《核裂变与核聚变》-完整版

3、核反应的能量来源分析：
爱因斯坦的相对论指出,物体的能量荷质量 之间存在着密切的联系.
4、质能方程： E＝mc2 ΔE＝Δmc2
一.利用核能的途径
要质量有亏损，是利用核能的先决条件。 核反应前物质的核子数和反应后的核子数相等。
要实现“反应后的质量＜反应前的质量”，如果 我们引进“核子平均质量”，则核反应前核子平均 质量比反应后的核子平均质量较大。
人 教 版 高 二 物理选 修3-5第 十九章 19.6_ 7核裂变 与核聚 变（共 19张P PT）
三、轻核聚变
某些轻核结合成质量较大的核的核反应过 程，同时放出大量的核能。
例： 1 3H1 2H 4 2H1 e 0n1.6 7Me
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例1、已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u
3 He 核的质量为3.0150u。求：
2
（1）写出两个氘核聚变成
3 He
2
的核反应方程式
（2）计算上述核反应中释放的核能。
【分析】算出核反应中的质量亏损，利用爱因斯坦质能方 程即可求出反应释放的核能。
解答： （1）
1 2H1 2H 2 3H0 e 1n
56 36
0
n
? U→B+a 2 3 5 1 4 1 9
92
56 3
K 62 r
人 教 版 高 二 物理选 修3-5第 十九章 19.6_ 7核裂变 与核聚 变（共 19张P PT）
人 教 版 高 二 物理选 修3-5第 十九章 19.6_ 7核裂变 与核聚 变（共 19张P PT）
由裂变重核裂变产生的中子使反应一代接一代 继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应．

新知探究
知识点 3 核聚变
4．优点 核聚变产能效率高，燃料的储量丰富，更为安全、清洁。 5．实现困难 核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。 为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束
课堂训练
1.我国新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”（又被称
为“人造太阳”）将在2020年投入运行，其所发生的可控核聚变
课堂训练
解析：A．根据质量数和电荷数守恒可知，X是中子，A错误；
B．大亚湾核电站是利用重核裂变来发电，B错误；
C．根据质能方程，该核反应所释放的核能为E m1 m2 m3 m4 c2
C正确；
D．比结合能大的原子核更稳，一个氘核与一个氚核结合成一
个核时，释放能量，则
4 2
He更稳定，比结合能更大，核子数守恒，
新知探究
知识点 2 反应堆与核电站
1.核反应堆：通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应
堆．
控制棒——镉棒
燃料棒—铀棒 减速剂
新知探究
知识点 2 反应堆与核电站
2.反应堆工作原理 (1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，铀棒是燃料，由天然铀或浓 缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)为慢化剂，使反应生 成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在 铀棒周围．
4．链式反应的条件 (1)铀块的体积大于临界体积． (2)铀块的质量大于临界质量． 以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足．
名师指点
铀核的裂变和裂变方程 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式。 (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，裂变就会不断进行下去，释放出越来越 多的核能。

核裂变和核聚变是两种相反的核反应过程。核裂变，又称核分裂，是指由重的原子核，主要是指铀核或钚核，分裂成两个或多个质量较小的原子的一于核裂变。其中，铀裂变在核电厂最常见，热中子轰击铀-235原子后会放出2到4个中子以及X射线，并产生两个带正电且质量相近的重核，也就是裂变产物。核聚变则是指在非常苛刻的高温高压条件下，两个或多个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。太阳的能量来源就是核聚变，又称热核聚变。在太阳内部，氢原子在极高的温度约1000万℃和极高的压强下聚变成氦核，同时释放出巨大的能量。

• 莉泽· 迈特纳（Lise Meitner）和奥多· 哈恩（Otto Hahn）同为 德国柏林威廉皇帝研究所（Kaiser Wilhelm Institute）的研究员。 作为放射性元素研究的一部分，迈特纳和哈恩曾经奋斗多年创造比 铀重的原子（超铀原子）。用游离质子轰击铀原子，一些质子会撞 击到铀原子核，并粘在上面，从而产生比铀重的元素。这一点看起 来显而易见，却一直没能成功。 • 他们用其他重金属测试了自己的方法，每次的反应都不出所 料，一切都按莉泽的物理方程式所描述的发生了。可是一到铀，这 种人们所知的最重的元素，就行不通了。整个20世纪30年代，没人 能解释为什么用铀做的实验总是失败。 • 从物理学上讲，比铀重的原子不可能存在是没有道理的。但 是，100多次的试验，没有一次成功。显然，实验过程中发生了他 们没有意识到的事情。他们需要新的实验来说明游离的质子轰击铀 原子核时究竟发生了什么。 • 最后，奥多想到了一个办法：用非放射性的钡作标记，不断 地探测和测量放射性的镭的存在。如果铀衰变为镭，钡就会探测到。 • 他们先进行前期实验，确定在铀存在的条件下钡对放射性镭 的反应，还重新测量了镭的确切衰变速度和衰变模式。这花了他们 三个月的时间。
• 裂变释放能量是因为原子核中质量－能量的储存方式以铁及相关元素(见核合成)的核 的形态最为有效。从最重的元素一直到铁，能量储存效率基本上是连续变化的，所以， 重核能够分裂为较轻核(到铁为止)的任何过程在能量关系上都是有利的。如果较重元素的 核能够分裂并形成较轻的核，就会有能量释放出来。然而，很多这类重元素的核一旦在 恒星内部形成，即使在形成时要求输入能量(取自超新星爆发)，它们却是很稳定的。不稳 定的重核，比如铀-235的核，可以自发裂变。快速运动的中子撞击不稳定核时，也能触 发裂变。由于裂变本身释放分裂的核内中子，所以如果将足够数量的放射性物质(如铀235)堆在一起，那么一个核的自发裂变将触发近旁两个或更多核的裂变，其中每一个至 少又触发另外两个核的裂变，依此类推而发生所谓的链式反应。这就是称之为原子弹(实 际上是核弹)和用于发电的核反应堆(通过受控的缓慢方式)的能量释放过程。对于核弹， 链式反应是失控的爆炸，因为每个核的裂变引起另外好几个核的裂变。对于核反应堆， 反应进行的速率用插入铀(或其他放射性物质)堆的可吸收部分中子的物质来控制，使得平 均起来每个核的裂变正好引发另外一个核的裂变。 • 核裂变所释放的高能量中子移动速度极高(快中子)，因此必须通过减速，以增加 其撞击原子的机会，同时引发更多核裂变。一般商用核反应堆多使用慢化剂将高能量中 子速度减慢，变成低能量的中子(热中子) 。商营核反应堆普遍采用普通水、石墨和较昂 贵的重水作为慢化剂。 • 核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化。只有一些质量非常大的原子核像 铀、钍等才能发生核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多 个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着 发生核裂变……，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。原子核在发生核裂变 时，释放出巨大的能量称为原子核能，俗称原子能。1克铀235完全发生核裂变后放出的 能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量。比原子弹威力更大的核武器是氢弹，就是利用核 聚变来发挥作用的。核聚变的过程与核裂变相反，是几个原子核聚合成一个原子核的过 程。只有较轻的原子核才能发生核聚变，比如氢的同位素氘、氚等。核聚变也会放出巨 大的能量，而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程，它的 光和热就是由核聚变产生的。

复习: 1、完成下列的核反应方程式：
U 235
92
10
n
138 56
Ba
95 36
Kr
(
310 n
)
2 1
H
12
H
10
n(
3 2
He
)
226 88
Ra
222 86
Rn (
4 2
He
)
2、核反应遵循的基本规律： 质量数和电荷数都守恒
3、核反应的能量来源分析：
爱因斯坦的相对论指出,物体的能量荷质量 之间存在着密切的联系.
17.6 = 3.52MeV却是铀裂变（
23
201 235 1 = 0.852MeV）的约4倍。
1、轻核聚变的条件：
核子要距 离十分近
加热 高温
几百万度 高温
热核反应
条件、应用
➢使轻核发生聚变，必须使它们的距离十分接近，达 到10-15m的距离。 ➢为了克服巨大的库仑力，需要使原子核有极大的动 能。 ➢一般的办法是把它们加热到很高的温度。通常需要 几百万度以上的高温。
4、质能方程： ΔE＝Δmc2
一.利用核能的途径
要质量有亏损，是利用核能的先决条件。 核反应前物质的核子数和反应后的核子数相等。
要实现“反应后的质量＜反应前的质量”，如果 我们引进“核子平均质量”，则核反应前核子平均 质量比反应后的核子平均质量较大。
1938年，德国物理学家哈恩和助手斯特拉斯曼发现用
原子弹： 不可控的核反应
原子弹爆炸时的蘑菇云 “小男孩”（前）和“胖子”
三、轻核聚变
某些轻核结合成质量较大的核的核反应过 程，同时放出大量的核能。
例：
3 1
H

由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完
成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，
使它们“挤”在一起发生反应。
惯性约束示意图
判一判
(1)只要铀块的体积大于临界体积，就可以发生链式反应。
( × )
(2)中子从铀块中通过时，一定发生链式反应。
( × )
(3)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
1个U235发生裂变亏损质量：
Δm = (mu+ mn) - (mBa+mKr+3mn)= 0.3578×10－27kg
1个U235发生裂变释放的能量：ΔE= ∆ = ∆ × . =200.55MeV
1kg铀中含有的铀核数为：
N
1000
1000
NA
6.02 10 23 2.562 10 24
核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器深埋地下。
核电站
原子核的链式反应可以在人工控制下进行，使核能较平缓地释放出来，
这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务。
小试牛刀
【例题】(多选)关于核反应堆,下列说法正确的是(
A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能
B.镉棒的作用是控制反应堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
这种反应叫核裂变的链式反应。
铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。原
子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块
不够大，中子在铀块中通过时，就有可能不到铀核而
跑到铀核外面去，链式反应不能继续。只有当铀核足
够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，
使链式反应进行下去。
（2）临界体积和临界质量：使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做

当堂检测
铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的
是( C )
A.铀块的质量是重要因素，与体积无关 B.为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时 产生的快中子 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.裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关
答案 C 解析 要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于临界体 积或临界质量，故选项A、D错误，C正确；铀235俘获慢 中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的几率小， 故选项B错误。
原子弹
图5.4-3是“内爆式”原子弹结构图。 核燃料一般被分成若干块放置，每块的体积 都小于临界体积。它的外部安放化学炸药， 引爆时利用化学炸药爆炸的冲击波将核燃料 压缩至高密度的超临界状态，聚心冲击波同 时压缩放在核燃料球心的中子源，使它释放 中子，引起核燃料的链式反应。其中，中子 源的四周用铀238做成中子反射层，使逸出 燃料区的部分中子返回，从而，降低中子逃 逸率以减小临界质量，节省核燃料。
现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是： 29352U＋10n→16430Nd＋Zr ＋310n＋8－01e＋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)核的质量为 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 相当于 931.5 MeV 的能量，试计算 1 kg 铀 235 大约能产生的能量是多少？
第二节 反应堆与核电站
核反应堆
水泥防护层
反应堆与核电站
控制棒——镉棒 燃料棒—铀棒 慢化剂