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【新步步高】2015-2016学年高中物理 第十九章 原子核 6、7、8 核裂变、核聚变、粒子和宇宙导学案


学案 6 学案 7 学案 8

核裂变 核聚变 粒子和宇宙

[目标定位] 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 判断和书写核裂变、核聚变方程,能计算核反应释放的能量.

一、核裂变和链式反应 [问题设计] 阅读课本“核裂变”,说明: (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.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. [要点提炼] 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

1

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 92U+0n→ 56Ba+36 Kr+30n. 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)铀块的体积大于临界体积或铀块的质量大于临界质量. (2)有足够数量的慢中子. 二、核电站 1.核电站是利用核能发电,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:采用在反应堆中插入镉棒的方法,利用镉吸收中子的能力很强的特性,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,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同 时也使反应堆冷却. 4.核污染的处理 在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层,用来屏蔽裂变产物放出的各种射线.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、裂变过程中核能的分析与计算 [问题设计] 重核裂变为什么能释放核能?人们获得核能的途径有哪些?通过图 1 说明.
1

235

1

144

89

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,放出巨大的核能.
2

获得核能的主要途径:一是重核裂变,二是轻核聚变. [要点提炼] 铀核裂变释放核能的计算 1.首先算出裂变反应中的质量亏损 Δ m. 2.根据 Δ E=Δ mc 计算释放的核能 计算时要注意 Δ m 与 Δ E 单位的对应关系:若 Δ m 用 kg 做单位,则 Δ E 用 J 做单位;若 Δ m 用 u 做 单位,则 Δ E 用 MeV 做单位,1 u 相当于 931.5 MeV 的能量. 3.若计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 裂变释放的核能 E=nΔ E. 四、轻核聚变 1.聚变 两个轻核结合成质量较大的核,释放出核能的反应,称为核聚变.聚变反应又称为热核反应. 2.聚变方程
2 1 2

H+1H→2He+0n+17.6 MeV.

3

4

1

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 质达到几百万开尔文以上的高温. 4.重核裂变与轻核聚变的区别 反应方式 重核裂变 比较项目 重核分裂成两个或多个中等 放能原理 质量的原子核,放出核能 放能多少 倍 燃料储量情况 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 五、粒子 1.“基本粒子”不基本
3

轻核聚变 两个轻核结合成质量较大的 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 3~4

聚变燃料储量丰富

直到 19 世纪末,人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒,后来人们发现了光子、电子、 质子、中子,并把它们叫做“基本粒子”. 2.发现新粒子 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. 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.

一、对重核裂变的理解及核能的计算 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.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.因而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,中子从铀块中穿过时,可能碰不到原 子核,则链式反应就不会发生.在裂变反应中核子数是不会减少的,如 92U 裂变为38Sr 和 54Xe 的核反 应,其核反应方程为: 92U+0n→38Sr+ 54Xe+100n 查阅相关资料可得其中各粒子质量分别为
235 1 90 136 1 235 90 136

mU=235.043 9 u,mn=1.008 67 u mSr=89.907 7 u,mXe=135.907 2 u
质量亏损为 Δ 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, 核子数是不会减少的, 因此选项 A、 B、 C 错误. 重 核裂变为中等质量的原子核时,由于核子平均质量减小,发生质量亏损,从而释放出核能. 综上所述,选项 D 正确. 答案 D 例2 用中子轰击铀核( 92U),其中的一个可能反应是分裂成钡( 56Ba)和氪(36Kr)两部分,放出 3
235 141 92

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;
4

mBa=234.001 6×10-27 kg,mKr=152.604 7×10-27 kg.
试写出核反应方程,求出反应中释放的核能. 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. 铀核裂变方程为0n+ 92U→ 56Ba+36Kr+30n, 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. 则核反应前后的质量亏损为 Δ m=mU+mn-mBa-mKr-3mn=0.357 8×10 Δ E=Δ mc =0.357 8×10 =3.220 2×10 答案
1 0 235 -11 2 -27 8 2 -27 1 235 141 92 1

kg.

×(3×10 ) J

J.
141 92 1

n+ 92U→ 56Ba+36Kr+30n

3.220 2×10

-11

J

二、对轻核聚变的理解及核能计算 例 3 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1H+1H→2He+0n B.“人造太阳”的核反应方程是 92U+0n→ 56Ba+36Kr+30n
235 1 141 92 1 2 3 4 1

C.根据公式 E=mc 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 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
2 1 2

2

H+1H→2He+0n 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

3

4

1

核聚变释放的能量比裂变反应大得多,故选项 C 正确. 答案 AC 例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 mH=1.007 3 u,氦核质量为 mHe=4.001 5 u,电子质量为 me=0.000 55 u)(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 3.8×10 解析 (1)由题意可得核反应方程应为 41H→2He+2+1e. (2)反应前的质量 m1=4mH=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 , Δ m = m1 - m2 = 0.026 6 u ,由质能方程得,释放能量 Δ E = Δ mc =0.026 6×931.5
5
2 1 4 0 26

J,则太阳每秒减少的质量为多少千克?

MeV≈24.78 MeV. (3)由质能方程 Δ E=Δ mc 得太阳每秒减少的质量 26 Δ E 3.8×10 9 Δ m= 2 = 8 2 kg≈4.22×10 kg. c ?3×10 ? 答案 (1)41H→2He+2+1e (3)4.22×10 kg
9 1 4 0 2

(2)24.78 MeV

? ?定义及发现 ? ?链式反应的条件 V≥V 足够的慢中子 ?核裂变? 原子弹 重核的裂变核聚变? ? 应用 ? ? 核电站 ?核聚变 定义 ? 聚变发生的条件
? ? ? ? ?


? ? ? ? ?

? ? ? ? ?

1.(对重核裂变的理解)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数目不等的中子 C.为了使裂变的链式反应容易进行,最好用纯铀 235 D.铀块的体积对产生链式反应无影响 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 成两块的情况比较多,也有的分裂成多块,并放出数目不等的中子,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 以上的中子时才能引起裂变,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. (一种重核裂变的核能计算)一个铀 235 吸收一个中子后发生的一种核反应方程是 235 92U+0n→136
54 1

Xe+38Sr+100n,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, )

90

1

锶 90 核的质量为 m2,真空中光速为 c,则释放的能量 E 等于(

6

A.(M-m1-m2)c

2

B.(M+m-m1-m2)c

2

C.(M-m1-m2-9m)c D.(m1+m2+9m-M)c 答案 C

2

2

解析 铀 235 裂变时的质量亏损: Δ m=M+m-m1-m2-10m=M-m1-m2-9m, 由质能方程可得 E=Δ mc =(M-9m-m1-m2)c .
2

2

3.(对轻核聚变的理解)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 + 6C→ 7N+Q1,1H+ 7N→ 6C+X+Q2. 方程中 Q1、Q2 表示释放的能量,相关的原子核质量见下表: 原子核 质量 1.007 8 /u 以下推断正确的是(
3 1 1 12 13 1 15 12

1

H

3 2

He

4 2

He

12 6

C

13 7

N

15 7

N

3.016 0

4.002 6

12.000 0

13.005 7

15.000 1

)
4

A.X 是2He,Q2 >Q1 B.X 是2He,Q2 >Q1 C.X 是2He,Q2 <Q1 D.X 是2He,Q2 <Q1 答案 B 解析 由核反应过程必须遵守的质量数守恒和电荷数守恒知 X 是2He.放出热量分别为 Q1 和 Q2 的两个 核反应中质量亏损分别为 0.002 1 u 和 0.005 3 u,故 Q2>Q1. 4. (对轻核聚变的核能计算)一个氘核(1H)和一个氚核(1H)结合成一个氦核(2He), 同时放出一个中子, 已知氘核质量为 m1=2.014 1 u,氚核质量为 m2=3.016 0 u,氦核质量为 m3=4.002 6 u,中子质量 为 m4=1.008 665 u,求: (1)写出聚变的核反应方程; (2)此反应过程中释放的能量为多少?平均每个核子释放出多少核能? 答案 (1)1H+1H→2He+0n (2)17.5 MeV 3.5 MeV 解析 (1)核反应方程为1H+1H→2He+0n. (2)此反应过程的质量亏损为 Δ m=2.014 1 u+3.016 0 u-4.002 6 u-1.008 665 u=0.018 835 u, Δ E=Δ mc =0.018 835×931.5 MeV≈17.5 MeV.
7
2 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 4 3 4

平均每个核子释放的核能为

17.5 MeV=3.5 MeV. 5

题组一 对重核裂变的理解及核能计算 1.下列核反应中,属于核裂变反应的是( A. 5B+0n→3Li+2He B. 92U→ 90Th+2He C. 7N+2He→ 8O+1H D. 92U+0n→ 56Ba+36Kr+30n 答案 D 解析 由核裂变反应的特点知,D 正确. 2.为使链式反应平稳进行,下列办法可行的是( A.铀块可制成任何的体积 B.铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核 C.通过慢化剂将产生的中子减速 D.用镉棒作为慢化剂使中子减速 答案 C 解析 由于使铀块发生链式反应的体积应大于临界体积,故 A 错误;铀核裂变释放出的为快中子, 不能直接用来轰击铀核,必须用慢化剂减速,而镉棒是用于控制中子数量的,故 C 正确,B、D 错误. 3.一个 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+0n→X+38Sr +20n,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=mc ,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. 4.秦山核电站第三期工程中有两个 6×10 kW 发电机组已实现并网发电.发电站的核能来源于 92 U
5 235 2 1 1 94 235 1 144 89 1 14 4 17 1 238 234 4 10 1 7 4

)

)

)

8

的裂变,下列说法正确的是(

)
235

A.反应堆中核反应速度通常是采用调节 92U 的体积来控制的 B. 92U 的一种可能裂变为 92U+0n→ 54Xe+38Sr+20n C. 92U 是天然放射性元素,升高温度后它的半衰期会缩短 D.虽然核电站能提供很大的能量,但它对环境的污染比火电站严重 答案 B 解析 反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制,A 错;
235 92 235 235 235 1 139 95 1

U 裂变有多种可能性,

这是其中常见的一种,B 对;放射性元素的半衰期由原子核本身决定,与温度、压强等外界条件无 关,C 错;核电站的核能是清洁能源,污染少,D 错. 5.裂变反应是目前核能利用中常用的反应,以原子核 92U 为燃料的反应堆中,当 92U 俘获一个慢 中子后发生的裂变反应可以有多种方式,其中一种可表示为:
235 235 235

92U +

1 0

n→

139

54Xe +

94 38

Sr+ 30n

1

235.043 9 1.008 7 138.917 8 93.915 4 反应方程下方的数字是中子及有关原子核的静止质量(以原子质量单位 u 为单位).已知 1 u 的质量 对应的能量为 9.3×10 MeV,此裂变反应释放出的能量是______ MeV. 答案 179.8 解析 Δ E = Δ m·c = (235.043 9 + 1.008 7 - 138.917 8 - 93.915 4 - 3×1.008 7)×9.3×10
2 2 2

MeV≈179.8 MeV. 题组二 对轻核聚变的理解和核能计算 6.关于聚变,以下说法正确的是( )

A.两个氘核可以聚变成一个中等质量的原子核,同时释放出能量 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释放的能量大 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.发生聚变反应的原子核必须有足够大的动能 答案 BD 7.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,所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应
9

)

D.太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应,在地球内部也可以自发地进行 答案 ABC 解析 轻核聚变时,要使轻核之间距离达到 10
-15

m,所以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发生作用的范围,实验证实,原子核的温度必须达到几 百万开尔文时才有这样的能量,这样高的温度可以利用原子弹爆炸获得,故 B、C 正确;在太阳和许 多恒星内部都存在着热核反应,但在地球内部不会自发地进行,D 错误. 8.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.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大 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,故反应后质量增大 答案 B 解析 在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多,故 A 错误;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. 9.当两个中子和两个质子结合成一个 α 粒子时,放出 28.30 MeV 的能量,当三个 α 粒子结合成一 个碳(C)核时,放出 7.26 MeV 的能量,则当 6 个中子和 6 个质子结合成一个碳(C)核时,释放的能量 约为( ) )

A.21.04 MeV B.35.56 MeV C.77.64 MeV D.92.16 MeV 答案 D 解析 6 个中子和 6 个质子可结合成 3 个 α 粒子,放出能量 3×28.30 MeV=84.90 MeV,3 个 α 粒 子再结合成一个碳核,放出 7.26 MeV 能量,故 6 个中子和 6 个质子结合成一个碳核时,释放能量为 84.90 MeV+7.26 MeV=92.16 MeV. 10.核聚变的主要原料氘,在海水中含量极其丰富.已知氘核的质量为 m1,中子的质量为 m2,2He 的 质量为 m3,质子的质量为 m4,则下列说法中正确的是( A.两个氘核聚变成一个2He 所产生的另一个粒子是质子 B.两个氘核聚变成一个2He 所产生的另一个粒子是中子 C.两个氘核聚变成一个2He 所释放的核能为(m1-m3-m4)c
3 2 3 3 3

)

D.与受控核聚变比较,现行的核反应堆产生的废物具有放射性 答案 BD
10

解析 由核反应方程知 21H→2He+0X,X 应为中子,释放的核能应为 Δ E=(2m1-m3-m2)c ,聚变反应 的污染非常小.而现实运行的裂变反应的废料具有很强的放射性,故 A、C 均错误,B、D 正确. 题组三 综合应用 11.现有的核电站常用的核反应之一是:
235 92

2

3

1

2

U+0n→143 60Nd+Zr+30n+8 0-1e+ ν

1

1

(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,试计算 1 kg 铀 235 裂变释放的能量为多少?(已知 1 u 质量相当于 931.5 MeV 的能量,且 1 u=1.660 6×10 答案 (1)40 90 (2)8.1×10
13 -27

kg)

J

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 1 24 n= -27≈2.56×10 (个) 235.043 9×1.660 6×10 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 Δ m=0.212 u,释放的能量 为 Δ E=0.212×931.5 MeV≈197.5 MeV 则 1 kg 铀 235 完全裂变释放的能量为

E=nΔ E=2.56×1024×197.5 MeV≈5.1×1026 MeV.

11


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