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第五章　原子核與核能
核裂變與核聚變
1.什么是結合能 什么是比結合能
把核子分開需要的能量（或核子結合成原子核時釋放的能量）叫做結合能。結合能與核子數之比叫比結合能。
2.輕核、重核和中等質量的原子核的比結合能有怎樣的關系
中等質量的原子核的比結能最大。
比結合能
核子的平均結合能隨質量數的變化
核子平均質量
核子的平均質量隨質量數的變化
A
A
B
C
D
E
F
Fe
O
Z
O
Fe
B
C
D
E
F
Z
1. 使較重的核分裂成中等大小的核，比結合能會增加，發生質量虧損，釋放結合能。
思考：如何獲得核能？
2.把較小的核合并成中等大小的核，核子的比結合能會增加，即核子將發生質量虧損，釋放結合能。
知道什么是裂變、聚變和鏈式反應,知道鏈式反應和聚變的條件
會書寫裂變和聚變方程,會利用質量虧損計算裂變和聚變產生的核能
了解核反應堆的工作原理,知道如何控制核反應的速度
重點
重難點
重核裂變　鏈式反應
1964年10月16日,中國第一顆原子彈在羅布泊的荒漠上爆炸成功,其爆炸力相當于1.8萬噸TNT炸藥。爆炸時安放原子彈的鋼塔全部熔化,在半徑400 m的范圍內,沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質,半徑1 600 m范圍內所有動植物全部死亡。
巨大的核能是從哪里來的
鈾核的裂變。
重核的裂變
定義：用中子轟擊鈾核,鈾核分裂成質量相近的兩部分,并釋放出 ,這種核反應過程稱為核裂變
能量
一種常見的核反應方程
UnBaKr+______。
n
(2)在不同的裂變反應中U核釋放的能量也不同。如果按照一個U核裂變時釋放200 MeV的能量來估算,1 kg的U全部裂變釋放出的核能相當于兩千余噸標準煤完全燃燒釋放的能量。
鏈式反應能否持續，與鈾塊質量和體積是否有關？
原子內部的空隙很大，如果鈾塊不夠大，中子在鈾塊中通過時，很可能打不到鈾核而跑到鈾核外面去，鏈式反應不能繼續。
只有當鈾核足夠大時，裂變產生的中子才有足夠的概率打中某個核，使鏈式反應進行下去。
鏈式反應
(1)定義:在U核裂變釋放出巨大能量的同時,平均每次可以放出 個中子,這些中子稱為第1代中子,如果其中至少有一個繼續轟擊U,使之發生裂變,就能產生第2代中子,這樣不斷繼續下去,中子會不斷 ,裂變反應就會不斷加強,就形成了裂變的鏈式反應。
2~3
增加
(2)能夠發生鏈式反應的鈾塊的 體積稱為臨界體積。
最小
發生鏈式反應的條件：鈾塊的質量大于臨界質量，或者鈾塊的體積大于臨界體積。
鏈式反應
1.如圖所示為核裂變示意圖。
(1)重核裂變是一種天然現象嗎
重核裂變不能自發地進行,只能發生在人工控制的核反應中,所以重核裂變不是一種天然現象。
(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產生鏈式反應嗎
不是。有中子轟擊鈾塊且鈾塊的體積大于等于臨界體積,才會發生鏈式反應。
2.總結維持鏈式反應的條件。
(1)核裂變物質的體積大于等于臨界體積或鈾塊的質量大于等于臨界質量。
(2)有慢中子轟擊。
(3)有足夠濃度的鈾235。
1.關于重核的裂變,以下說法正確的是
A.核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量
B.中子從鈾塊中通過時,一定發生鏈式反應
C.重核裂變釋放出大量能量,產生明顯的質量虧損,所以核子數要減少
D.由于重核的核子平均質量大于中等質量核的核子平均質量,所以重核裂
變為中等質量的核時,要發生質量虧損,放出核能
√
2.(2023·湖北武漢市調研)1947年,中國科學家錢三強與何澤慧在利用中子轟擊鈾核的實驗中,觀察到鈾核可能分裂為三部分或四部分,其中的一種裂變反應是UnXeSr+n。關于鈾核裂變,下列說法正確的是
A.Xe的核子平均質量比U的小
B.裂變后與裂變前相比,總質量數增加
C.鈾核容易俘獲快中子而發生裂變釋放核能
D.鈾的純度越高,其裂變的鏈式反應越難進行
√
1.重核裂變是中子轟擊質量較大的原子核,使之分裂成中等質量的原子核,同時釋放大量的能量,放出更多的中子的過程。
2.重核的裂變是放能核反應,原因是核反應前后有質量虧損,根本原因是重核的平均結合能相比中等質量的核的平均結合能要小。所以在重核裂變為兩個中等質量核的過程中要釋放能量,而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量。
3.重核的裂變方程仍然符合質量數守恒和電荷數守恒。
輕核聚變與可控熱核聚變
太陽是靠什么為地球生命提供巨大能量的呢
現在地球上消耗的能量絕大部分來自太陽內部的聚變反應。
核聚變
(1)采用輕核 成較重核引起結合能變化的方式可獲得 ,這樣的核反應稱為核聚變。
聚變
核能
(3)輕核聚變的優點:聚變反應不僅能釋放 的能量,而且所用的燃料氘和氚容易 。氘可從海水中提取,天然的氚不存在,但可通過核反應nLiHe+_____得到。
巨大
獲得
H
(2)太陽內部的核聚變:太陽內部氫核聚變的反應方程為HH→_______,平均每個核子釋放的結合能約為3.5 MeV,要比裂變中平均每個核子釋放的能量 。
Hen
大得多
可控熱核聚變
(1)熱核聚變的條件:要使輕核發生聚變,必須使它們的間距達到 作用的范圍。以氘核發生聚變為例,必須在大約_____ K高溫下,使氘核獲得至少70 keV的動能才能達到核力作用的范圍而發生核聚變。
(2)物質第四態:輕核聚變溫度達到108 K,在這樣的高溫下,原子已完全電離,形成了物質第四態——等離子態。
(3)約束高溫等離子體的三種方式:引力約束、 、慣性約束。
核力
108
磁約束
(1)引力約束：太陽
約束核聚變高溫燃料的方案
(2)磁約束：帶電粒子運動時在均勻磁場中受洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場來約束參加反應的物質。
中國科學院的環流器裝置
約束核聚變高溫燃料的方案
(3)慣性約束
由于聚變反應的時間非常短，聚變物質因自身的慣性還來不及擴散就完成了核反應。在慣性約束下，可以用激光從各個方向照射參加反應的物質，使它們“擠”在一起發生反應。
約束核聚變高溫燃料的方案
為什么實現核聚變要使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫
輕核的聚變反應,是兩個輕核結合成質量較大的核,要使得核力發揮作用,必須使核子間的距離達到10-15 m以內;同時由于在此距離時原子核之間的庫侖斥力巨大,因而需要核子有很大的動能才能克服,表現在宏觀上就是核燃料需要達到極高的溫度。
3.(2023·福建廈門市統考二模)2023年4月12日,中國“人造太陽”——全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)成功實現穩態高約束模式等離子體運行403秒,創造了新的世界紀錄,其內部發生的核反應方程為HHHe+
X,則
A.X為正電子
B.該反應為α衰變
C.反應前后質量守恒
D.He的平均結合能比H的平均結合能大
√
1.核聚變反應和一般的核反應一樣,也遵循電荷數守恒和質量數守恒,這是書寫核反應方程式的重要依據。
2.核聚變反應一般只能在輕核之間發生,如氫的同位素氘和氚,它們原子核間的靜電斥力最小,容易發生聚變反應生成新的質量更重的原子核。
3.由于輕核聚變需要非常高的溫度,因此重核的裂變仍然是當前核能的主要利用方式。
核裂變與核聚變
目標一：重核裂變　鏈式反應
條件：幾百萬開爾文的高溫
核裂變：中子轟擊鈾核分裂成幾個小核
目標二：
輕核聚變與
可控熱核聚變
實施方案
鏈式反應
定義：中子使裂變反應像鏈條一
樣持續下去
定義：兩個輕核結合成質量較大的核
條件：鈾塊質量（或體積）大于臨界值
典型核反應
引力約束
磁約束
慣性約束
典型方程

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