PAGE1-第五節裂變和聚變[學習目標]1.知道核裂變和核聚變的概念，知道重核裂變和輕核聚變中能釋放出巨大的能量．(重點)2.知道什么是鏈式反應.3.知道核聚變反應及受控熱核反應.4.會計算重核裂變、輕核聚變過程中釋放出的能量．(重點、難點)一、核裂變與鏈式反應1．核裂變重核分裂成兩個較輕的核時，釋放出能量，這種核反應叫做核裂變．2．鏈式反應為了使裂變產生的能量可以被利用，必需讓一個核的裂變能夠引發一個或一個以上的核發生裂變，讓裂變過程自己持續下去，源源不斷地將核能釋放出來，這樣的核反應叫做鏈式反應．3．典型的鈾核裂變(1)eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n(2)eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n二、受控熱核反應1．核聚變(1)定義：兩個輕核結合成質量較大的核，并釋放出能量的反應．(2)舉例：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV.(3)條件：①輕核的距離要達到10－15_m以內．②須要加熱到很高的溫度，因此又叫熱核反應．2．受控熱核反應人工的熱核反應可以通過原子彈爆炸時產生的高溫來達到．氫彈就是這樣制成的．假如要使巨大的熱核反應能量不是以爆炸的形式釋放，而是在人工限制下漸漸地釋放出來并加以利用(例如發電)，這稱為受控熱核反應．3．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)輕核聚變更為平安、清潔．4．約束方法磁約束和慣性約束．1．正誤推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)鈾核裂變時，可以放出多個中子． (√)(2)裂變物體的體積小于臨界體積時，不行能發生鏈式反應． (√)(3)核聚變反應中平均每個核子放出的能量比裂變時小一些． (×)(4)輕核的聚變只要達到臨界質量就可以發生． (×)(5)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． (√)2．下列屬于原子核裂變的鏈式反應的是()A．核電站發電 B．自然氣的形成C．石油的形成 D．利用太陽能發電A[核電站是利用原子核的鏈式反應發電的，A選項正確；石油和自然氣的形成是困難的過程，屬于化學改變，B、C選項錯誤；太陽能輻射是以熱傳遞的形式傳遞熱量，D選項錯誤．]3．據《每日郵報》報道，英國一名13歲的小學生近日宣布自己在學校試驗室實現了核聚變．他表示用氘聚變氦的過程中檢測到了中子，證明聚變勝利，成為世界上實現聚變的最年輕的人．下面列出的核反應方程，屬于聚變的是()A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)nB.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeC.eq\o\al(15,7)N＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(4,2)HeD.eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)nA[輕核聚變是指輕核結合成質量較大的核，并釋放出核能的反應，所以由此可知A是輕核聚變，B是α衰變，C、D是原子核的人工轉變，B、C、D選項錯誤，A選項正確．]重核裂變1.裂變的說明(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態．(2)核子分裂：核子間的距離增大，因而核力快速減弱，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2～3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．(3)能量：重核裂變為中等質量的原子核，發生質量虧損，所以放出能量，一般說來，平均每個核子放出的能量約為1MeV,1kg鈾全部裂變放出的能量相當于2500t優質煤燃燒時釋放的能量．裂變時能產生幾百萬度的高溫．2．鏈式反應的條件(1)鈾塊的體積大于臨界體積．(2)鈾塊的質量大于臨界質量．以上兩個條件滿意一個，則另一個條件自動滿意．【例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，肯定發生鏈式反應C．重核裂變釋放出大量能量，產生明顯的質量虧損，所以核子數要削減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D[重核裂變釋放的能量遠大于其俘獲中子時汲取的能量．鏈式反應是有條件的，即鈾塊的體積必需大于或等于其臨界體積，假如體積小于臨界體積，中子可能從鈾塊中穿過，碰不到原子核，則鏈式反應就不會發生．在裂變反應中質量數是守恒的，而核子數等于質量數，綜上可知A、B、C均錯．]對重核裂變的兩點理解1．重核裂變是中子轟擊質量數較大的原子核，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，緣由是核反應前后質量有虧損，根本緣由是重核的比結合能相比中等質量的核的比結合能要小．訓練角度1：對重核裂變的理解1．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簡單發生，最好干脆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C[要使鈾核裂變產生鏈式反應，鈾塊的體積必需大于臨界體積，但鈾塊的質量無論怎樣，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，這些快中子不能干脆引發新的裂變，假如鈾塊的質量大，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．]訓練角度2：裂變中核能的計算2．用中子轟擊鈾核(eq\o\al(235,92)U)，其中的一個可能反應是分裂成鋇(eq\o\al(141,56)Ba)和氪(eq\o\al(92,36)Kr)兩部分，放出3個中子．各個核和中子的質量如下：mU＝390.3139×10－27kg，mn＝1.6749×10－27kg，mBa＝234.0016×10－27kg，mKr＝152.6047×10－27kg.試寫出核反應方程，算出反應中釋放的核能．[解析]此鈾核裂變方程為eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(235,92)U→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n則核反應前后的質量虧損為Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.3578×10－27由愛因斯坦質能方程可得反應中釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝0.3578×10－27×(3.0×108)2J＝3.2202×10－11J[答案]eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(235,92)U→eq\o\al(141,)56Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n3.2202×10－11J輕核聚變1.聚變發生的條件要使輕核聚變，必需使輕核接近核力發生作用的距離10－15m2．輕核聚變是放能反應從平均結合能的圖線看，輕核聚變后平均結合能增加，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，就不再須要外界給它能量，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：一種不須要人工限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：目前處于探究階段．【例2】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＝3.0180u.(1)寫出聚變方程；(2)釋放出的核能為多大？(3)平均每個核子釋放的能量是多大？[解析](1)聚變方程：eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H.(2)質量虧損Δm＝mH＋2mn－m＝(1.0073＋2×1.0087－3.0180)u＝0.0067u釋放的核能ΔE＝0.0067×931MeV≈6.24MeV.(3)平均每個核子放出的能量為eq\f(6.24,3)MeV＝2.08MeV.[答案]見解析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．輕核聚變釋放核能的計算方法(1)依據質量虧損計算．依據愛因斯坦質能方程，用核子結合成原子核時質量虧損(Δm)乘以真空中的光速(c＝3×108m/s)的平方，即ΔE＝Δ訓練角度1：對聚變的理解3．下列關于聚變的說法中，不正確的是()A．要使聚變產生，必需克服庫侖斥力做功B．輕核聚變須要幾百萬攝氏度的高溫，因此聚變又叫作熱核反應C．原子彈爆炸能產生幾百萬攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發熱核反應D．自然界中不存在自然的熱核反應D[輕核聚變時，必需使輕核之間距離達到10－15m訓練角度2：聚變核能的計算4．大科學工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應釋放的能量用來發電．氘核聚變反應方程是：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n.已知eq\o\al(2,1)H的質量為2.0136u，eq\o\al(3,2)He的質量為3.0150u，eq\o\al(1,0)n的質量為1.0087u,1u＝931MeV/c2.氘核聚變反應中釋放的核能約為()A．3.7MeV B．3.3MeVC．2.7MeV D．0.93MeVB[在核反應方程eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n中，反應前物質的質量m1＝2×2.0136u＝4.0272u，反應后物質的質量m2＝3.0150u＋1.0087u＝4．0237u，質量虧損Δm＝m1－m2＝0.0035u.則氘核聚變釋放的核能為E＝931×0.0035MeV≈3.3MeV，選項B正確．]課堂小結知識脈絡1.核裂變：重核分裂為質量較小的核，釋放出核能的反應.2.鏈式反應：由重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代接著下去的過程.3.鏈式反應的條件：發生裂變物質的體積大于臨界體積，或裂變物質的質量大于臨界質量.4.兩個輕核結合成質量較大的核，這樣的核反應叫核聚變．約束核聚變材料的方法有磁約束和慣性約束.1．裂變反應中釋放出的能量來自于()A．核子消逝轉化為能量B．原子中電子與原子核的電勢能減小C．入射的中子消逝轉化為能量D．原子核的比結合能變大，釋放出能量D[核反應過程中，核子數守恒，中子并未消逝，故選項A、C均錯誤；能量來源于原子核內部，因重核裂變為中等質量的核時，比結合能增加而釋放出能量，故選項B錯誤，D正確．]2．1938年德國化學家、物理學家哈恩等發覺用中子轟擊鈾核的產物中含有中等質量的原子核鋇和氪，這種現象稱為核裂變，其反應方程為eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3X.下列說法正確的是()A．核反應方程中的X為質子B．核反應方程中的X為電子C．由核反應方程可得鋇核的比結合能比鈾核的比結合能大D．此核反應能自動持續下去，故鈾塊的體積對于維持核反應是無關緊要的C[依據核反應中質量數守恒和電荷數守恒，可得核反應方程中的X為中子eq\o\al(1,0)n，A、B錯誤；依據教材中原子核的比結合能曲線可知，鋇核的比結合能比鈾核的比結合能大，C正確；假如鈾塊的體積小于臨界體積，此核反應不能自動持續下去，鈾塊的體積對于維持該反應是很重要的，D錯誤．]3．(多選)我國科學家研制“兩彈”所涉及到的基本核反應方程有：(1)eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(136,54)Xe＋keq\o\al(1,0)n.(2)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋deq\o\al(1,0)n.關于這兩個方程的下列說法，正確的是()A．方程(1)屬于α衰變B．方程(1)屬于重核裂變C．方程(2)屬于輕核聚變D．方程(1)中k＝10，方程(2)中d＝1BCD[方程(1)屬于重核裂變，A選項錯誤，B選項正確；方程(2)屬于輕核聚變，C選項正確；依據質量數守恒和電荷數守恒知，方程(1)中k＝10，方程(2)中d＝1，D選項正確．]4．(2024·全國卷Ⅱ)太陽內部核反應的主要模式之一是質子－質子循環，循環的結果可表示為4eq\o\al(1,1)H