第五章原子與原子核第五節裂變和聚變學習目標學法與考法1．知道重核的裂變產物和鏈式反應發生的條件(重點)2．知道核聚變，了解受控聚變反應(重點)3．會判斷和書寫核裂變、核聚變方程，能計算核反應釋放的能量(重難點)學法：①通過學習核裂變，知道鏈式反應發生的條件，了解裂變反應堆的工作原理，了解常用裂變反應堆的類型．知道核電站的工作模式．②通過學習核聚變，了解聚變反應的特點及其條件，知道輕核的聚變能夠釋放出很多的能量，如果能加以控制將為人類提供廣闊的能源前景考法：①對鏈式反應、重核裂變的理解及核反應方程式書寫的考查．②對聚變反應的特點、條件及核反應方程式書寫的考查．③對核裂變與核聚變釋放核能計算的考查知識導圖課前·

自主預習1．重核的裂變(1)核裂變：用________轟擊鈾核，鈾核分裂成質量________的兩部分，并釋放出能量的核反應過程叫作核裂變．(2)裂變能：核裂變________出的能量稱為裂變能，也稱核能或原子能．核裂變是釋放核能的方法之一．(3)鈾核裂變的產物多種多樣，其中有代表性的有：核裂變與鏈式反應中子相近釋放鏈式反應最小臨界體積中子源原子核釋放粒子的過程也是核裂變的過程嗎？核裂變的條件是什么？【答案】原子核釋放粒子的過程不是核裂變的過程．核裂變的條件是發生鏈式反應．微思考(多選)1938年哈恩用中子轟擊鈾核，發現產物中有原子核鋇(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射線．下列關于這個實驗的說法中正確的是 (

)【答案】ACD核聚變與受控熱核反應質量較大能量10-15m溫度熱核反應(4)應用：目前，熱核反應主要用在核武器上，那就是________，需要用________爆炸產生的高溫高壓引發核爆炸．(5)太陽能：太陽的主要成分是氫，太陽中心溫度可達1.5×107K，在此高溫下，氫核聚變成氦核的反應不停地進行著，太陽能就來自于太陽內部________釋放的核能．氫彈原子彈聚變2．受控熱核反應(1)聚變的優點：①輕核聚變產能效率高；②地球上聚變燃料的儲量豐富；③輕核聚變更為安全、清潔，而且生成的廢物數量少、易處理．(2)聚變的難點：地球上沒有任何容器能夠經受熱核反應的高溫．(3)控制方法．①磁約束：利用磁場約束參加反應的物質，目前最好的一種磁約束裝置是________．②慣性約束：聚變物質因自身的慣性，在極短時間內來不及擴散就完成了核反應，在慣性約束下，用________從各個方向照射反應物，使它們“擠”在一起發生反應．環流器激光輕核發生聚變反應需要什么條件？太陽中發生的是可控熱核聚變反應嗎？【答案】輕核發生聚變反應需要高溫．太陽中發生的是不能實現人工控制的輕核聚變．微思考【答案】A【解析】根據質量數和電荷數守恒可知，X的電荷數為1，質量數為1，故其為質子，A正確．1．核電站利用核能發電，它的核心設施是________，它主要由以下幾部分組成．(1)燃料：________．(2)慢化劑：鈾235容易捕獲慢中子發生反應，采用________、重水或普通水作慢化劑．(3)控制棒：為了控制能量釋放的速度，就要想辦法調節中子的數目，采用在反應堆中插入鎘棒的方法，利用鎘____________的特性，就可以控制鏈式反應的速度．核能利用反應堆鈾棒石墨吸收中子2．工作原理核燃料________釋放能量，使反應區溫度升高．3．能量輸出利用水或液態的金屬鈉等流體在反應堆內外____________，用于發電．4．核污染的處理在反應堆的外面需要修建很厚的____________，用來屏蔽裂變反應放出的各種射線，核廢料具有很強的________，需要裝入特制的容器，深埋地下．裂變循環流動水泥層放射性核反應堆可以人工控制核反應速度嗎？減速劑的作用是使快中子減速變成慢中子嗎？【答案】核反應堆可以人工控制核反應速度．減速劑的作用是使快中子減速變成慢中子，從而使更多的鈾核產生鏈式反應，不是為了減慢裂變速度，而是為了提高中子的利用率．微思考(多選)為應對能源危機和優化能源結構，提高清潔能源的比重，我國制定了優先選擇核能，其次加快發展風電和再生能源的政策，在《核電中長期發展規劃》中要求2020年核電運行裝機總容量達到4000萬千瓦的水平，請根據所學物理知識，判斷下列說法正確的是

(

)A．核能發電對環境的污染比火力發電要小B．所有核電站都只利用重核裂變釋放大量的原子能C．所有核電站既有重核裂變，又有輕核聚變釋放大量的原子能D．如果核電站能實現可控輕核聚變發電，其核廢料處理更簡單，對環境污染更小【答案】ABD【解析】目前核電站都用核裂變，其原料是鈾，且核能是比較清潔的能源，故A、B正確，C錯誤；如果核電站能實現可控輕核聚變發電，其核廢料處理起來比鈾核裂變廢料更容易，對環境污染也更小，D正確．課堂·

重難探究1．鈾核的裂變和裂變方程(1)核子受激發：當中子進入鈾235后，便形成了處于激發狀態的復核，復核中由于核子的激烈運動，使核變成不規則的形狀．(2)核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出2或3個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進行下去，釋放出越來越多的核能．探究重核裂變反應3．裂變反應的能量鈾核裂變為中等質量的原子核，發生質量虧損，所以放出能量．一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變放出的能量相當于2800t標準煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產生幾百萬度的高溫．【答案】D變式1為使鏈式反應平穩進行，可采用下列辦法中的 (

)A．鈾塊體積盡量制得小些B．通過慢化劑將產生的中子減速C．用鎘棒作為慢化劑使中子減速D．鈾核裂變釋放的中子直接去轟擊另外的鈾核【答案】B【解析】小于臨界體積的鈾塊不可能發生鏈式反應，且即使大于臨界條件，而核反應進行的快慢和體積無關，A錯誤；通過慢化劑將產生的中子減速，可以減小鏈式反應產生的快中子數量，即可進一步減慢鏈式反應，B正確；裂變核反應堆中，通常用慢化劑，比如重水等讓快中子減速，而鎘棒是用于控制中子數量的，C錯誤；裂變后釋放的中子為快中子，不能直接用來轟擊鈾核，必須用慢化劑減速，D錯誤．裂變中核能的計算例2原子質量單位為u，1u相當于931.5MeV的能量，真空中光速為c，當質量分別為m1kg和m2kg的原子核結合成質量為M的原子核時釋放出的能量是 (

)A．(M－m1－m2)u×c2B．(m1＋m2－M)u×931.5JC．(m1＋m2－M)c2D．(m1＋m2－M)×931.5eV【答案】C【解析】在核能計算時，如果質量的單位是kg，則用ΔE＝Δmc2進行計算，如果質量的單位是u，則利用1u相當于931.5MeV的能量計算，即ΔE＝Δm×931.5MeV，則該題釋放的能量為ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－M)c2，故選C．重核裂變中核能的計算方法解答這類問題，一般是先根據核反應方程求出一個重核裂變時發生的質量虧損，由質能方程計算出釋放的能量，然后用阿伏伽德羅常量把核能與重核質量聯系起來．另外，在計算過程中要注意單位的統一．1．聚變發生的條件要使輕核聚變，必須使輕核接近核力發生作用的距離10-15m，這要克服電荷間強大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能．要使原子核具有足夠大的動能，就要給它們加熱，使物質達到幾百萬開爾文的高溫．探究核聚變反應2．輕核聚變是放能反應從比結合能的圖線看，輕核聚變后比結合能增加，因此聚變反應是一個放能反應．3．核聚變的特點(1)在消耗相同質量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量．(2)熱核反應一旦發生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就可以使反應進行下去．(3)普遍性：熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆．4．核聚變的應用(1)核武器——氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反應裝置．它利用彈體內的原子彈爆炸產生的高溫高壓引發熱核聚變爆炸．(2)可控熱核反應：目前處于探索階段．5．重核裂變與輕核聚變的區別項目重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質量的原子核，放出核能兩個輕核結合成質量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應的核廢料處理要比裂變反應簡單得多項目重核裂變輕核聚變原料的蘊藏量核裂變燃料鈾在地球上儲量有限，尤其用于核裂變的鈾235在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲量非常豐富.1L海水中大約含有0.03g氘，如果用來進行熱核反應，放出的能量約與燃燒300L汽油相當可控性速度比較容易進行人工控制，現在的核電站都是用核裂變反應釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它對核聚變的理解例3

(多選)下列說法正確的是 (

)A．聚變反應中有質量虧損，所以必向外界放出能量B．要使輕核發生聚變反應，必須使核之間的距離接近到1×10-15m，也就是接近到核力能夠發生作用的范圍內C．要使核發生聚變反應，必須克服核力做功D．熱核反應只有在人工控制下才能發生【答案】AB【解析】由質能方程可知，A正確；輕核結合成質量較大的核，必須使輕核間的距離達到核力能發生作用的范圍，才能使它們緊密地結合起來，B正確、C錯誤；熱核反應必須在很高的溫度下才能發生，不一定要人工控制，D錯誤．【答案】A對輕核聚變理解的兩個誤區1．誤認為聚變就是裂變的逆反應．產生這種誤區的原因是對聚變和裂變的本質沒有理解透徹，裂變時重核分裂成中等核，而聚變是輕核聚合成為次輕核，無直接關聯，并非互為逆反應．2．不能正確判斷聚變、裂變、衰變及人工轉變的方程．這是由對以上核反應方程的理解不深刻造成的．這四種方程在形式上很相近，因此判斷時容易混淆出錯，要想正確判斷必須抓住它們的實質：核聚變是輕核結合成質量較大的核，也會放出中子；重核裂變時鈾核捕獲中子裂變為兩個或更多個中等質量的核，并放出幾個中子；人工轉變常用α粒子或中子去轟擊原子核，產生新原子核并放出一個或幾個粒子；衰變是原子核自發地轉變為另一種核，并向外輻射出α粒子或β粒子的反應，衰變根據向外輻射粒子的不同分為α衰變和β衰變兩種．聚變中核能的計算例4一個質子和兩個中子聚變為一個氚核，已知質子質量mH＝1.0073u，中子質量mn＝1.0087u，氚核質量m＝3.018u.(1)寫出聚變方程；(2)釋放出的核能有多大？(3)平均每個核子釋放的能量有多大？1．核聚變反應和一般的核反應一樣，也遵循電荷數和質量數守恒，這是書寫核反應方程式的重要依據．2．核能的計算關鍵是求出核反應過程中的質量虧損，然后代入ΔE＝Δmc2進行計算．1．核反應堆的組成核反應堆由堆芯、中子反射層、控制系統和防護層等部分組成．其中控制棒用能吸收慢中子的鎘或硼鋼制成，以控制鏈式反應的速度．之所以把它叫作“堆”，是因為世界上第一個核反應堆是用石墨塊(用以控制反應速度)和金屬鈾塊(反應燃料)一層一層交替地“堆”起來而構成的．核能利用2．核反應堆與原子彈爆炸的比較原子彈爆炸時鏈式反應的速度是無法控制的，為了用人工方法控制鏈式反應的速度，使核能比較平緩地釋放出來，人們制成了核反應堆(核電站的核心設施).核反應堆是人工控制鏈式反應的裝置．3．核電站發電的主要原理核燃料裂變釋放的能量使反應區溫度升高．水或液態的金屬鈉等流體在反應堆內外循環流動，把反應堆內的熱量傳輸出去．反應堆放出的熱使水變成水蒸氣，這些高溫高壓的蒸汽推動汽輪發電機發電．這一部分的工作原理和火力發電相同．例5

(2023年連云港檢測)關于核反應堆和輕核聚變，下列說法正確的是 (

)A．只要有中子打入鈾塊中就會發生鏈式反應B．鎘棒吸收中子的能力很強，反應激烈時，將鎘棒拔出一些C．普通水能使中子減速D．要使輕核發生聚變，必須使它們的距離達到10-10m以內【答案】C【解析】要使鈾塊發生鏈式反應，需要鈾塊達到臨界體積，A錯誤；鎘棒吸收中子的能力很強，反應激烈時，應將鎘棒插入一些，B錯誤；反應堆中最常使用的慢化劑主要是石墨、重水和普通水，C正確；要使輕核發生聚變，必須使輕核接近合力發生作用的距離，需要達到10-15m以內，D錯誤．變式5

(多選)關于原子核反應堆，下面說法正確的是 (

)A．鎘棒是核燃料，裂變時釋放核能B．鎘棒的作用是控制反應堆的功率C．石墨的作用是吸收中子D．冷卻劑的作用是控制反應堆的溫度和輸出熱量【答案】BD【解析】核燃料即為用濃縮鈾制成的鈾棒，鈾棒裂變時釋放核能；鎘棒具有很強的吸收慢中子的能力，通過控制鎘棒插入的深度來控制鏈式反應的速度，即可控制反應堆的功率；石墨的作用是使裂變產生的快中子減速成為慢中子；冷卻劑的作用是控制反應堆的溫度和輸出熱量，B、D正確，A、C錯誤．小練·

隨堂鞏固1．20世紀60年代，我國以國防為主的尖端科技取得了突破性的發展.1964年，我國第一顆原子彈試爆成功；1967年，我國第一顆氫彈試爆成功．關于原子彈和氫彈，下列說法正確的是 (

)A．原子彈和氫彈都是根據核裂變原理研制的B．原子彈和氫彈都是根據核聚變原理研制的C．原子彈是根據核裂變原理研制的，氫彈是根據核聚變原理研制的D．原子彈是根據核聚變原理研制的，氫彈是根據核裂變原理研制的【答案】C【解析】原子彈是根據重核裂變研制的，而氫彈是根據輕核聚變研制的，C正確，A、B、D錯誤．2．鈾核裂變時，對于產生鏈式反應的重要因素，下列說法中正確的是 (

)A．鈾塊的質量是重要因素，與體積無關B．為了使裂變的鏈式反應容易發生，最好直接利用裂變時產生的中子C．若鈾235的體積超過它的臨界體積，裂變的鏈式反應就能夠發生D．能否發生鏈式反應與鈾塊的質量無關【答案】C【解析】要使鈾核裂變產生鏈式反應，鈾塊的體積必須大于臨界體積，但鈾核的質量無論怎樣，只要組成鈾塊的體積小于臨界體積，則不會發生鏈式反應，裂變反應中產生的中子為快中子，這些快中子不能直接引發新的裂變．如果鈾塊的質量大，則其體積大，若超過臨界體積則發生鏈式反應，由此知A、B、D錯誤，C正確．3．(多選)下列關于聚變的說法正確的是 (

)A．要使聚變產生，必須克服庫侖斥力做