資源簡(jiǎn)介

5.4核裂變與核聚變
知識(shí)梳理
知識(shí)點(diǎn)一　核裂變的發(fā)現(xiàn)
1．核裂變：重核被 轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊的核反應(yīng)。
2．鈾核裂變：用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多樣的，其中一種典型的鈾核裂變是U＋n―→Ba＋Kr＋ 。
3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使核裂變反應(yīng) 繼續(xù)下去的過(guò)程叫核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
4．臨界體積和臨界質(zhì)量：把核裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最 體積叫作它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量。
5．核裂變的能量：1 kg鈾235全部發(fā)生核裂變放出的能量相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能。
知識(shí)點(diǎn)二　反應(yīng)堆與核電站
1．核反應(yīng)堆：控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的核心設(shè)施是 ，它主要由以下幾部分組成：
(1)燃料： 。
(2)慢化劑：鈾235容易捕獲 發(fā)生反應(yīng)，采用 做慢化劑。
(3)控制棒：為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些 。鎘的
能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí)，將鎘棒插入 一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度會(huì)慢一些，這種鎘棒叫做控制棒。
2．核電站——利用核能發(fā)電的裝置
(1)工作原理： 釋放的能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高。
(2)能量輸出：利用 等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的 傳輸出去，用于發(fā)電。同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻。
(3)核污染的處理：為避免射線對(duì)人體的傷害和放射性物質(zhì)對(duì)水源、空氣和工作場(chǎng)所造成的放射性污染，在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的 ，用來(lái)屏蔽 放出的各種射線，核廢料具有很強(qiáng)的 ，需要裝入特制的容器，深埋地下。
知識(shí)點(diǎn)三　核聚變
1．核聚變(1)定義：兩個(gè)輕核結(jié)合成 的核，并釋放出 的反應(yīng)。
(2)舉例：H＋H―→ ＋n＋17.6 MeV。
(3)條件：要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離達(dá)到 以內(nèi)，核力才能起作用。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的 ，這就要求原子核具有足夠的動(dòng)能，有一種方法就是把它們加熱到很高的溫度，溫度高達(dá) 開(kāi)爾文，因此聚變又叫 。
(4)應(yīng)用：目前，熱核反應(yīng)主要用在核武器上，那就是 ，需要用 爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)核爆炸。
(5)太陽(yáng)能：太陽(yáng)的主要成分是 ，太陽(yáng)中心溫度可達(dá)1.5×107 K，在此高溫下，氫核聚變成氦核的反應(yīng)不停地進(jìn)行著，太陽(yáng)能就來(lái)自于太陽(yáng)內(nèi)部 釋放的核能。
2．受控?zé)岷朔磻?yīng)
(1)聚變的優(yōu)點(diǎn)：第一：輕核聚變產(chǎn)能效率高。第二：地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富。第三：輕核聚變更為安全、清潔，控制溫度，可控制反應(yīng)，而且生成的廢物數(shù)量少、易處理。
(2)聚變的難點(diǎn)：地球上沒(méi)有任何容器能夠經(jīng)受熱核反應(yīng)的高溫。
(3)控制方法①磁約束：利用磁場(chǎng)約束參加反應(yīng)的物質(zhì)，目前最好的一種磁約束裝置是 。
②慣性約束：聚變物質(zhì)因自身的慣性，在極短時(shí)間內(nèi)來(lái)不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)，在慣性約束下，用 從各個(gè)方向照射反應(yīng)物，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。
隨堂練習(xí)
[例1] (多選)關(guān)于重核裂變的說(shuō)法正確的是(　　)
A．重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)中等質(zhì)量的核時(shí)，重核的中子數(shù)要比裂變后的兩個(gè)中等質(zhì)量核的中子數(shù)多
B．只要用中子轟擊鈾塊，就一定能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
C．為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，不能利用裂變時(shí)產(chǎn)生的中子
D．裂變過(guò)程中釋放能量，質(zhì)量虧損
[例2] 如圖是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對(duì)該反應(yīng)堆的下列說(shuō)法正確的是(　　)
A．鈾235容易吸收快中子后發(fā)生裂變反應(yīng)
B．快中子跟慢化劑的原子核碰撞后的能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)
C．控制棒由鎘做成，當(dāng)反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí)，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些
D．要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)快一些
[例3] （多選）下列說(shuō)法正確的是(　　)
A．H＋H→He＋n是聚變 B．U＋n→Xe＋Sr＋2n是裂變
C．Ra→Rn＋He是α衰變 D．Na→Mg＋e是裂變
[例4] (多選)我國(guó)核聚變反應(yīng)研究大科學(xué)裝置“人造太陽(yáng)”2018年獲得重大突破，等離子體中心電子溫度首次達(dá)到1億度，為人類開(kāi)發(fā)利用核聚變能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。下列關(guān)于聚變的說(shuō)法正確的是(　　)
A．核聚變比核裂變更為安全、清潔
B．任何兩個(gè)原子核都可以發(fā)生聚變
C．兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前增加
D．兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的比結(jié)合能增加
課后鞏固
1．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，重核裂變時(shí)放出的可以使裂變不斷進(jìn)行下去的粒子是(　　)
A．質(zhì)子 B．中子 C．β粒子 D．α粒子
2．鈾核可以發(fā)生衰變和裂變，鈾核的(　　)
A．衰變和裂變都能自發(fā)發(fā)生 B．衰變和裂變都不能自發(fā)發(fā)生
C．衰變能自發(fā)發(fā)生而裂變不能自發(fā)發(fā)生 D．衰變不能自發(fā)發(fā)生而裂變能自發(fā)發(fā)生
3．原子核反應(yīng)有廣泛的應(yīng)用，如用于核電站等。在下列核反應(yīng)中，屬于核裂變反應(yīng)的是(　　)
A．B＋n→Li＋He B．U→Th＋He
C．N＋He→O＋H D．U＋n→Ba＋Kr＋3n
4．關(guān)于重核的裂變，以下說(shuō)法正確的是(　　)
A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量
B．中子從鈾塊中通過(guò)時(shí)，一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少
D．由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時(shí)，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能
5．(多選)關(guān)于核反應(yīng)堆，下列說(shuō)法正確的是(　　)
A．鈾棒是核燃料，裂變時(shí)釋放核能 B．鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率
C．石墨的作用是吸收中子 D．冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱能
6．(多選)下列說(shuō)法正確的是(　　)
A．核聚變反應(yīng)方程可能為H＋H→He＋2n
B．鈾核裂變的核反應(yīng)方程可能為U＋n→Xe＋Sr＋2n
C．發(fā)生β衰變時(shí)原子核放出電子，說(shuō)明電子是原子核的組成部分
D．中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，若該過(guò)程質(zhì)量虧損為Δm，則氘核的結(jié)合能為Δmc2
7．(多選)核反應(yīng)堆利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量核能。U＋n→Ba＋Kr＋aX是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)中的一種，X是某種粒子， a是X粒子的個(gè)數(shù)，用mU、mBa、mKr分別表示U、Ba、Kr核的質(zhì)量， mX表示X粒子的質(zhì)量，c為真空中的光速，以下說(shuō)法正確的是(　　)
A．X為中子，a＝2
B．X為中子，a＝3
C．上述核反應(yīng)中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2
D．上述核反應(yīng)中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－3mX)c2
8．一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子聚變結(jié)合成一個(gè)氘核，同時(shí)輻射一個(gè)γ光子。已知質(zhì)子、中子、氘核的質(zhì)量分別為m1、m2、m3，普朗克常量為h，真空中的光速為c。下列說(shuō)法正確的是(　　)
A．核反應(yīng)方程是H＋n→H＋γ B．聚變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損Δm＝m3－m1－m2
C．輻射出的γ光子的能量E＝(m3－m1－m2)c D．γ光子的波長(zhǎng)λ＝
9．1個(gè)鈾235吸收1個(gè)中子發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，大約放出196 MeV的能量，則1 g純鈾235完全發(fā)生核反應(yīng)放出的能量為(NA為阿伏伽德羅常數(shù))(　　)
A．NA×196 MeV B．235NA×196 MeV
C．235×196 MeV D．×196 MeV
10．當(dāng)兩個(gè)中子和兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)α粒子時(shí)，放出28.30 MeV 的能量，當(dāng)三個(gè)α粒子結(jié)合成一個(gè)碳(C)核時(shí)，放出7.26 MeV的能量，則當(dāng)6個(gè)中子和6個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)碳(C)核時(shí)，釋放的能量約為(　　)
A．21.78 MeV B．84.9 MeV C．77.64 MeV D．92.16 MeV
11．某核電站發(fā)電功率為5×105 kW，用U作為核燃料，已知U核裂變主要是按如下方程進(jìn)行的：U＋n―→Ba＋Kr＋3n。已知mU＝235.043 9 u，mn＝1.008 7 u，mBa＝140.913 9 u，mKr＝91.897 3 u，且1 u質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量為931 MeV。設(shè)釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為電能，則該核電站每天消耗多少U
第4節(jié)核裂變與核聚變答案
知識(shí)點(diǎn)一　核裂變的發(fā)現(xiàn)
1．中子 2． U＋n―→Ba＋Kr＋3n 3．一代接一代 4．小
知識(shí)點(diǎn)二　反應(yīng)堆與核電站
1．核反應(yīng)堆 (1)鈾棒 (2) 慢中子 石墨、重水或普通水 (3) 鎘棒 吸收中子 深
2．核電站——利用核能發(fā)電的裝置
(1)核燃料裂 (2) 水或液態(tài)的金屬鈉 熱量 (3)水泥層、裂變反應(yīng)、放射性
知識(shí)點(diǎn)三　核聚變
1．質(zhì)量較大 能量 (2)舉例：H＋H―→He＋n＋17.6 MeV。(3) 10－15、庫(kù)侖斥力、幾百萬(wàn)、熱核反應(yīng)
(4)氫彈、原子彈 (5) 氫 聚變 (3)環(huán)流器、激光
隨堂練習(xí)
[例1] 答案　AD
解析　重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)中等質(zhì)量的核時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩到三個(gè)中子，因而分裂后的中子數(shù)減小，選項(xiàng)A正確；鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生是有條件的，鈾塊的體積必須大于其發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的臨界體積，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)一旦發(fā)生，中子轟擊鈾核裂變產(chǎn)生的中子再次引起其他鈾核的裂變，且能不斷繼續(xù)下去，選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤；重核裂變時(shí)質(zhì)量發(fā)生虧損，總能量減小，減小的能量對(duì)外釋放，選項(xiàng)D正確。
[例2] 答案　B
解析　快中子容易與鈾235擦肩而過(guò)，快中子跟慢化劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)，選項(xiàng)B正確，A錯(cuò)誤；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí)，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些，選項(xiàng)C、D都錯(cuò)誤。
[例3] 答案　ABC
解析　A選項(xiàng)中兩個(gè)質(zhì)量較輕的核結(jié)合成了一個(gè)質(zhì)量較重的核，是聚變反應(yīng)，故選項(xiàng)A正確；B選項(xiàng)中的核反應(yīng)是鈾核捕獲中子裂變?yōu)閮蓚€(gè)(或更多)中等質(zhì)量的核，并放出幾個(gè)中子，是裂變反應(yīng)，故選項(xiàng)B正確；在C選項(xiàng)的核反應(yīng)中沒(méi)有中子的轟擊自發(fā)地放出了α粒子，是α衰變，選項(xiàng)C正確；而D選項(xiàng)應(yīng)是β衰變，選項(xiàng)D不正確。
[例4] 答案　AD
解析　核聚變的最終產(chǎn)物是氦氣無(wú)污染，而核裂變會(huì)產(chǎn)生固體核廢料，因此核聚變更加清潔和安全，A正確；發(fā)生核聚變需要在高溫高壓下進(jìn)行，重核不能發(fā)生核聚變，故B錯(cuò)誤；核聚變反應(yīng)會(huì)放出大量的能量，根據(jù)質(zhì)能關(guān)系可知反應(yīng)會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損，故C錯(cuò)誤；因聚變反應(yīng)放出能量，因此反應(yīng)前的比結(jié)合能小于反應(yīng)后的比結(jié)合能，故D正確。
課后鞏固
1．答案　B
解析　根據(jù)重核裂變的核反應(yīng)方程，使裂變不斷進(jìn)行下去的粒子是中子。
2．答案　C
解析　放射性原子核可以自發(fā)放射出粒子及能量后變得較為穩(wěn)定；而裂變是一些質(zhì)量非常大的原子核分裂成兩個(gè)或更多個(gè)質(zhì)量中等的原子核，不能自發(fā)發(fā)生。比較可知，C項(xiàng)正確。
3．答案　D
解析　屬于核裂變反應(yīng)的是選項(xiàng)D。
4．答案　D
解析　根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變放能的原理分析可知，裂變時(shí)因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過(guò)程，其釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時(shí)吸收的能量。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有條件的，即鈾塊的體積必須大于其臨界體積，如果體積小，中子從鈾塊中穿過(guò)時(shí)，碰不到原子核，則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不會(huì)發(fā)生。在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會(huì)減少的，如U裂變?yōu)镾r和Xe的核反應(yīng)，其核反應(yīng)方程為U＋n→Sr＋Xe＋10n，
其中各粒子質(zhì)量分別為mU＝235.043 9 u，mn＝1.008 67 u，mSr＝89.907 7 u，mXe＝135.907 2 u，
質(zhì)量虧損為Δm＝(mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn)＝0.150 97 u
可見(jiàn)鈾核裂變的質(zhì)量虧損是遠(yuǎn)小于一個(gè)核子的質(zhì)量的，核子數(shù)是不會(huì)減少的，因此選項(xiàng)A、B、C均錯(cuò)；重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)，由于平均質(zhì)量減小，會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能。綜上所述，選項(xiàng)D正確。
5．答案　ABD
解析　鈾棒是核燃料，裂變時(shí)可放出能量，故選項(xiàng)A正確；鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)，作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，即控制反應(yīng)堆功率，故選項(xiàng)B正確；慢中子最容易引發(fā)核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進(jìn)行減速，石墨的作用是使中子減速，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻，控制溫度，故選項(xiàng)D正確。
6．答案　BD
解析　根據(jù)核聚變中質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；根據(jù)重核裂變中質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知，選項(xiàng)B正確；β衰變時(shí)原子核內(nèi)部中子衰變?yōu)橘|(zhì)子并釋放出高速電子，電子并不是原子核的組成部分，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；根據(jù)質(zhì)能關(guān)系可知選項(xiàng)D正確。
7．答案　BC
解析　核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，則知U＋n→Ba＋Kr＋aX中X為n，a＝3，則A錯(cuò)誤，B正確；由ΔE＝Δmc2可得：ΔE＝(mU＋mX－mBa－mKr－3mX)c2＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2，則C正確，D錯(cuò)誤。
8．答案　D
解析　此核反應(yīng)的核反應(yīng)方程為H＋n→H＋γ，A錯(cuò)誤；質(zhì)量虧損為Δm＝m1＋m2－m3，B錯(cuò)誤；由質(zhì)能方程，γ光子的能量為E＝(m1＋m2－m3)c2，C錯(cuò)誤；由E＝h知，波長(zhǎng)λ＝，D正確。
9．答案　D
解析　由于1 mol的鈾核質(zhì)量為235 g，1 g鈾235的物質(zhì)的量為，因此1 g鈾235釋放的能量E＝×196 MeV，故D正確。
10．答案　D
解析　6個(gè)中子和6個(gè)質(zhì)子可結(jié)合成3個(gè)α粒子，放出能量3×28.30 MeV＝84.9 MeV，3個(gè)α粒子再結(jié)合成一個(gè)碳核，放出7.26 MeV能量，故6個(gè)中子和6個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)碳核時(shí)，釋放能量為84.9 MeV＋7.26 MeV＝92.16 MeV。
11．答案　527 g
解析　裂變前：m0＝(235.043 9＋1.008 7)u＝236.052 6 u，
裂變后：m′＝(140.913 9＋91.897 3＋3×1.008 7)u＝235.837 3 u，
則質(zhì)量虧損為Δm＝m0－m′＝0.215 3 u；
釋放能量為ΔE＝0.215 3×931 MeV≈200 MeV。
設(shè)需要U的質(zhì)量為m，則由能量守恒可得×NA×ΔE＝Pt，
解得m＝＝ g≈527 g。

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