7　核聚变教学教案设计

选修3-5

核裂变

核聚变

粒子和宇宙

制作人：于天水

审核人：于天水

领导签字：

7 核聚变

[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.知道核聚变，关注受控聚变反应的研究进展.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 92U＋0n―→ 56Ba＋36Kr＋30n. 3．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

发生裂变物质的体积大于等于临界体积或裂变质量大于等于临界质量．

【深度思考】

根据所学知识想一想核裂变反应过程中吸收能量还是放出能量？

答案

重核的裂变反应是放出能量的反应，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．

【例1】

铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是(

) A．铀块的质量是重要因素，与体积无关

B．为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子

C．若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生

D．能否发生链式反应与铀的质量无关

解析

要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量，只要组成铀块的体积小于临界体积或质量小于临界质量就不会产生链式反应，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变，如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积时则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确．

答案

C 1448912351

1

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核裂变

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链式反应的条件：(1)铀块的体积大于等于临界体积．(2)铀块的质量大于等于临界质量．以上两个条件满足一个即可．

【例2】

用中子轰击铀核( 92U)，其中的一个可能反应是分裂成钡( 56Ba)和氪(36Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：

23514489mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg；

mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg. 试写出核反应方程，求出反应中释放的核能．

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0n＋ 92U―→ 56Ba＋36Kr＋30n，

则核反应前、后的质量亏损为

Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝3.578×10－281235144891 kg. 由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为

ΔE＝Δmc＝3.578×1012351442－28×(3×10) J＝3.220 2×101－1182－11 J. 答案

0n＋ 92U―→ 56Ba＋36Kr＋30n 3.220 2×1089 J

核裂变反应同样遵循核反应规律：质量数守恒、电荷数守恒．计算放出的能量时用爱因斯坦质能方程求解，ΔE＝Δmc. 二、核电站

2

1．核电站

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)慢化剂：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

2

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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，同时也使反应堆冷却．

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．

【例3】

(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是(

) A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能

B．镉棒的作用是控制反应堆的功率

C．石墨的作用是吸收中子

D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能

解析

铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确；慢中子最容易引发核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故C错误；水或液态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，控制温度，故D正确．

答案

ABD

核电站的主要部件及作用如下表：

部件

名称

项目

采用的

材料

作用

三、核聚变

石墨、重水或普通水(也叫轻水)

降低中子速度，便于铀235吸收

镉

吸收中子，控制反应速度

慢化剂

控制棒

热循环

介质

保护层

水或液态钠

把反应堆内的热量传输出去

很厚的水泥外壳

屏蔽射线，防止放射性污染

1．定义

3

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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

21H＋1H―→2He＋0n＋17.6 MeV 3413．条件

(1)轻核的距离要达到10－15_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．

【深度思考】

核裂变是一个核分裂为两个核，核聚变是两个核结合成一个核，有人说“聚变就是裂变的逆反应”，你认为这个说法正确吗？

答案

这种说法是错误的，裂变是重核分裂成中等核，而聚变是轻核聚合成为次轻核，两反应无直接关联，并非互为逆反应．

重核裂变与轻核聚变的区别

反应方式

比较项目

放能原理

放能多少

核废料

处理难度

重核裂变

重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能

轻核聚变

两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能

聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3～4倍

聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多

【例4】

(多选)下列说法正确的是(

) A.1H＋1H―→2He＋0n是聚变

B. 92U＋0n―→ 54Xe＋38Sr＋20n是裂变

C. 88Ra―→ 86Rn＋2He是α衰变

D.11Na―→12Mg＋－1e是裂变

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α粒子，是α衰变，C选项是正确的；而D应是β衰变，故答案为A、B、C. 答案

ABC

4 2424

0226222423511409412341

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核裂变

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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α粒子或β粒子．

(2)人工转变：人工转变常用α粒子(也可用中子等)轰击原子核，该核捕获α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mn＝1.008 7 u，氚核质量mT＝3.018 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？

解析

(1)聚变方程1H＋20n―→1H. (2)质量亏损

Δm＝mH＋2mn－mT＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0) u＝0.006 7 u，

释放的核能

ΔE＝Δmc＝0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV.

6.24(3)平均每个核子放出的能量为 MeV＝2.08 MeV. 3答案

(1)1H＋20n―→1H (2)6.24 MeV (3)2.08 MeV 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μ子，1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等．

3．粒子的分类

按照粒子与各种相互作用的不同关系，可以将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子．

4．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＋1132113

5

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核裂变

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21或－，每种夸克都有对应的反夸克．

33

【例6】

关于粒子，下列说法正确的是(

) A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子

B．强子都是带电粒子

C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论

D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位

解析

由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A、B错误．夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸2e克带电不同，分别为＋e和－，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，故C错误，D正确．

33答案

D

1．(对核裂变的理解)(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应为 92U＋0n―→ 56Ba＋36Kr＋30n，下列说法正确的有(

) 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．

2．(对核聚变的理解)(多选)在某次核反应中，1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核，则下列说法中正确的是(

) A．这是一个聚变反应

B．核反应方程式为1H＋1H→2He＋0n C．目前核电站都采用上述核反应发电

D．该核反应没有质量亏损

23411448912351

6

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核裂变

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答案

AB 解析

1个氘核和1个氚核结合生成1个氮核，反应方程为1H＋1H→2He＋0n，这是聚变反应．故A、B正确；目前核电站都采用核裂变发电．故C错误；该反应放出热量，所以一定有质量亏损．故D错误．

3．(对核聚变的理解)关于太阳辐射的主要由来，下列说法正确的是(

) A．来自太阳中氢元素聚变反应释放的核能

B．来自太阳中碳元素氧化释放的化学能

C．来自太阳中重元素裂变反应释放的核能

D．来自太阳中本身贮存的大量内能

答案

A 解析

太阳的能量来自于太阳内部原子核的聚变，通过聚变可以使太阳表面产生约6 000 ℃的高温．

4．(核聚变释放核能的计算)太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源．(已知质子质量为2341mH＝1.007 3 u，氦核质量为mHe＝4.001 5 u，电子质量为me＝0.000 55 u) (1)写出这个核反应方程．

(2)这一核反应能释放多少能量？

(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×10 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？

答案

(1)41H→2He＋2＋1e (2)24.78 MeV (3)4.22×10 kg 解析

(1)由题意可得核反应方程应为41H→2He＋2＋1e. (2)反应前的质量m1＝4mH＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u，

反应后的质量m2＝mHe＋2me＝4.001 5 u＋2×0.000 55 u＝4.002 6 u，

Δm＝m1－m2＝0.026 6 u，由质能方程得，释放能量ΔE＝Δmc＝0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV. (3)由质能方程ΔE＝Δmc得太阳每秒减少的质量

ΔE3.8×10Δm＝2＝8c×1026222140914026

kg≈4.22×10 kg. 9

题组一

对核裂变的理解

1．一个 92U核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为 92U＋0n―→X＋38Sr＋20n，则下列叙述正确的是(

)

7 1235235194

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核裂变

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A．X原子核中含有86个中子

B．X原子核中含有141个核子

C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc，所以裂变后的总质量数增加

D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少

答案

A 解析

X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140，B错误；中子数为140－(92－38)＝86，故A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，故C、D错误．

2．为使链式反应平稳进行，可采用下列办法中的(

) A．铀块可制成任何的体积

B．铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核

C．通过慢化剂将产生的中子减速

D．用镉棒作为慢化剂使中子减速

答案

C 解析

使铀块发生链式反应的体积应大于等于临界体积，故A错误；铀核裂变释放出的为快中子，不能直接去轰击另外的铀核，必须用慢化剂减速，而镉棒是用于控制中子数量的，故C正确，B、D错误．

3．(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风能和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是(

) A．核能发电对环境的污染比火力发电要小

B．核能发电对环境的污染比火力发电要大

C．现有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能

D．现有核电站既可以利用重核裂变，又可以利用轻核聚变释放大量的原子能

答案

AC 解析

目前，核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A、C正确，B、D错误．

4．(多选)核电站的核能来源于 92U核的裂变，下列说法中正确的是(

) A．反应后的核废料已不具有放射性，不需要进一步处理

B. 92U的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，如 54Xe和38Sr，反应方程式为 92U＋0n→ 54Xe＋38Sr＋20n C. 92U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短

D. 92U原子核中有92个质子、143个中子

8 2352351399512351399523512352

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E．一个 92U核裂变的质量亏损为Δm＝0.215 5 u，则释放的核能约201 MeV 答案

BDE 解析

反应后的核废料仍然具有放射性，需要进一步处理，故A错误；发生核反应的过程满足电荷数和质量数守恒，可判断B正确；半衰期的大小由原子核内部因素决定，与外部环境无关，故C错误；92为U元素的质子数，中子数为：235－92＝143.故D正确；根据质能方程与质量亏损可知，裂变时释放的能量是ΔE＝Δm·c＝0.215 5×931.5 MeV≈201 MeV，故E正确．

题组二

对核聚变的理解

5．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是(

) A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多

B．聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大

C．聚变反应中粒子的比结合能变小

D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增大

答案

B 解析

在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，故A错误；由于聚变反应中释放出巨大的能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，故C、D错误．

6．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．聚变必须将反应物加热至数百万摄氏度以上高温，显然是吸收能量

D．裂变与聚变均可释放巨大的能量

答案

D 解析

裂变是重核分裂成中等质量的核，而聚变则是轻核聚合成为较重的核，无直接关联，并非互为逆反应，A、B错；要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要达到数百万摄氏度高温，但聚变一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量，因此，总的说来，聚变反应还是释放能量，故正确答案为D. 7．(多选)据《中国科技报》报道，我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称为“人造太阳”)已经完成了首次工程调试，下列关于“人造太阳”的说法正确的是(

) A．“人造太阳”的核反应方程是 92U＋0n→ 56Ba＋36Kr＋30n B．“人造太阳”的核反应过程中一定发生质量亏损，该过程释放的核能可以用ΔE＝Δmc来计算

C．“人造太阳”的核反应方程是1H＋1H→2He＋0n D．“人造太阳”的核反应必须在极高温度下，使参与核反应的原子核间的距离接近到10

9 －152341223511419212235

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m的范围以内才能够发生

答案

BCD 解析

人造太阳的核聚变是氘核和氚核进行的核聚变反应，A错误，C正确；核聚变过程中出现质量亏损，根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc可求出核反应释放的能量，B正确；聚变反应必须在极高温度下，使参与核反应的原子核间的距离接近到10发生，故D正确．

8．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为

11－152 m的范围以内才能够H＋ 6C―→ 7N＋Q1，1H＋ 7N―→ 6C＋X＋Q2

121311512方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：

原子核

质量/u

11H

32He

42He

12 6C

13 7N

15 7N 1.007 8

3.016 0

4.002 6

12.000 0

13.005 7

15.000 1 以下推断正确的是(

) A．X是2He，Q2>Q1 C．X是2He，Q2

B 解析

根据核反应中质量数与电荷数守恒容易求得新核X的质量数为4、电荷数为2，即X是2He；根据表中提供的数据，可以求得第2个核反应的质量亏损大，根据爱因斯坦质能方程必然有Q1

) A．21.04 MeV C．77.64 MeV 答案

D 解析

6个中子和6个质子可结合成3个α粒子，放出能量3×28.3 MeV＝84.9 MeV,3个α粒子再结合成一个碳核，放出7.26 MeV能量，故6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放能量为84.9 MeV＋7.26 MeV＝92.16 MeV. 题组三

综合应用

10．设氢弹内装的是氘和氚，试求在氢弹中当合成1 kg的氦时所释放出的能量．(氘核1H的质量为2.013 6 u，氚核1H的质量为3.016 6 u，氦核2He的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u) 答案

2.64×10 MeV 解析

氘和氚在高温下聚变生成氦，核聚变方程为

2127342433B．X是2He，Q2>Q1

D．X是2He，Q2

44B．35.56 MeV D．92.16 MeV H＋1H→2He＋0n 10 341

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审核人：于天水

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当一个氘核1H与一个氚核1H发生反应时放出的能量为

ΔE＝Δmc＝(2.013 6＋3.016 6－4.002 6－1.008 7)×931.5 MeV≈17.6 MeV.

1 kg氦(2He)中所含的原子核数目为

4223N＝nNA＝1 0002326×6.02×10个≈1.5×10个．

4.002 64这样合成1 kg 2He时所放出的总能量为

E＝NΔE＝1.5×1026×17.6 MeV＝2.64×1027 MeV. 11．两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量mD＝2.013 6 u，氦核质量mHe＝3.015 0 u，中子质量mn＝1.008 7 u. (1)计算释放出的结合能；

(2)若反应前两氘核的动能均为Ek0＝0.35 MeV，它们正撞发生聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？

答案

(1)3.26 MeV (2)0.99 MeV 2.97 MeV 解析

(1)核反应方程为：1H＋1H→2He＋0n 反应质量亏损Δm＝2mD－mHe－mn＝0.003 5 u. 由质能方程得释放核能ΔE＝Δm×931.5 MeV＝0.003 5×931.5 MeV≈3.26 MeV.

(2)将两氘核作为一个系统，

由动量守恒有0＝mHevHe＋mnvn①

1122由能量守恒有：mHevHe＋mnvn＝ΔE＋2Ek0②

22由①②代入数据可得EkHe＝0.99 MeV，

2231Ekn＝2.97 MeV. 12．现有的核电站常用的核反应之一是：

235

92U＋0n→

60Nd＋Zr＋30n＋8－1e＋ν

114310(1)核反应方程中的ν是反中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数．

(2)已知铀核的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，钕(Nd)核的质量为142.909 8 u，锆核的质量为89.904 7 u，试计算1 kg铀235裂变释放的能量为多少焦耳？(已知1 u质量相当于931.5 MeV的能量，且1 u＝1.660 6×10答案

(1)40 90 (2)8.1×10 J 解析

(1)锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－146＝90. (2)1 kg铀235中铀核的个数为

13－27kg) n＝124－27≈2.56×10(个) 235.043 9×1.660 6×10

11

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不考虑核反应中生成的电子质量，1个铀235核裂变产生的质量亏损为Δm＝0.212 u，释放的能量为

ΔE＝0.212×931.5 MeV≈197.5 MeV

则1 kg铀235完全裂变释放的能量为

E＝nΔE＝2.56×1024×197.5 MeV＝5.056×1026

MeV≈8.1×1013 J.

12