ＋10n ―→13954Xe ＋9538Sr ＋210n (2)23592U ＋10n ―→14456Ba ＋8936Kr ＋310n 2．链式反应发生的条件(1)铀块的体积大于或等于临界体积．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化学能，裂变时能产生几百万度以上的高温．4．铀的同位素中铀235比铀238更容易发生链式反应．例1关于重核的裂变，下列说法正确的是( )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的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少D．重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能答案 D解析核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A错误，D正确；发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于或等于临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B错误；重核裂变时，核子数守恒，C错误．重核裂变的实质1．重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多中子的过程．2．重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的平均结合能比中等质量的核的平均结合能要小．所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量．例2用中子轰击铀核(235 92U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(141 56Ba)和氪(9236Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：m U＝390.313 9×10－27 kg，m n＝1.674 9×10－27 kg；m Ba＝234.001 6×10－27 kg，m Kr＝152.604 7×10－27 kg.试写出核反应方程，求出反应中释放的核能．答案10n＋235 92U―→141 56Ba＋9236Kr＋310n 3.220 2×10－11 J解析根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒，就可以写出核反应方程．根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能．铀核裂变方程为10n＋235 92U―→141 56Ba＋9236Kr＋310n，则核反应前后的质量亏损为Δm＝m U＋m n－m Ba－m Kr－3m n＝3.578×10－28 kg，由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为ΔE＝Δmc2＝3.578×10－28×(3×108)2 J＝3.220 2×10－11 J.二、聚变及释放核能的计算 1．核聚变的特点(1)轻核聚变是放能反应：从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．(2)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)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)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． 2．核聚变的应用(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸． (2)可控热核反应：目前处于探索阶段． 3．重核裂变与轻核聚变的区别重核裂变轻核聚变放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多原料的蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富.1 L 水中大约有0.03 g 氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L 汽油释放的能量相当可控性 速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它213142式中x 是某种粒子．已知：21H 、31H 、42He 和粒子x 的质量分别为2.014 1 u 、3.016 1 u 、4.002 6 u 和1.008 7 u ；1 u ＝931.5 MeV c2，c 是真空中的光速．由上述反应方程和数据可知，粒子x 是________，该反应释放出的能量为________ MeV(结果保留3位有效数字)．答案 10n(或中子) 17.6解析 根据质量数和电荷数守恒可得x 是10n(中子)．核反应中的质量亏损为Δm ＝2.014 1 u ＋3.016 1 u －4.002 6 u －1.008 7 u ＝0.018 9 u 所以该反应释放出的能量为ΔE ＝Δm ·c 2≈17.6 MeV.针对训练(多选)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( )A．“人造太阳”的核反应方程是21H＋31H→42He＋10nB．“人造太阳”的核反应方程是235 92U＋10n→141 56Ba＋9236Kr＋310nC．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同答案AC解析21H＋31H→42He＋10n是轻核聚变方程，故A项正确；根据轻核聚变特点，相同质量的核燃料，轻核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确．1．一个235 92U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应的裂变方程为235 92U＋10n→X＋9438Sr＋210n，则下列叙述正确的是( )A．X原子核中含有86个中子B．X原子核中含有141个核子C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，所以裂变后的总质量数增加D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少答案 A解析X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140个，B错误；中子数为140－(92－38)＝86个，A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D错误．2．(多选)下列关于聚变的说法中，正确的是( )A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B．轻核聚变需要几百万度以上的高温，因此聚变又叫做热核反应C．原子弹爆炸能产生几百万度以上的高温，所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应D．太阳和许多恒星内部都在进行着剧烈的热核反应，在地球内部也可自发地进行答案ABC解析轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，故必须克服库仑斥力做功，A正确；要克服核子间作用力做功，必须使反应的原子核有足够大的动能，方法就是将其加热到几百万度以上的高温，B正确；热核反应必须在几百万度以上的高温下进行，这样高的温度可利用原子弹爆炸释放的能量获得，C正确；在太阳和许多恒星内部都存在热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错．3．一个铀235吸收一个中子后发生的一种核反应方程是235 92U ＋10n→136 54Xe ＋9038Sr ＋1010n ，放出的能量为E ，铀235核的质量为M ，中子的质量为m ，氙136核的质量为m 1，锶90核的质量为m 2，真空中光速为c ，则释放的能量E 等于( )A ．(M －m 1－m 2)c 2B ．(M ＋m －m 1－m 2)c 2C ．(M －m 1－m 2－9m )c 2D ．(m 1＋m 2＋9m －M )c 2 答案 C解析 铀235裂变时的质量亏损Δm ＝M ＋m －m 1－m 2－10m ＝M －m 1－m 2－9m ，由质能方程可得E ＝Δmc 2＝(M －m 1－m 2－9m )c 2.4．太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源．(已知质子质量为m H ＝1.007 3 u ，氦核质量为m He ＝4.001 5 u ，正电子质量为m e ＝0.000 55 u ，结果保留两位小数，1 u 相当于931.5 MeV的能量)(1)写出这个核反应方程； (2)这一核反应能释放多少能量？(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026J ，则太阳每秒减少的质量为多少千克？ 答案 (1)411H→42He ＋2 0＋1e (2)24.78 MeV (3)4.22×109 kg解析 (1)由题意可得核反应方程为 411H→42He ＋2 0＋1e.(2)反应前的质量m 1＝4m H ＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u ，反应后的质量m 2＝m He ＋2m e ＝4.001 5 u ＋2×0.000 55 u＝4．002 6 u ，Δm ＝m 1－m 2＝0.026 6 u ，由质能方程得，释放能量ΔE ＝Δmc 2＝0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV.(3)由质能方程ΔE ′＝Δm ′c 2得太阳每秒减少的质量 Δm ′＝ΔE ′c 2＝3.8×1026(3×108)2 kg≈4.22×109 kg.一、选择题(1～6题为单选题，7题为多选题)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的质量无关答案 C解析要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量，只要组成铀块的体积小于临界体积或质量小于临界质量就不会产生链式反应，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，若超过临界体积时则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确．2．在众多的裂变反应中，有一种反应方程为235 92U＋10n→141 56Ba＋9236Kr＋a X，其中X为某种粒子，a 为X的个数，则( )A．X为中子，a＝2 B．X为中子，a＝3C．X为质子，a＝2 D．X为质子，a＝3答案 B解析根据核电荷数守恒可知，X的电荷数为0，X必为中子10n，由质量数守恒可知，a＝3，选项B正确．3．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应方程为32He＋32He―→211H＋42He，关于32He聚变下列表述正确的是( ) A．聚变反应不会释放能量B．聚变反应产生了新的原子核C．聚变反应没有质量亏损D．目前核电站都采用32He聚变反应发电答案 B解析核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，这是人类利用核能的途径之一；目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电．4．1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线．下列关于这个实验的说法中正确的是( )A．这个实验的核反应方程是235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋10nB．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和C．这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算D实验中产生的γ射线穿透能力极强答案 D解析根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310 n，选项A不正确；铀核裂变过程中产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量可根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B、C不正确；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项D正确．5．我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英名称：EAST，俗称“人造太阳”)．设可控热核实验反应前氘核(21H)的质量为m1，氚核(31H)的质量为m2，反应后氦核(42He)的质量为m3，中子(10n)的质量为m4，光速为c，下列说法正确的是( )A．这种装置中发生的核反应方程式是21H＋31H―→42He＋10nB．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4C．核反应放出的能量等于(m1－m2－m3－m4)c2D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同答案 A解析核反应方程为21H＋31H―→42He＋10n，选项A正确；反应过程中向外释放能量，故质量有亏损，且释放的能量ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，选项B、C错误；可控热核反应为核聚变，大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变，选项D错误．6．我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于235 92U的裂变，现有四种说法：①235 92U原子核中有92个质子，143个中子；②235 92U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程为235 92U＋10n→139 54Xe＋9538Sr＋210n；③235 92U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45 亿年，升高温度半衰期缩短；④一个235 92U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×10－11 J.以上说法中完全正确的是( )A．①②③ B．②③④C．①③④ D．①②④答案 D解析由235 92U的质量数和电荷数关系知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；通过计算知④正确，故答案为D.7．关于轻核聚变，下列说法正确的是( )A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时要吸收能量B．物质发生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很多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答案BD解析根据平均结合能图线可知，聚变后平均结合能增加，因此聚变反应中会释放能量，故A错误；聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变反应中每个核子放出的能量大3～4倍，故B正确；裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积，而聚变反应时，要使轻核之间的距离达到10－15m 以内，这需要原子核有很大的动能才可以实现聚变反应，故C 错误，D 正确．二、非选择题8．现有的核电站常用的核反应之一是：23592U ＋10n ―→143 60Nd ＋Zr ＋310n ＋8 0－1e ＋ν(1)核反应方程中的ν是反中微子，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)已知铀核的质量为235.043 9 u ，中子的质量为1.008 7 u ，钕(Nd)核的质量为142.909 8 u ，锆核的质量为89.904 7 u ，1 u ＝1.660 6×10－27kg,1 u 相当于931.5 MeV 的能量．试计算1 kg 铀235裂变释放的能量为多少？ 答案 (1)40 90 (2)8.1×1013J解析 (1)锆的电荷数Z ＝92－60＋8＝40，质量数A ＝236－146＝90. (2)1 kg 铀235中铀核的个数为n ＝1235.043 9×1.660 6×10－27≈2.56×1024(个)．不考虑核反应中生成的电子质量，1个铀235核裂变产生的质量亏损为Δm ＝0.212 u ， 释放的能量为ΔE ＝0.212×931.5 MeV≈197.5 MeV， 则1 kg 铀235完全裂变释放的能量为E ＝n ΔE ＝2.56×1024×197.5 MeV≈8.1×1013 J.。

裂变和聚变(建议用时：45分钟)[学业达标]1．当一个重核裂变时，它能产生的两个核( )A．一定是稳定的B．含有的中子数较裂变前重核的中子数少C．裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量D．可以是多种形式的两个核的组合E．含有的质子数与裂变前重核的质子数相等【解析】重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出2个或3个中子，裂变释放的能量比俘获中子的能量大，C错误．质子数不变，中子数会减少，故B、E正确．重核裂变的产物是多种多样的，故A错误，D正确．【答案】BDE2．在下列四个方程中，X1、X2、X3、X4各代表某种粒子，判断正确的是( )①235 92U＋10n→9538Sr＋138 54Xe＋3X1②21H＋X2→32He＋10n③238 92U→234 90Th＋X3④2412Mg＋42He→2713Al＋X4A．X1是中子B．X2是质子C．X3是α粒子D．X4是氚核E．X4是质子【解析】根据电荷数和质量数守恒可得X1的电荷数为0，质量数为1，因此确定X1为中子，A对；根据电荷数和质量数守恒可得X2的电荷数为1，质量数为2，因此确定X2为氘核，B错；根据电荷数和质量数守恒可得X3的电荷数为2，质量数为4，因此确定X3为α粒子，C对；根据电荷数和质量数守恒可得X4的电荷数为1，质量数为1，因此确定X4为质子，D错E正确．【答案】ACE3．关于铀核裂变，下列说法正确的是( )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，最好用铀235而不用铀238D．铀块的体积对产生链式反应无影响E．要产生链式反应，应使铀块的体积达到或超过临界体积【解析】铀核受到中子的轰击，会引起裂变，放出2～3个中子，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性，只是裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，A错误，B正确．铀235受慢中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小，C正确．而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故D错误E正确．【答案】BCE4．重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是( )A．裂变过程质量增加B．裂变过程质量亏损C．裂变过程和聚变过程都有质量增加D．聚变过程有质量亏损E．两种核反应都释放出巨大的能量【解析】重核裂变和轻核聚变都能释放巨大的能量，由爱因斯坦质能方程知两过程均会有质量亏损．【答案】BDE5．关于核聚变，以下说法正确的是( )A．与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁B．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站C．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15 m以内，核力才能起作用D．地球聚变燃料的储量十分丰富，从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘核E．核聚变比核裂变更易控制【解析】与裂变相比，核聚变有下面的几个优势：(1)安全、清洁、辐射少；(2)核燃料储量多；(3)核废料易处理．但核聚变不易控制其发电还没有投入实际运行，所以B、E 项是不正确的．【答案】ACD6．一个原子核235 92U在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为235 92U＋10n→X ＋9438Sr＋210n，则下列叙述正确的是( )A．X原子核中含有140个核子B．X原子核中含有86个中子C．因为裂变时释放能量，所以裂变后粒子的总质量数增加D．因为裂变时释放能量，所以裂变后粒子的总质量数减少E．因为裂变时释放能量，所以裂变过程一定有质量亏损【解析】由核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知：X原子核中含有92－38＝54个质子，235＋1－94－2－54＝86个中子.86＋54＝140个核子；故A正确，B正确；据爱因斯坦的质能方程可知，质量亏损时释放能量不是质量变成了能量，而是亏损的质量以能量的形式释放，但质量数依然守恒，故C、D错误，E正确．【答案】ABE7．1个铀235核吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量是多少？【导学号：78220058】【解析】 1 g纯铀235有1235×N A个铀235核．因此1 g纯铀235吸收中子完全发生核反应可以释放出N A235×196 MeV能量＝5.0×1023 MeV.【答案】 5.0×1023 MeV[能力提升]8．1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线．下列关于这个实验的说法中正确的是( )A．这个实验的核反应方程是235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310nB．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和C．这个反应中释放出的能量可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算D．实验中产生的γ射线，其穿透能力极强E．实验中产生的γ射线的频率很高【解析】根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：235 92U＋10n→144 56Ba ＋8936Kr＋310n，选项A正确；铀核裂变过程中，产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B、C不正确；核反应中产生的γ射线频率很高，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项D、E正确．【答案】ADE9．(2015·江苏高考)核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，235 92U是核电站常用的核燃料.235 92U受一个中子轰击后裂变成144 56Ba和8936Kr两部分，并产生________个中子．要使链式反应发生，裂变物质的体积要________(选填“大于”或“小于”)它的临界体积．【解析】核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒，且该核反应方程为：235 92U＋10n―→144 56 Ba＋8936Kr＋310n，即产生3个中子．临界体积是发生链式反应的最小体积，要使链式反应发生，裂变物质的体积要大于它的临界体积．【答案】 3 大于10．已知235 92U(质量为235.043 9 u)裂变后生成141 56Ba(质量为140.913 9 u)和9236Kr(质量为91.897 3 u)，同时放出3个中子(每个中子质量为1.008 7 u)，则1 kg铀全部裂变所放出的能量相当于多少千克优质煤完全燃烧时放出的能量？(1 kg优质煤完全燃烧时产生3.36×107 J的热量)【导学号：78220059】【解析】 核反应方程为235 92U ＋10n→141 56Ba ＋9236Kr ＋310n质量亏损为Δm ＝(m U ＋m n )－(m Ba ＋m Kr ＋3m n )＝(235.043 9＋1.008 7)u －(140.913 9＋91.897 3＋3×1.008 7)u＝0.215 3 u.释放的核能为ΔE ＝Δmc 2＝0.215 3×931.5 MeV≈200 MeV， 已知235 g 铀有6.02×1023个铀核，那么1 kg 铀内大约有10.235×6.02×1023＝2.56×1024个铀核，由此可知1 kg 铀全部裂变放出的能量为ΔE ＝2.56×1024×200 MeV＝5.12×1026MeV ＝5.12×1032eV ＝8.2×1013J ，则相当于优质煤的质量为M ＝8.2×10133.36×107 kg ＝2.44×106 kg.【答案】 2.44×106kg11．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 ．两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成32He 并放出一个中子，释放的核能全部转化为机械能．(质量亏损为1 u 时，释放的能量为931.5 MeV.除了计算质量亏损外，32He 的质量可以认为是中子的3倍)(1)写出该核反应的反应方程式． (2)该核反应释放的核能是多少？(3)若测得反应后生成中子的动能是3.12 MeV ，则反应前每个氘核的动能是多少MeV?【导学号：78220060】【解析】 (1)核反应方程为：21H ＋21H→32He ＋10n(2)质量亏损为：Δm ＝2.013 6×2 u－(3.015 0 u ＋1.008 7 u)＝0.003 5 u ，释放的核能为：ΔE ＝Δmc 2＝0.003 5×931.5 MeV＝3.26 MeV(3)设中子和32He 核的质量分别为m 1、m 2，速度分别为v 1、v 2.反应前每个氘核的动能是E 0，反应后中子和32He 核动能分别为E 1、E 2，根据动量守恒定律，得m 1v 1－m 2v 2＝0，E 1E 2＝p 22m 1∶p 22m 2＝m 2m 1＝3，E 2＝E 13＝1.04 MeV 由能量的转化和守恒定律，得E 1＋E 2＝2E 0＋ΔE ，E 0＝0.45 MeV.【答案】 (1)21H ＋21H→32He ＋10n (2)3.26 MeV (3)0.45 MeV。

1 第五节 裂变和聚变
情景导入
1945年，在美国研制原子弹工作的最后阶段，由一年轻的加拿大物理学家斯洛廷承担投掷装置和引爆机构的试验，那时没有机械手，没有代替人作业的机器人，一切都靠物理学家双手操作，斯洛廷需用两把螺丝刀在导轨上拨弄两块半球铀块，这工作十分危险，无异于“虎口拔牙”.1946年5月，斯洛廷到比基尼岛参加第二次水下原子弹爆炸试验，他再次拿螺丝刀调整爆炸装置时，不料失手，螺丝刀滑掉了，两个半球形铀块很快就要滑到一起，眼看着一场灾难性的核爆炸事故马上就要发生.在这千钧一发之际，斯洛廷以惊人的镇定和大无畏的勇气，用双手掰开即将达到临界状态的铀块.一场核灾难避免了，可是斯洛廷已受到致命的核辐射，9天后献出了他年轻的生命.
问题：为什么斯洛廷用手掰开铀块，就避免了一场灾难？
简答：铀238要发生链式反应必须达到一定的体积，掰开铀块使其体积小于临界体积，而不能发生链式反应，也就不能产生巨大的能量.
知识预览
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⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧撞达到聚变的程度使核子碰而引起的热运动核子的温度较高受控热核反应核子间距非常小聚变的条件轻核的聚变个或一个以上的核裂变一核发生裂变引发另一链式反应积发生链式反应的最小体临界体积重核的裂变核反应,,::::。