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第五节裂变和聚变1．(2019年启东期末)下列说法正确的是()A．结合能越大原子核一定越稳定B．比结合能越大的原子核越稳定C．核力存在于原子核内任意两个核子之间D．比结合能越大的原子核结合或分解成比结合能小的原子核时释放核能【答案】B【解析】比结合能的大小反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核越稳定，故A错误，B正确；核力是短程力，只存在于邻近的核子之间，故C错误；比结合能小的原子核结合或分解成比结合能大的原子核时释放核能，故D错误．2．某核反应方程为21H＋31H―→42He＋X.已知21H的质量为2.0136u，31H的质量为3.0180u，42He的质量为4.0026u，X的质量为1.0087u，则下列说法中正确的是()A．X是质子，该反应释放能量B．X是中子，该反应释放能量C．X是质子，该反应吸收能量D．X是中子，该反应吸收能量【答案】B【解析】根据质量数和电荷数守恒：21H＋31H―→42H＋10n，所以X为中子，在该核反应中质量亏损Δm＝(2.0136u＋3.0180u)－(4.0026u＋1.0087u)＝0.0203u0，质量发生亏损，该反应释放能量，所以B对．3．原子核质量单位为u,1u相当于931.5MeV的能量，真空中光速为c，当质量分别为m1和m2的核子结合为质量为M的原子核时释放出的能量是()A．(M－m1－m2)c2B．(m1＋m2－M)×931.5JC．(m1＋m2－M)c2D．(m1＋m2－M)×931.5MeV【答案】C【解析】在核能计算时，如果质量的单位是kg，则用ΔE＝Δmc2进行计算．如果质量的单位是u，则利用1u相当于931.5MeV的能量，即ΔE＝Δm×931.5MeV进行计算，故C正确．A、B、D错误．4．一个铍原子核(74Be)从最靠近核的K层电子轨道上俘获一个电子后发生衰变，生成一个锂核(73Li)并放出一个不带电的质量接近于零的中微子νe(质量不变)，人们把这种衰变叫铍核的Ec衰变．核反应方程为：74Be＋0－1e―→73Li＋νe，已知一个铍原子质量为m1，一个锂原子质量为m2，一个电子质量为me，光速为c，则一个铍原子核发生上述核反应释放的能量是()A．(m1－m2)c2B．(m1＋me＋m2)c2C．(m1＋me－m2)c2D．(m2－m1－me)c2【答案】C【解析】由爱因斯坦质能方程核反应前质量为m1＋me，反应后m2，故释放的能量为(m1＋me－m2)c2，A、B、D错，C对．一、核裂变与链式反应1．核裂变：________分裂为两个或两个以上的较轻质量的核的反应．2．链式反应：一个核的裂变能够引发一个或一个以上的核发生裂变，让核裂变的过程能________进行下去，源源不断地将________释放出来．重核自发核能3．铀235与铀238比较(1)天然铀储量：铀238占99.3%，铀235占0.7%.(2)与中子的作用特点①铀235俘获各种能量的中子都会发生裂变，而且俘获能量低的中子发生裂变的几率________．②铀238只有俘获能量________1MeV的中子才可能发生裂变，并且几率________，俘获能量低于1MeV的中子时，不发生裂变，而变为铀239.③为使链式反应容易发生，最好选用________．较小大于很小铀2354．一种典型的裂变反应方程23592U＋10n→8936Kr＋14456Ba＋________.5．临界体积：能够发生链式反应的铀块的________体积．410n最小二、受控热核反应1．核聚变：轻核结合成质量________核，轻核聚变必须在高温下进行，因此又叫________．2．能量变化：轻核聚变后，平均结合能________，反应中会________能量．3．核反应举例：21H＋31H→________＋10n＋17.6MeV.4．核反应条件：必须使它们的距离达到________m以内，使核具有足够的________，轻核才能够发生聚变．较大的热核反应增加释放42He10－15动能5．特点：在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变__________的能量．热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠_____________就会使反应继续下去．6．受控热核反应：如果要使巨大的热核反应能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工控制下逐渐地释放出来并加以利用(例如发电)，这称为受控热核反应．释放更多自身产生的热7．实现受控热核反应的条件(1)要把热核燃料加热到非常高的温度；(2)要使聚变反应维持下去并能加以控制以提供可用的能量；(3)使热核反应释放的能量足以补偿形成聚变过程中所损失的能量，这个条件称为“点火”条件．核聚变为什么需要在超高温条件下才能发生？【答案】使核发生聚变反应，必须使它们接近到10－15m．由于原子核带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服电荷之间的很大的斥力作用，这就要使核具有很大的动能才行．当物质达到几百万摄氏度以上的高温时，原子核核外电子已经完全和原子脱离，成为等离子体，这时小部分原子核就有足够的动能克服电荷相互间的库仑斥力，在相互碰撞中接近到可发生聚变反应的距离而发生核反应．1．裂变：用中子轰击某些重核(如铀核)时，发现重核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量，这种核反应过程叫做核裂变．2．核能：核裂变释放出的能量称为裂变能，也称核能或原子能．重核的裂变3．重核裂变模型——铀核裂变(1)铀核裂变：中子碰撞23592U后，将复合成23692U且处在高激发状态，相当于一个高温的液滴.23692U要发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球形的核，核子间的距离增大，核力迅速减小，不能抵消质子间的库仑斥力而使核恢复原状，23692U就分裂成两部分，同时放出中子．(2)23592U裂变的产物及核反应方程．23592U裂变为锶9538Sr和氙13954Xe，核反应方程：10n＋23592U→9538Sr＋13954Xe＋210n.23592U裂变为钡14156Ba和氪9236Kr，核反应方程：10n＋23592U→14156Ba＋9236Kr＋310n.(3)23592U裂变释放的能量是巨大的，裂变反应中每个核子释放的能量约1MeV.(4)在不同的裂变反应中，23592U释放的能量也不同．4．链式反应裂变的链式反应需要一定的条件才能维持下去：(1)要有足够浓度的铀235；(2)要有足够数量的慢中子；(3)铀块的体积要大于临界体积．例1关于重核的裂变，下列说法正确的是()A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应C．重核裂变释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能解析：根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程．因而其释放的能量是远大于其俘获中子时吸收的能量的．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积．如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生．在裂变反应中核子数是不会减少的，如23592U裂变为9038Sr和13654Xe的核反应，其核反应方程为：23592U＋10n→9038Sr＋13654Xe＋1010n其中各粒子质量分别为mU＝235.0439u，mn＝1.00867umSr＝89.9077u，mXe＝135.9072u质量亏损为Δm＝(mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn)＝0.1510u．可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此选项A、B、C错误．重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，还会再发生质量亏损，从而释放出核能．综上所述，选项D正确．答案：D【题后反思】理解和掌握重核能够裂变的条件和能够放出核能的原因．1．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(9236Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：mU＝390.3139×10－27kg，mn＝1.6749×10－27kg；mBa＝234.0016×10－27kg，mKr＝152.6047×10－27kg.试写出核反应方程，求出反应中释放的核能．【答案】10n＋23592U→14156Ba＋9236Kr＋310n3.2157×10－11J【解析】根据反应前后核的质量数守恒、核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，用爱因斯坦的质能方程就可求出释放的核能．此铀核裂变方程为10n＋23592U→14156Ba＋9236Kr＋310n，则核反应前后的质量亏损为Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.3578×10－27kg.由爱因斯坦的质能方程可得释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.3578×10－27×(2.9979×108)2J＝3.2157×10－11J.轻核的聚变1．聚变反应方程21H＋31H→42He＋10n.2．聚变发生的条件(1)要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，但是原子核是带正电的，要使它们接近10－15m就必须克服电荷间很大的斥力作用，这就要求原子核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给核加热，使其达到几百万摄氏度的高温．(2)在高温下，原子已完全电离，形成物质第四态——等离子态，等离子体的密度及维持时间达到一定值时，才能实现聚变．3．热核反应(1)热核反应的两种方式①爆炸式热核反应；②受控式热核反应，目前正处于探索、实验阶段．(2)热核反应的优点(与裂变相比)①产生的能量大；②反应后生成的放射性物质易处理；③热核反应的燃料在地球上储量丰富．(3)实现核聚变的难点地球上没有任何容器能够经受如此高的温度．为解决这个难题，目前有三种方法对等离子体进行约束，即引力约束、磁约束和惯性约束．例2下列说法正确的是()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度以上高温，显然要吸收能量D．裂变与聚变均可释放巨大能量解析：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，因为两者的反应物与生成物全然不同．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，则在能量的流向上也不必相反．C选项，要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万度高温．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，总的说来，聚变反应还是释放热量．故D正确．答案：D【题后反思】聚变就是使原先相距“较远”的核能克服库仑斥力而结合为一个“稳定”的新核，因此事先须让两核获得较大的初动能，常采用加热的方法．2．(2019年门头沟一模)下列核反应方程中，属于聚变的是()A．147N＋42He→178O＋11HB．23892U→23490Th＋42HeC．21H＋21H→42HeD．23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n【答案】C【解析】A是原子核的人工转变；B是α衰变；C是轻核聚变；D是重核的裂变．