2022年高中物理同步讲义(选修性必修3)第22讲-核裂变与核聚变(原卷版).docx

第22讲 核裂变与核聚变
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了解核裂变反应和核聚变反应

1.知道什么是裂变、聚变和链式反应，知道链式反应和聚变的条件。
2.会书写裂变和聚变方程，会利用质量亏损计算裂变和聚变产生的核能。
3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度。

知识精讲

知识点01 核裂变
（一）核裂变的发现
1．核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。
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U＋
n→Ba＋Kr＋3n。
3．链式反应：中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应。
4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
（二）反应堆与核电站
1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成：
(1)燃料：铀棒；
(2)慢化剂：石墨、重水和普通水(也叫轻水)；
(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。
2．工作原理
核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高，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，同时也使反应堆冷却。
3．核污染的处理
在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线．核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。
【知识拓展】
1．典型的裂变方程
(1)U＋n→Xe＋Sr＋2n
(2)U＋n→Ba＋Kr＋3n
2．核能的释放
由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中等质量的原子核时，会发生质量亏损，释放核能。
3．链式反应发生的条件
(1)铀块的体积大于或等于临界体积；
(2)有足够浓度的铀235；
(3)有足够数量的慢中子；
4．裂变反应的能量大小：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；一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235 全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温。
5．核电站的主要部件及作用
组成部分
材料
作用
裂变材料(核燃料)
浓缩铀
提供核燃料
减速剂(慢化剂)
石墨、重水或普通水(也叫轻水)
使裂变产生的快中子减速
控制棒
镉棒
吸收中子，控制反应速度
热交换器
水或液态的金属钠
传输热量
防护层
厚水泥层
防止放射线泄露，对人体及其他生物体造成伤害

6.核电站发电的优点
(1)消耗的核燃料少；
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采用储量大，所能提供的能量大；
(3)对环境的污染要比火力发电小。
【即学即练1】下列关于核反应方程及描述，正确的是（　　）
A．He+Al→P+n是居里夫妇发现人工放射性的核反应方程
B．U→Xe+Sr+n是核聚变方程
C．H+H→He+n是α衰变方程
D．N+He→O+H是α衰变方程
【即学即练2】下列说法正确的是（　　）
A．能量耗散现象不满足能量守恒定律
B．核电站是利用可控的核聚变来发电的
C．来源于太阳能的水能、风能、潮汐能等属于可再生能源
D．能量是守恒的，不会凭空消失，所以不会发生能源危机
知识点02 核聚变
1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。
2．核反应方程：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。
3．条件：使轻核的距离达到10－15 m以内。
4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能。
5．人工热核反应：氢弹．首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
6．核聚变与核裂变的比较：
(1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘和氚的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁；
(2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。
【知识拓展】
1．聚变发生的条件：要使轻核发生聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离10－15 m以内，这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能，有一种方法就是给它们加热，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：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。
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要大3～4倍

【即学即练3】能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一。下列核反应方程及其表述都正确的是（　　）
A．He＋Al→P＋H是原子核的人工转变
B．F＋H→O＋He是α衰变
C．H＋H→He＋γ是核聚变反应
D．U→Sr＋Xe＋3n是核裂变反应
【即学即练4】有关原子结构和原子核的认识，下列说法正确的是（　　）
A．γ射线是高速运动的中子流
B．氢原子辐射光子后，其绕核运动的电子动能增大
C．太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变
D．Bi的半衰期是5天，200gBi经过10天后还剩下25g
能力拓展

考法01 核裂变
【典例1】下列四幅图涉及不同的物理知识，如图所示，其中说法正确的是（　　）

A．甲图中A处能观察到大量的闪光点，B处能看到较多的闪光点，C处观察不到闪光点
B．图乙中用中子轰击铀核使其发生聚变，链式反应会释放出巨大的核能
C．图丙中处于n=3能级的一个氢原子向低能级跃迁，最多可以放出3种频率的光
D．丁图中用弧光灯照射原来就带电的锌板时，发现验电器的张角变大，说明锌板原来一定带正电

考法02 核聚变
【典例2】2020年12月4日，新一代“人造太阳”中国环流二号M装置（HL-2M）正式建成并实现首次放电，放电温度达太阳芯部温度近10倍。“人造太阳”实验中的可控热核反应的方程是，海水中富含反应原料氘（），氚核（）可以用中子轰击锂核（）得到。下列说法正确的是（　　）
A．上述核反应前后核子数相等，生成物的质量等于反应物的质量
B．中子轰击锂核（）反应方程为
C．中子轰击锂核（）发生了衰变
D．氘核（）和氚核（）的比结合能均比氦核（）的比结合能大
分层提分

题组A 基础过关练
1．关于近代物理学，下列说法正确的是（　　）
A．用紫光照射某种金属发生光电效应，改用绿光照射该金属一定会发生光电效应
B．重核裂变后生成中等质量的核，反应前后质量数守恒，质量守恒
C．将放射性物质放在密闭的铅盒内，可以延长它的半衰期
D．原子核的比结合能越大，原子核越稳定
2．下列核反应中是α衰变的方程是（　　）
A． B．
C． D．
3．下列核反应方程中，属于轻核聚变的是（　　）
A． B．
C． D．
4．2020年12月4日在成都，我国核聚变反应“人造太阳”已获得重大突破新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”（）正式建成并首次放电，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础，核聚变反应方程中，X表示（　　）
A．质子 B．正电子 C．负电子 D．中子
5．中国的“人造太阳”，又称东方超环，全称是全超导托卡马克核聚变实验装置，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置。2021年5月28日，中国的“人造太阳”实现了可重复的1.2亿度101秒等离子体运行，刷新了世界纪录。所谓“人造太阳”，就是在地球上模拟太阳内部发生的核聚变反应，为人类提供源源不断的清洁能源。其内部发生的一种核聚变反应方程为，下列说法正确的是（　　）

A．反应产物X为
B．核聚变后的产物X比结合能小于的比结合能
C．可控的人工轻核聚变与核裂变相比更为安全、清洁
D．要实现核聚变，需要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能克服核力作用而碰撞结合在一起
6．2021年1月30日，华龙一号全球首堆——中核集团福建福清核电5号机组投入商业运行。这标志着我国在三代核电技术领域跻身世界前列。其核反应方程为，下列说法正确的是（　　）
A．此核反应属于原子核的聚变 B．此核反应属于原子核的裂变
C．裂变后粒子的总质量数减少 D．X原子的质量数为140
7．2020年12月4日14时02分，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置（HL-2M）在成都建成并实现首次放电，标志着中国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造和运行技术，其发生的可控核聚变方程为： +→ +X（X表示某种粒子），则下列说法正确的是（　　）
A．X为质子
B．核能不属于清洁能源
C．该核反应是我国秦山核电站利用核能的方式
D．原子核比原子核稳定
8．下列关于近代物理内容的叙述中正确的是（　　）
A．质子和中子结合成原子核时没有质量亏损，但一定释放能量
B．衰变的实质是原子核内的中子转化为一个质子和电子
C．一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，可能是因为这束光的照射时间短
D．铀核裂变的一种核反应方程为
9．太阳辐射能量主要来自太阳内部的（　　）
A．化学反应 B．放射性衰变 C．裂变反应 D．热核反应
10．2019年8月我国已经建成了新托卡马克(EAST)装置——中国环流器二号M装置(HL­2M)，为“人造太阳”创造了条件，其等离子温度有望超过2亿摄氏度，将中国的聚变堆技术提升到了新的高度。设该热核实验反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4。关于聚变的说法正确的是（ ）
A．核裂变比核聚变更为安全、清洁
B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4
C．两个轻核结合成质量较大的核，比结合能较聚变前减小
D．HL­2M中发生的核反应方程式是H＋H→He＋n

题组B 能力提升练
1．下列说法正确的是（　　）
A．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的裂变反应
B．放射性元素的半衰期与外界压强、原子的化学状态无关
C．依据玻尔理论氢原子从高能级状态向低能级状态跃迁时会吸收光子
D．紫光照射金属板发生光电效应时，增大入射光强度，则光电子的最大初动能增大
2．近日日本政府计划将福岛核污染水排放入海的做法引起国际社会广泛关注。核泄漏事故污染物能够产生对人体有害的辐射，其核反应方程式为，则（　　）
A．核反应方程中的是质子 B．核反应方程中的是中子
C．核反应类型为核裂变 D．核反应类型为衰变
3．下列说法正确的是（ ）
A．链式反应属于重核裂变
B．将放射性元素掺杂到其它稳定元素中，并降低其温度，该元素的半衰期将增大
C．随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较长的方向移动
D．电子等实物粒子不具有波动性
4．中国“嫦娥五号”在月球采集的约2公斤月壤中含有地球上鲜有的，是地球上很难得到的清洁、安全和高效的核聚变发电燃料，被科学家们称为“完美能源”。有关聚变的核反应方程如下：
① ，②；
下列说法正确的是（ ）
A．X为质子，Y为中子
B．的比结合能比的比结合能大
C．方程①中：质量亏损约为5.9×10-31kg
D．方程②中：核子平均释放的能量约为2.14MeV
5．2020年12月4日14时02分，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置（HL-2M）在成都建成并实现首次放电，一个D（氘）核和T（氚）核发生聚变反应会产生一个中子，下列说法正确的是（　　）
A．该核反应方程式为
B．该核反应能够吸收大量能量
C．该反应能够在常温下进行
D．反应前平均核子质量比反应后大
6．下列关于原子核的叙述正确的是（　　）
A．阴极射线表明原子核内部有电子
B．轻核聚变反应方程：，其中x表示电子
C．轻核聚变和重核裂变过程中都有质量亏损，都向外界放出能量
D．方程式是重核裂变反应方程
7．下列说法正确的是（　　）
A．质能方程表明所有有质量的物体，都能转化为能量
B．放射性元素钋的半衰期为138天，27个钋原子核经276天，还剩3个钋原子核未衰变
C．按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较大的轨道跃迁到半径较小的轨道，电子的动能增大，原子总能量增大
D．设质子、中子、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，两个质子和两个中子结合成一α粒子，释放的能量为（2m1+2m2-m3）c2
8．钍基熔盐堆核能系统（TMSR）是第四代核能系统之一、其中钍基核燃料铀由较难裂变的钍吸收一个中子后经过若干次β衰变而来；铀的一种典型裂变产物是钡和氪。以下说法正确的是（　　）
A．钍核经过2次β衰变可变成镤
B．钍核衰变的快慢由原子所处的化学状态和外部条件决定
C．题中铀核裂变的核反应方程为
D．在铀核裂变成钡和氪的核反应中，核子的比结合能减小
9．关于下列核反应说法正确的是（　　）
A．，此反应放出能量，所以结合能降低
B．，此反应是核聚变，X是质子
C．，此反应是核裂变，质量亏损，放出能量
D．，此反应是α衰变，4个原子核经过两个半衰期后还剩一个原子核
10．关于原子和原子核，下列说法正确的是（　　）
A．结合能越大，原子核越稳定
B．在核反应中，X为中子
C．核爆炸的能量来自于原子核反应中的质量亏损，遵循规律
D．氡的半衰期为3.8天，1g氡原子核在经过7.6天后只剩下0.2g氡原子核

题组C 培优拔尖练
1．下列说法中正确的是（　　）
A．铀核裂变的核反应是U→Ba＋Kr＋2n
B．已知质子、中子、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，那么质子和中子结合成一个α粒子，释放的能量是（2m1＋2m2－m3）c2
C．铀（U）经过多次α、β衰变形成稳定的铅（Pb）的过程中，有6个中子转变成质子
D．一个处于n=5能级态的氢原子，自发向低能级跃迁的过程中能辐射10种不同频率的电磁波
2．如图是核电站工作流程图，关于核能，下列说法正确的是（　　）

A．核反应堆可以把核能直接转化为电能
B．核反应堆利用的是原子核衰变过程产生的能量
C．核反应生成物的比结合能大于反应物的比结合能
D．水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线
3．下列说法正确的是（　　）
A．铀核裂变的核反应方程是U→Ba+Kr+2n
B．根据爱因斯坦的“光子说”可知，光的波长越短能量越大
C．玻尔根据光的波粒二象性，大胆提出假设，认为实物粒子也具有波动性
D．一个基态的氢原子吸收光子跃迁到n=3激发态后，最多发射出二种频率的光子
4．科幻大片《流浪地球》中描述的行星发动机为“重元素核聚变发动机”，通过燃烧石头获得能量，所谓“重元素核聚变”指的是两个比较重（相对氘，氚）的核，产生聚变形成一个更重的核并放出能量的过程。影片中发动机燃烧石头指的是石头里的硅（）聚变生成铁（），结合下比结合能图，下列说法正确的是（　　）

A．比结合能越大，原子核越稳定
B．的比结合能比的比结合能大
C．比结合能越大，原子核总的结合能也越大
D．从图中可以看出，轻核聚变会释放能量，重核裂变不会释放能量
5．下列说法正确的（　　）
A．是衰变方程
B．是核聚变反应方程
C．是衰变反应方程
D．是原子核的人工转变方程
6．下列四幅图涉及到不同的物理知识，其中说法正确的是（　　）

A．图甲：卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，发现了质子
B．图乙：用中子轰击铀核使其发生裂变，链式反应会释放出巨大的核能
C．图丙：玻尔理论指出氢原子能级是分立的，所以原子发射光子的频率也是不连续的
D．图丁：汤姆孙通过电子的发现揭示了原子核内还有复杂结构
7．太阳内部有多种热核反应，其中“质子—质子链式反应”（或称为“PP反应”）是主要反应类型，而“PP反应”有多个分支，其主要分支的各步核反应方程分别为：＋0.42MeV、＋5.49MeV、＋12.86MeV，下列说法中正确的是（　　）
A．X是正电子
B．“PP反应”为核裂变反应
C．“PP反应”可在常温下发生
D．原子核的结合能大于原子核的结合能
8．下列说法正确的是（　　）

A．图甲中电子束穿过铝箔后的衍射图样说明电子具有波动性
B．图乙中原子核衰变放出粒子，说明粒子是组成原子核的一种粒子
C．图丙中只能用射线测钢板厚度而不能用射线
D．图丁中镉棒吸收中子的能力很强，可通过调节镉棒的插入深度来控制反应速度
9．2020年12月17日，携带“月壤”的“嫦娥五号”返回器成功着陆。“月壤”中的氦-3是目前为止最理想的核聚变能源，它是一种高效、清洁、安全的核燃料，其参与的一种核反应为，其中辐射出一个光子。已知质子、氦-3、氦-4的质量分别为、、，普朗克常量为，真空中的光速为，则下列说法正确的是（　　）
A．的比结合能比的小
B．目前核电站使用的核燃料是
C．辐射出的光子的能量
D．辐射出的光子的波长
10．2020年11月27日，我国自主三代核电“华龙一号”并网成功发出第一度电，标志着中国正式进入核电技术先进国家行列。中国环流器二号M装置，俗称“人造小太阳”，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究裝置，2020年12月4日14时02分实现首次放电。下列说法正确的是（　　）
A．中国环流器二号M装置中有铀的同位素参与反应
B．“华龙一号”中进行的反应是核裂变
C．两个发电装置中的反应都有质量亏损
D．反应方程正确，且属于核裂变
11．太阳中含有大量的氘核，因氘核不断发生核反应释放大量的核能，以光和热的形式向外辐射。若已知两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核。已知氘核质量为2.0136u，氦核质量为3.0150u，中子质量为1.0087u，lu的质量相当于931.5MeV的能量。则：
（1）写出核反应方程；
（2）求核反应中释放的核能；
（3）在两氘核以相等的动能0.35MeV进行对心碰撞，并且核能全部转化为机械能的情况下，求反应中产生的中子和氢核的动能。
12．一个氘核（）与一个氚核（）聚合成一个氦核（）的同时放出一个中子，平均每个核子放出的能量比核裂变反应中平均每个核子放出的能量大3~4倍。但是实现核聚变的困难在于原子核都带正电，互相排斥，在一般情况下不能互相靠近而发生结合。但在温度非常高时，热运动的速度非常大，就能冲破库仓排斥力的壁垒，碰到一起发生结合，这叫做热核反应。若当两个核之间距离达到核半径r时（核接触距离），才有可能发生核反应。根据电磁学，相距为r的点电荷、的电势能（式中静电力常量，取无穷远处电势能为零）。根据统计物理学，绝对温度为T时，粒子的平均动能为（式中，叫作玻耳兹曼常数）。已知质子的电荷量为e，核半径为r，以及常量k、常数，若简化模型，依据以上内容，不考虑相对论等效应，回答下列问题：
（1）请写出一个氘核与一个氚核聚合的核聚变方程；
（2）假设固定一个氚核，让一个氘核从很远的地方向氚核运动。求：
a.氘核以怎样的动能才能达到与氚核接触的距离？（写出表达式）
b.使氘核平均热运动动能达到此值，需要达到的温度；（写出表达式）
（3）假设氚核静止但不固定，让一个氘核从很远的地方向氚核运动，求
a.氘核以怎样的动能才能达到与氚核接触的距离？（写出表达式）
b.使氘核平均热运动动能达到此值，温度（以K为单位）需要多少？（已知电荷，核半径r约为，计算结果保留1位有效数字）