第五章原子核4.核裂變與核聚變人教版(2019)

物理(選擇性必修第三冊)目錄01

素養目標

02

課程導入03

新課講解

0

4

總

結

歸

納05課堂

練

習·

素養目標1.了解核裂變反應及鏈式反應的條件2.知道反應堆的工作原理及其類型，知道核電站的工作流程3.了解核聚變反應及條件。關注受控核聚變反應研究的進度4.了解兩類核能應用的利弊，關注核技術應用對人類生活和社會發

展的影響新課講解課程導入課堂練習素養目標總結歸納較重的核分裂成中等大小的核，較小的核合并成中等大小的核的過程中，都有可能釋放出能量。核電站以及原子彈、氫

彈等核武器，利用的就是這些核能。在這些裝置中，核能是怎

樣被轉化和使用的呢?人

民

日報

號

外加強國防建設的重大成就，對保衛世界和平的重大貢獻我國第一顆原子彈爆炸成功我國政府發衣聲明，鄭室建漢召開世界各因首腦會議，討論全而榮止和御底銷效放火器問題。新課講解素養目標課程導入課堂練習總結歸納鈾235

中子鈾236(不穩定)中子鋇144鈾核裂變的產物是多樣的，一種典型的鈾核裂變是生成鋇和氪(鈾236為中間過程，不穩定),同時放出3個中子。核反應方程是25U+n→56

Ba+36Kr+3n核裂變

物理學中把重核分裂成兩個較輕的核時，釋放出核能的反應叫做核裂變。中子中子新課講解素養目標課程導入課堂練習總結歸納氪89由重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續下去的過程。條件：核裂變物質的體積大于或等于臨界體積或核裂變物質的質量大于或等于臨界質量。鏈式反應新課講解素養目標課程導入總結歸納課堂練習鏈式反應臨界體積和臨界質量：使裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積叫做它的臨界體積，相應的質量叫做臨界質量。鈾塊的大小是鏈式反應能否進行的重要因素。原子核的體積非常小，原子內部的空隙很大，如果鈾塊不夠大，

中子在鈾塊中通過時，就有可能不到鈾核而跑到鈾核外面去，鏈式

反應不能繼續。只有當鈾核足夠大時，裂變產生的中子才有足夠的

概率打中某個核，使鏈式反應進行下去。通常把裂變物質能夠發生

鏈式反應的最小體積叫做它的臨界體積，相應的質量叫做臨界質量新課講解素養目標課程導入課堂練習總結歸納1947年我國著名物理學家錢三強、何澤慧夫婦在巴黎首先觀察到中子轟擊鈾核也可能分裂為三部分或四部分，其概率大約是分裂為兩部分

的概率的

和。這一研究成果得到了廣泛的認可和贊譽。鈾核裂變的產物是多種多樣的，其他裂變方程還有：鈾核的三分裂、四分裂核裂變的發現素養目標課堂練習新課講解課程導入總結歸納核裂變的發現鈾核裂變時如果生成物不同，釋放的能量也有差異。如果一個鈾235核裂變時釋放的能量按200

MeV

估算，1

kg鈾235全部裂變時

放出的能量就相當于2800t

標準煤完全燃燒時釋放的化學能!新課講解素養目標課堂練習總結歸納課程導入鈾核裂變時的核反應方程為：

已知：mu=390.3139×10-27kg,mkr=152.6047×10-27kg,mBa=234.0016×10-27kg,mn=1.6749×10-27kg

。

求

：

1Kg

鈾完全裂變釋放的能量。1個U?35發生裂變虧損質量：

△m=(m+m)-(mBa+mkr+3m

。)=0.3578×10-27kg1個U235發生裂變釋放的能量：

△E=△mc2=△m×931.5MeV=200.55MeV1kg

鈾中含有的鈾核數為：

1Kg

鈾完全裂變釋放的能量為：△E=2.562×102?×200.55MeV=8.2×1013J已知1kg標準煤完全燃燒釋放的熱量是2.94×107J,

則

1Kg鈾完全裂變釋放的能量相當

于多少標準煤完全燃燒釋放的熱量?相當于標準煤的質量為：素養目標新課講解課程導入課堂練習總結歸納原子彈的燃料是鈾235或钚239。在天然鈾中只有0.7%的鈾235,剩下的99.3%是

不易核裂變的鈾238。為得到高濃度的鈾235,就必須進行同位素分離，形成鈾235含量較高的濃縮鈾。钚239在自然界并不存在，人們利用核反應堆中產生的中子打擊鈾238,生成物衰變后成為钚239,然后再

利用化學方法將钚239從鈾238中分離出來。原子彈原子彈是利用重核裂變的鏈式反應制成的，在極短時間內能夠釋放大量核能，發生猛烈爆炸。“槍式”原子彈結構原理圖

“內爆式”原子彈結構原理圖兩個

钚半球中子反射層課程導入新課講解總結歸納課堂練習素養目標原子彈外殼一雷管-

導向槽—雷中子源-烈性炸藥一圓柱形鈾塊原子彈結構原理兩層模形

烈性炸藥中子反射層原子彈圖5.4-3是“內爆式”原子彈結構圖。核燃料一般被分成若干塊放置，每塊的體積都小于臨界體積。它的外部安放化學炸藥，引爆時利用化學炸藥爆炸的沖擊波將核燃料壓縮至高密度的超臨界狀態，聚心沖擊波同

時壓縮放在核燃料球心的中子源，使它釋放

中子，引起核燃料的鏈式反應。其中，中子

源的四周用鈾238做成中子反射層，使逸出

燃料區的部分中子返回，從而，降低中子逃

逸率以減小臨界質量，節省核燃料。兩個钚半球中子源鈾238反射層兩層楔形烈性炸藥雷管新課講解課程導入素養目標課堂練習總結歸納圖5.4-3

內爆式原子彈示意圖核反應堆1.核反應堆：人工控制鏈式反應的裝置吸收中子、控制反應速率鎘棒鈾棒(濃縮鈾)核燃料核反應堆結構慢化劑

慢中子(石墨、輕水、重水)水泥防護層屏蔽射線，防止放射性污染。新課講解素養目標課程導入總結歸納課堂練習(1)燃料：鈾棒熱中子反應堆的核燃料是鈾棒，成分是天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%一4%)(2)慢化劑：為

了使裂變產生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“慢化劑”,常用的慢化劑有石墨、重水或普通水。中子的速度不能太快，否則會與鈾235“擦肩而過”,鈾核不能“捉”住它，不能發生核裂變。實驗證明，速度與熱運動速度相當的中子最適于引發核裂變。這樣的中

子就是“熱中子”,或稱慢中子。(3)控制棒：在鈾棒之間插入一些鎘棒，利用鎘棒吸收中子的能力很強來控制反應速

度。鎘棒插入的越深，吸收的中子就越多，鏈式反應的速度就越慢，這樣的鎘棒叫

控

制

棒

。(4)水泥防護層：屏蔽射線防止放射性污染。新課講解課程導入素養目標總結歸納課堂練習核電站優點：①消耗的核燃料少②污

染

小一座百萬千瓦級的核電站，

一年只消耗濃縮鈾30噸左右，而同樣功率

的火電站每年要消耗煤250萬噸。核電站對環境的污染比火電站小。蒸汽核反應堆熱交換器泵第一回路水泥防護層蒸汽輪機

發電

機核電站工作流程課程導入新課講解素養目標總結歸納課堂練習水

泵

第二回路冷凝器發生聚變的條件：使原子核間的距離達到

10-15m

以內(原子核需要很大的動能

才會“撞”在一起)方

法

：①用加速器加速原子核②原子核加熱到很高的溫度10?~109K2H+{H→2He+!n

8十某些輕核能夠結合在一起，生成一個較大的原子核的核反應。2H+2H→2He+!n核聚變新課講解素養目標課程導入課堂練習總結歸納O十太陽的巨大能量就是核聚變產生的，幾十億年來，太陽每秒

輻射出的能量約為3.8X1026J,相當于1千億億噸煤燃燒所放的

能量，其中20億分之一左右的

能量被地球吸收大陽是一個巨大的熱核反應堆新課講解課程導入素養目標總結歸納課堂練習普通炸藥一爆炸U235→

裂變氘、氚

→

聚變2H+3H→2He+!n氘、氘、重氫化鉀等引爆裝置普通炸藥鈾235外殼彈體

三種炸藥：氫彈結構示意圖新課講解課程導入素養目標課堂練習總結歸納小型原子彈受控核聚變可控熱核反應將為人類提供巨大的能源，和平利用聚變產生

的核量是非常吸引人的重大課題，我國的可控核聚變裝置“中

國環流器1號”已取得不少研究成果.熱核反應和裂變反應相比較，具有許多優越性。課堂練習新課講解素養目標課程導入總結歸納比較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素養目標新課講解課堂練習課程導入總結歸納實現核聚變的方法(1)難點：地球上沒有任何容器能夠經受幾百萬開爾文的高溫。(2)方案：科學家設想了兩種方案，即磁約束和慣性約束。磁約束：帶電粒子運動時在均勻磁場中會在洛倫茲力的作用而不飛散，

因此有可能利用磁場來約束參加反應的物質。粒子軌跡A線圈Plasma托卡馬克(環流器)磁約束裝置Vessel線圈新課講解課程導入素養目標課堂練習總結歸納SolonoidMagnetsPolodial

MagnetsTorodialMagnetsB慣性約束由于聚變反應的時間非常短，聚變物質因自身的慣性還來不及擴散就完成了核反應。在慣性約束下，可以用激光從各個方向照射參加反應的物質，使它們“擠”在一起發生反應靶丸供給室膨脹著的等離子體激光輸入(

激

光

束被壓縮的中心核屏蔽再生層熱量交換器慣性約束示意圖

慣性約束聚變激光新課講解素養目標課堂練習課程導入總結歸納經典例題1.鈾核可以發生衰變和裂變，鈾核的(C

)A.衰變和裂變都能自發發生B.衰變和裂變都不能自發發生C.衰變能自發發生而裂變不能自發發生D.衰變不能自發發生而裂變能自發發生新課講解素養目標課程導入課堂練習總結歸納答案：C解析：衰變能自發發生，而鈾發生裂變的條件是有中子轟擊，故C正確，ABD

錯誤。新課講解課程導入素養目標課堂練習總結歸納經典例題2.我國研制的全球首座20萬千瓦高溫氣冷堆核電站于2021年4月裝

料完畢，年底正式發電。該核反應堆用鈾235作核燃料，用石墨作慢化劑，用氦氣作冷卻劑。則(B

)A.鈾235的核裂變是它自發分裂成兩個中等核，同時放出中子B.裂變產生的中等核的比結合能大于鈾235的比結合能C.石墨在反應堆中的作用是吸收中子，控制反應的速度D.可用鈾238替代鈾235作為核燃料素養目標新課講解課程導入課堂練習總結歸納答案

：B解析：鈾235的核裂變必須要有中子轟擊才能分裂成兩個中等核，同時

放出多個中子，選項A

錯誤；裂變過程會釋放核能，產生的中等核更加

穩定，則產生的中等核的比結合能大于鈾235的比結合能，選項B正確；慢中子更容易引發鈾核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進行減速石墨

的作用是使中子減速，故C錯誤；在天然鈾中占99%的鈾238不易核裂變，

不能被利用，則不可用鈾238替代鈾235作為核燃料，選項D

錯誤。新課講解素養目標課程導入課堂練習總結歸納素養目標

課程導入新課講解

總結歸納

課堂練習定義鈾裂變方程核裂變的發現

鏈式反應裂變應用定義聚變方程聚變條件與裂變比較鏈式反應快：原子彈鏈式反應慢：核電站核裂變與核聚變核聚變某靜止的原子核發生核反應且釋放出能量

Q,其方程為

,假設釋放的能量全部轉化為新核Y和

Z的動能，測得

Z的速度為v,以下結論正確的

是(D)A.Y原子核的速度大小為

B.Y原子核的動能是Z原子核的動能的倍C.Y原子核和Z

原子核的質量之和比X

原子核的質量大

(c

為光速)D.Y和

Z的結合能之和一定大于X的結合能新課講解素養目標課程導入總結歸納課堂練習答案：D解析：靜止的原子核發生衰變的過程中動量守恒，設Y

的速度為v′,以

Z

的速度方向為正方向，則有Fv+Dv'=0,所以即大小為

,負號表示方向與Z的速度方向相反，故A錯誤；動能

,所以Y原子核的動能與Z原子核的動能關系故

B錯誤；由于該反應過程中釋放能量，所以

Y原子核和Z

原子核的質量之和比X原子核的質量小，故C錯誤；由于該反

應過程中釋放能量，所以Y和

Z的結合能之和一定大于X的結合能，故D

正確。素養目標新課講解課程導入總結歸納課堂練習我國第一代核潛艇總設計師黃旭華院士于2019年9月29日獲頒“共和國勛章”。核動力潛艇的核反應堆中可能的一個核反應方程為235U+on→564

Ba+36Kr+x?n+△E(其中△E為釋放出的核能)。下列說法正確

的是(

D

)A.該核反應屬于原子核的衰變

B.核反應方程式中x=2C.225U的比結合能為