知識點一、核裂變的發(fā)現(xiàn)
1．核裂變：鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊，這類核反應(yīng)定名為核裂變．
2．鈾核裂變
用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應(yīng)是eq \\al(235, 92)U＋
eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n.
3．鏈式反應(yīng)
中子轟擊重核發(fā)生裂變后，裂變釋放的中子繼續(xù)與其他重核發(fā)生反應(yīng)，引起新的核裂變，使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去，這樣的過程叫作核裂變的鏈式反應(yīng)．
4．臨界體積和臨界質(zhì)量：核裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的最小體積叫作它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量．
知識點二、反應(yīng)堆與核電站
1．核電站：利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是反應(yīng)堆，它主要由以下幾部分組成：
(1)燃料：鈾棒．
(2)慢化劑：石墨、重水和普通水(也叫輕水)．
(3)控制棒：為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒，它吸收中子的能力很強，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度就會慢一些，這種鎘棒叫作控制棒．
2．工作原理
核燃料發(fā)生核裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應(yīng)堆冷卻．
3．核污染的處理
在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線．核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下．
核電站的主要部件及作用
知識點三、核聚變
1．定義：兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變．
2．核反應(yīng)方程：eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV.
3．條件：使輕核的距離達到10－15 m以內(nèi)．
方法：加熱到很高的溫度．
4．宇宙中的核聚變：太陽能是太陽內(nèi)部的氫核聚變成氦核釋放的核能．
5．人工熱核反應(yīng)：氫彈．首先由化學(xué)炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸．
6．核聚變與核裂變的比較
(1)優(yōu)點：①輕核聚變產(chǎn)能效率高；②地球上核聚變?nèi)剂想碗暗膬α控S富；③輕核聚變更為安全、清潔．
(2)缺點：核聚變需要的溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度．
解決方案：磁約束和慣性約束．
重核裂變與輕核聚變的區(qū)別
關(guān)于鏈式反應(yīng)，下列說法正確的是（ ）
A．只要有中子打入鈾塊，一定能發(fā)生鏈式反應(yīng)
B．只要是純鈾235，一定能發(fā)生鏈式反應(yīng)
C．只要時間足夠長，就可以發(fā)生鏈式發(fā)應(yīng)
D．鈾塊體積超過臨界體積時，一旦中子進入就可以引發(fā)鈾核的鏈式反應(yīng)
【解答】解：發(fā)生鏈式反應(yīng)的條件：（1）發(fā)生裂變時物質(zhì)的體積大于等于臨界體積，鏈式反應(yīng)的發(fā)生條件需滿足鈾塊的大小足夠大，只有當(dāng)鈾塊足夠大時，裂變產(chǎn)生的中子才有足夠的概率打中某個鈾核，使鏈式反應(yīng)進行下去，即需使鈾塊體積超過臨界體積，才能發(fā)生鏈式反應(yīng)，（2）有足夠濃度的鈾235，（3）有足夠數(shù)量的慢中子，故D正確，ABC錯誤。
故選：D。
原子核反應(yīng)有廣泛的應(yīng)用，如用于核電站等，在下列反應(yīng)中，屬于核裂變反應(yīng)的是（ ）
A．Bn→LiHe
B．U→ThHe
C．NHe→OH
D．Un→BaKrn
【解答】解：A、Bn→LiHe為原子核的人工核轉(zhuǎn)變；故A錯誤
B、U→ThHe為α衰變；故B錯誤；
C、NHe→OH為原子核的人工核轉(zhuǎn)變；故C錯誤；
D、Un→BaKrn屬于核裂變反應(yīng)；故D正確；
故選：D。
關(guān)于核電站的核反應(yīng)堆，下列說法正確的是（ ）
A．利用熱中子是因為熱中子的速度快，增加反應(yīng)速度
B．在鈾棒的周圍放重水或普通水的目的是冷卻反應(yīng)堆
C．控制棒通過減速中子達到控制反應(yīng)速度的目的
D．若核反應(yīng)劇烈，可將控制棒插入深一些，減慢反應(yīng)速度
【解答】解：ABC、因為核裂變產(chǎn)生的是速度很大的快中子，中子速度不能太快，否則會和鈾核擦肩而過，鈾核不能“捉”住它，不能發(fā)生核裂變，所以必須控制好中子的速度，為了使快中子減速，在鈾棒的周圍放重水或者普通水，目的就是起到使中子冷卻達到減速的目的，故ABC錯誤；
D、根據(jù)核反應(yīng)堆，控制棒的作用可知，控制棒插入深一些，讓它吸收多中子，中子數(shù)減少，反應(yīng)速率會慢一些，故D正確；
故選：D。
如圖所示的鏈式反應(yīng)中，重核裂變時放出的可以使裂變不斷進行下去的粒子是（ ）
A．中子B．質(zhì)子C．α粒子D．β粒子
【解答】解：鏈式反應(yīng)中，重核裂變時放出的可以使裂變不斷進行下去的粒子是中子，并且一次裂變可以放出多個中子，從而發(fā)生鏈式反應(yīng)，故A正確，BCD錯誤。
故選：A。
（2023春?河南期末）核電站就是利用一座或若干座動力反應(yīng)堆所產(chǎn)生的熱能來發(fā)電或發(fā)電兼供熱的動力設(shè)施。反應(yīng)堆是核電站的關(guān)鍵設(shè)備，鏈式裂變反應(yīng)就在其中進行。以下反應(yīng)屬于核裂變的是（ ）
A．
B．
C．
D．
【解答】解：A、β衰變是指一個原子核釋放出一個電子，此反應(yīng)釋放出電子，所以是β衰變，故A錯誤；
B、α衰變是指一個原子核釋放出一個α粒子，即核，此反應(yīng)釋放出α粒子，所以是α衰變，故B錯誤；
C、核裂變是由重的原子核，主要是指鈾核或钚核，分裂成兩個或多個質(zhì)量較小的原子核的一種核反應(yīng)形式，此反應(yīng)是核裂變，故C正確；
D、此反應(yīng)是α粒子轟擊鋁核生成同位素磷，是原子核的人工轉(zhuǎn)變，故D錯誤。
故選：C。
大科學(xué)工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應(yīng)釋放的能量用來發(fā)電，氘核聚變反應(yīng)方程是：HH→Hen，已知H的質(zhì)量為2.0136u，He的質(zhì)量為3.0150u，n的質(zhì)量為1.0087u，1u＝931MeV/c氘核聚變反應(yīng)中釋放的核能約為（ ）
A．3.7MeVB．3.3MeVC．2.7MeVD．0.93MeV
【解答】解：因氘核聚變的核反應(yīng)方程為：HH→Hen；
核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損為Δm＝2mH﹣（mHe+mn）＝0.0035u
釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝0.0035uc2＝3.3MeV，故B正確，ACD錯誤；
故選：B。
我國自主研發(fā)的世界首座具有第四代核電特征的核電站——華能石島灣高溫氣冷堆核電站，位于山東省威海市榮成石島灣．第四代核電站強化了防止核擴散等方面的要求，目前處在原型堆技術(shù)研發(fā)階段．核電站使用的核燃料有一種典型的鈾核裂變方程是Un→BaKr+3n，已知U質(zhì)量為m1，n質(zhì)量為m2，Ba質(zhì)量為m3，Kr質(zhì)量為m4，光速為c。下列說法正確的是（ ）
A．反應(yīng)方程中x＝36，y＝87
B．該鈾核裂變方程可簡化為U→BaKr+2n
C．一次該核反應(yīng)釋放的能量為（m1﹣2m2﹣m3﹣m4）c2
D．只有當(dāng)鈾塊的體積足夠小時才能發(fā)生鏈式反應(yīng)
【解答】解：A、根據(jù)核反應(yīng)遵循的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可得x＝（92+0﹣56）＝36，y＝235+1﹣144﹣1×3＝89，故A錯誤；
B、該鈾核裂變反應(yīng)需要中子與鈾核發(fā)生反應(yīng)才能進行，故裂變方程中的中子不能抵消，故B錯誤；
C、發(fā)生一次該核反應(yīng)虧損的質(zhì)量為Δm＝m1﹣2m2﹣m3﹣m4，釋放的能量為ΔE＝Δmc2＝（m1﹣2m2﹣m3﹣m4）c2，故C正確；
D、鈾核裂變，只有當(dāng)鈾塊的體積大于等于其臨界體積時，才能發(fā)生鏈式反應(yīng)，故D錯誤．
故選：C。
（多選）關(guān)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，一定發(fā)生鏈式反應(yīng)
C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，但核子數(shù)不變
D．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時有質(zhì)量虧損，放出核能
【解答】解：A、由于裂變的過程中有質(zhì)量虧損，會釋放能量，所以裂變時釋放的能量大于俘獲中子時得到的能量，故A錯誤；
B、根據(jù)鏈式反應(yīng)的條件可知，鈾塊體積必須達到臨界體積，有慢中子通過時才能發(fā)生鏈式反應(yīng)，故B錯誤；
C、重核裂變釋放出大量的能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，但核子數(shù)不變，故C正確；
D、根據(jù)對原子核的分析可知，重核的比結(jié)合能小于中等質(zhì)量核的比結(jié)合能，所以重核裂變成中等質(zhì)量核時，要放出核能，有質(zhì)量虧損，故D正確。
故選：CD。
（多選）用中子轟擊U原子核，發(fā)生一種可能的裂變反應(yīng)，其裂變方程為n→XSr+2n，則以下說法中正確的是（ ）
A．X原子核中含有84個中子
B．反應(yīng)生成物的總結(jié)合能比原子核的結(jié)合能小
C．X原子核中核子的平均質(zhì)量比U原子核中核子的平均質(zhì)量小
D．X原子核中核子的比結(jié)合能比原子核中核子的比結(jié)合能大
【解答】解：A、由核反應(yīng)方程的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知：X原子核中含有92﹣38＝54個質(zhì)子，235+1﹣94﹣2﹣54＝86個中子，故A錯誤；
B、裂變反應(yīng)中，質(zhì)量虧損，釋放核能，說明生成的原子核更加穩(wěn)定，即往比結(jié)合能大的方向反應(yīng)，所以反應(yīng)生成物的總結(jié)合能比原子核的結(jié)合能大，故B錯誤；
C、裂變反應(yīng)中，質(zhì)量虧損，釋放核能，說明生成的原子核更加穩(wěn)定，即X原子核中核子的平均質(zhì)量比U原子核中核子的平均質(zhì)量小，故C正確；
D、裂變的過程中釋放能量，則的比結(jié)合能小于X原子核的比結(jié)合能，即X原子核中核子的比結(jié)合能比原子核中核子的比結(jié)合能大，故D正確；
故選：CD。
核聚變能是一種具有經(jīng)濟性能好、安全可靠、無環(huán)境污染等優(yōu)勢的新能源．近年來，受控核聚變的科學(xué)可行性已得到驗證，目前正在突破關(guān)鍵技術(shù)，最終將建成商用核聚變電站．一種常見的核聚變反應(yīng)是由氫的同位素氘（又叫重氫）和氚（又叫超重氫）聚合成氦，并釋放一個中子．若已知氘原子的質(zhì)量為2.0141u，氚原子的質(zhì)量為3.0160u，氦原子的質(zhì)量為4.0026u，中子的質(zhì)量為1.0087u，1u＝1.66×10﹣27kg．
（1）寫出氘和氚聚合的反應(yīng)方程．
（2）試計算這個核反應(yīng)釋放出來的能量．
（3）若有1kg的氘核全部聚變，則釋放出多少MeV的能量？
【解答】解：（1）核反應(yīng)過程質(zhì)量數(shù)與核電荷數(shù)守恒，
核反應(yīng)方程式為：HH→Hen；
（2）核反應(yīng)過程的質(zhì)量虧損：
Δm＝[（2.0141 u+3.0160 u）﹣（4.0026 u+1.0087 u）]
＝0.0188u＝3.12×10﹣29kg，
核反應(yīng)產(chǎn)生的核能：ΔE＝Δmc2＝2.8×10﹣12J；
（3）1kg氘核有原子核數(shù)：N＝1000/2×6.02×1023＝3.01×1026個
全部聚變釋放出能量：E＝N×ΔE＝5.27×1026 MeV；
以下說法正確的是（ ）
A．聚變是裂變的逆反應(yīng)
B．如果裂變釋放能量，則聚變反應(yīng)必定吸收能量
C．聚變必須將反應(yīng)物加熱至數(shù)百萬開爾文以上的高溫，顯然是吸收能量
D．裂變與聚變均可釋放巨大的能量
【解答】解：A、聚變和裂變的反應(yīng)物和生成物完全不同，兩者無直接關(guān)系，并非互為逆反應(yīng)，故A錯誤；
BCD、實現(xiàn)聚變反應(yīng)必須使參加反應(yīng)的輕核充分接近，需要數(shù)百萬開爾文的高溫，但聚變反應(yīng)一旦實現(xiàn)，所釋放的能量遠大于所吸收的能量，所以聚變反應(yīng)還是釋放能量，裂變與聚變均可釋放巨大的能量，故BC錯誤，D正確；
故選：D。
（2022?武功縣一模）一個U原子核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應(yīng)，其裂變方程為Un→XSr+2n，則下列敘述正確的是（ ）
A．X原子核中含有86個中子
B．X原子核中含有141個核子
C．因為裂變時釋放能量，根據(jù)E＝mc2，所以裂變后的總質(zhì)量數(shù)增加
D．因為裂變時釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少
【解答】解：AB、根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒知，X的質(zhì)量數(shù)為140，電荷數(shù)為54，則中子數(shù)為86，核子數(shù)為140，故A正確，B錯誤。
CD、在裂變的過程中，有能量釋放，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程知，裂變后的總質(zhì)量小于反應(yīng)前的質(zhì)量，但是質(zhì)量數(shù)守恒，故C、D錯誤。
故選：A。
（2023春?和平區(qū)期末）在下列描述核反應(yīng)的方程中，屬于α衰變的是 ③ ；屬于裂變的是 ④ （填寫序號）。
①HHHen
②HeNOH
③UThHe
④nUXeSrn
【解答】解：α衰變是指原子核釋放出一個α粒子，即氦核，所以屬于α衰變的是③
裂變是由較重的原子核，主要是鈾核或钚核，分裂成較輕的原子核的一種核反應(yīng)，所以屬于裂變的是④
答：③；④。
（多選）鈾核裂變時，對于產(chǎn)生鏈式反應(yīng)的重要因素，下列說法中正確的是（ ）
A．鈾塊的質(zhì)量是重要因素，與體積無關(guān)
B．裂變的鏈式反應(yīng)是直接利用裂變時產(chǎn)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(yīng)就能夠發(fā)生
D．以上說法都不對
【解答】解：鈾235發(fā)生裂變的條件是有中子轟擊，重核裂變時用中子轟擊重核，產(chǎn)生多個中子，中子又會撞擊重核，產(chǎn)生更多的中子，即鈾235發(fā)生裂變的鏈式反應(yīng)是直接用裂變時產(chǎn)生的快中子，產(chǎn)生鏈式反應(yīng)的條件是中子再生率大于1，因此超過它的臨界體積，裂變的鏈式反應(yīng)就能夠發(fā)生，故AD錯誤，BC正確。
故選：BC。
（多選）關(guān)于核反應(yīng)堆，下列說法正確的是（ ）
A．鈾棒是核燃料，裂變時釋放核能
B．鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率
C．鈾棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率
D．石墨的作用是吸收中子
E．冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出內(nèi)能
【解答】解：A、在核反應(yīng)堆中，鈾棒是核燃料，裂變時放出能量，故A正確；
BC、鎘棒吸收中子的能力很強，作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，即控制反應(yīng)堆的功率，故B正確，C錯誤；
D、慢中子最容易引發(fā)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D錯誤；
E、水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應(yīng)堆冷卻，控制溫度，故E正確。
故選：ABE。
（多選）（2023?浙江模擬）核能的利用可以減少碳排放，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和氣候變化目標。近日，美國能源部稱，其核聚變“國家點燃實驗設(shè)施”向目標輸入了2.05兆焦的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦的聚變能量輸出。下列說法正確的是（ ）
A．該核反應(yīng)的方程可能是UnBaKrn
B．該核反應(yīng)需要極高的溫度
C．我國的大亞灣核電站利用了核聚變產(chǎn)生的能量
D．產(chǎn)生3.15兆焦的能量需要3.5×10﹣11kg的質(zhì)量虧損
【解答】解：A．是核裂變方程而非聚變方程，故A錯誤；
B．核聚變需要極高的溫度，才能使原子核接近到核力作用的范圍，故B正確；
C．我國的大亞灣核電站利用了核裂變產(chǎn)生的能量而非核聚變產(chǎn)生的能量，故C錯誤；
D．根據(jù)質(zhì)能方程
ΔE＝Δmc2
可得

故D正確。
故選：BD。
（2023?福州模擬）2022年，中國新一代“人造太陽”科學(xué)研究取得突破性進展，HL﹣2M等離子體電流突破100萬安培，創(chuàng)造了我國可控核聚變裝置運行新紀錄。其中，氫核聚變的核反應(yīng)方程為HH→He+X，則X為 中子 ，已知：H質(zhì)量為m1，H質(zhì)量為m2，He質(zhì)量為m3，X的質(zhì)量為m4，光速c，則該核反應(yīng)釋放的核能大小為 （m1+m2?m3?m4）c2 （請用m1、m2、m3、m4、c表示）
【解答】解：粒子X的質(zhì)量數(shù)：m＝2+3﹣4＝1
核電荷數(shù)：z＝1+1﹣2＝0，所以X是中子
根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程可得核反應(yīng)所釋放核能的表達式為：（m1+m2?m3?m4）c2
故答案為：中子；（m1+m2?m3?m4）c2。
現(xiàn)在的核電站比較廣泛采用的核反應(yīng)之一是：Un→Nd+Zr+3n+8e
（1）核反應(yīng)方程中的是反中微子，它不帶電，質(zhì)量數(shù)為零，試確定生成物鋯（Zr）的電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù)。
（2）已知鈾（U）核的質(zhì)量為235.0439u，中子質(zhì)量為1.0087u，釹（Nd）核質(zhì)量為142.9098u，鋯核質(zhì)量為89.9047u；又知1u＝1.6606×10﹣27kg．試計算1kg鈾235大約能產(chǎn)生的能量是多少？
【解答】解：（1）核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)和電荷守恒，則可知鋯的電荷數(shù)Z＝92﹣60+8＝40，質(zhì)量數(shù)A＝236﹣（143+3）＝90，核反應(yīng)方程中應(yīng)用符號表示。
（2）1kg鈾235的核數(shù)為個＝2.56×1024個
不考慮核反應(yīng)中生成的電子質(zhì)量，一個鈾核反應(yīng)發(fā)生的質(zhì)量虧損為Δm＝0.212u
1kg鈾235完全裂變放出的能量約為
E＝nΔmc2＝2.56×1024×0.212×1.6606×10﹣27×（3.0×108）2＝8.12×1013J。
一個中子轟擊鈾核（U）可裂變生成鋇（Ba）和氪（Kr）．已知U、Ba Kr和中子的質(zhì)量分別是235.0439u、140.9139u、91.8973u和1.0087u，已知1u的質(zhì)量對應(yīng)931.5MeV的能量。
（1）寫出鈾裂變反應(yīng)方程；
（2）算出該核反應(yīng)過程中釋放的核能；
（3）計算235g的235U裂變時放出的能量．（NA＝6.02×1023ml﹣1）
【解答】解：（1）核反應(yīng)方程為：Un；
（2）根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2可以求出釋放能量為：
ΔE＝Δmc2＝0.2153×930MeV＝2×102MeV；
（3）235g鈾235的摩爾數(shù)為：nml＝1ml；
235g鈾235個數(shù)為N＝nNA＝1×6.02×1023個＝6.02×1023個；
因此235g鈾235完全裂變時釋放的能量E＝6.02×1023×2.153×102 MeV≈1.3×1026MeV。組成部分
材料
作用
裂變材料(核燃料)
濃縮鈾
提供核燃料
減速劑(慢化劑)
石墨、重水或普通水(也叫輕水)
使裂變產(chǎn)生的快中子減速
控制棒
鎘棒
吸收中子，控制反應(yīng)速度
熱交換器
水或液態(tài)的金屬鈉
傳輸熱量
防護層
厚水泥層
防止放射線泄露，對人體及其他生物體造成傷害
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(zhì)量的原子核，放出核能
兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能
放能多少
聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能量要大3～4倍

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高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第三冊電子課本

4 核裂變與核聚變

版本： 人教版 (2019)

年級： 選擇性必修 第三冊

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