1 6 核裂变7 核聚变8 粒子和宇宙 目标定位 1. 知道重核的裂变产物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：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23592U1 0n14456Ba89 36Kr31 0n3链式反应：当一个中子引起一个铀核裂变后，裂变释放的中子再引起其他铀核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应4链式反应的条件：(1) 发生裂变物质的体积大于等于临界体积；(2) 有足够浓度的铀235；(3) 有足够数量的慢中子二、核电站1核电站：是利用核能发电，它的核心设施是核反应堆它主要由以下几部分组成：(1) 燃料：铀棒(2) 减速剂：铀235 容易捕获慢中子发生反应，可采用石墨、重水、普通水作减速剂(3) 控制棒：为控制能量释放的速度，需控制中子的数目，采用镉棒作为控制棒来控制链式反应的速度2工作原理：核燃料裂变释放的能量，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2 4核污染的处理：在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下或海底三、核聚变1定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的核反应2举例：2 1H3 1H 4 2He1 0n17.6 MeV 3条件：(1) 轻核的距离要达到1015_m以内(2) 需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应4氢弹原理：首先由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸5热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆四、粒子和宇宙1 “基本粒子”不基本直到 19 世纪末，人们称光子、电子、质子和中子是基本粒子2发现新粒子1932 年发现了正电子，1937 年发现了 子， 1947 年发现了K介子和 介子及以后的超子等3夸克模型上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷量分别为元电荷的2 3或1 3，每种夸克都有对应的反夸克一、核裂变和链式反应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23 个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，形成链式反应3能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量一般来说，平均每个核子3 放出的能量约为1 MeV ，1 kg 铀 235 全部裂变放出的能量相当于2 800 t优质煤燃烧时释放的能量，裂变时能产生几万度的高温4用中子轰击铀核时，铀核裂变的产物是多种多样的，其中两种典型的反应是：23592U1 0n14456Ba89 36Kr31 0n；23592U1 0n13654Xe90 38Sr101 0n 例 1关于重核的裂变，下列说法正确的是( ) A核裂变时释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B重核裂变时释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少C铀核自发放出粒子、 粒子时要释放能量，核电站利用的就是这一能量D重核的比结合能小于中等质量核的比结合能，所以重核裂变成中等质量核时，要放出核能，有质量亏损答案D 解析核电站利用的是裂变链式反应所放出的核能原子核的衰变以及人工核反应也要释放核能，但天然衰变进行得非常缓慢，放出的能量也很小，人工无法控制，实用价值不大，原子核的人工转变也放出能量，但作为“炮弹”的粒子击中原子核的机会太少，这种做法得不偿失所以核能的获取主要是通过裂变或聚变的途径比结合能是核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量，或原子核拆解成核子时每个核子平均吸收的能量重核的比结合能小于中等质量核的比结合能，即将重核分成核子时比中等质量核分成核子时每个核子平均吸收的能量小些，可见由重核裂变成两个中等质量的核要放出能量，选项D正确；铀核裂变放出的能量是原子核的核能，而不是中子具有的动能，选项 A 错误；裂变过程遵守质量数、电荷数守恒规律，B 错误；衰变是自发的现象，铀核衰变后的新核仍是重核，而核电站利用的是裂变核能，选项C错误借题发挥重核裂变的实质(1) 重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程(2) 重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量例 2用中子轰击铀核(23592U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(14156Ba)和氪 (92 36Kr) 两部分，放出3 个中子各个核和中子的质量如下：mU390.313 91027 kg ，mn1.674 9 10 27 kg ；4 mBa234.001 6 1027 kg ，mKr152.604 7 1027 kg. 试写出核反应方程，求出反应中释放的核能答案1 0n23592U14156Ba92 36Kr31 0n 3.220 2 1011 J 解析根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒，就可以写出核反应方程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铀核裂变方程为1 0n23592U14156Ba92 36Kr31 0n，则核反应前后的质量亏损为mmUmnmBamKr3mn0.357 8 1027 kg. 由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为Emc20.357 8 1027(3108)2 J 3.220 2 1011 J. 二、核聚变及核能的计算1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，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温2轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应3聚变方程：2 1H3 1H4 2He1 0n. 4重核裂变与轻核聚变的区别重核裂变轻核聚变放能原理重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大34 倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多例 3以下说法正确的是( ) A聚变是裂变的逆反应B如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量C聚变须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量5 D裂变与聚变均可释放巨大的能量答案D 解析A 选项从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应； B选项既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量流向上也不必相反；C选项要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量因此，总的来说，聚变反应还是释放能量例 4下列说法不正确的是( ) A.2 1H3 1H4 2He1 0n 是聚变B.23592U1 0n14054Xe94 38Sr21 0n 是裂变C.22688Ra22286Rn4 2He是 衰变D.24 11Na24 12Mg 0 1e 是裂变答案D 解析A选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核，是聚变反应，故A选项正确； B选项的核反应中是铀核捕获中子裂变为两个( 或更多 ) 中等质量的核，并放出几个中子，是裂变反应，故 B 选项正确；在C 选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了粒子，是 衰变， C 选项是正确的；而D应是 衰变，不正确；故答案为D. 借题发挥主要核反应类型有：(1) 衰变：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出或粒子(2) 人工转变：人工转变常用粒子 ( 也可用中子等 ) 轰击原子核，该核捕获 粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子(3) 核裂变：核裂变时铀核捕获中子裂变为两个( 或更多 ) 中等质量的核，并放出几个中子(4) 核聚变：轻核聚变时也会放出中子例 5一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH 1.007 3 u，中子质量mn1.008 7 u，氚核质量mT3.018 0 u求：(1) 写出聚变方程；(2) 释放出的核能多大？(3) 平均每个核子释放的能量是多大？答案(1)1 1H21 0n3 1H (2)6.24 MeV (3)2.08 MeV 6 解析(1) 聚变方程1 1H21 0n3 1H. (2) 质量亏损mmH2mnmT(1.007 3 21.008 7 3.018 0) u0.006 7 u，释放的核能Emc20.006 7 931.5 MeV 6.24 MeV. (3) 平均每个核子放出的能量为6.243MeV2.08 MeV. 三、新粒子的发现和夸克模型1新粒子的发现(1)1932年发现正电子，1937 年发现 子， 1947 年发现K 介子和 介子；以后又发现了质量比质子大的粒子叫做超子(2) 粒子的分类： 按照粒子与各种相互作用的不同关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子2夸克模型强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克，夸克有6 种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷分别为元电荷的23或13，每种夸克都有对应的反夸克例 6目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u 夸克和d 夸克的两类夸克组成的u 夸克带电荷量为2 3e，d 夸克的带电荷量为1 3e，e为元电荷，下列论断中可能正确的是( ) A质子由1个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成，中子由1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成B质子由2个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成C质子由1个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成，中子由2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成D质子由2个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成答案B 解析质子1 1H带电荷量为223e 1 3ee，中子1 0n 带电荷量为23e2 1 3e0. 可见 B正确对核裂变的理解1(20 13广东， 17) 铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应23592U1 0n14456Ba89 36Kr31 0n，下列说法正确的有( ) 7 A上述裂变反应中伴随着中子放出B铀块体积对链式反应的发生无影响C铀核的链式反应可人工控制D铀核的半衰期会受到环境温度的影响答案AC 解析从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，A 对；铀块体积对链式反应的发生有影响， B错；铀核的链式反应可人工控制，C对；铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，D错对核聚变的理解2科学家发现在月球上含有丰富的3 2He(氦 3) ，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为3 2He3 2He 21 1H4 2He，关于3 2He聚变下列表述正