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4-2 走进原子核 放射性元素的衰变

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                          第五节 裂变和聚变

 [目标定位] 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义
及发生条件.3.会计算裂变、聚变所释放的能量.

 一、核裂变与链式反应

 1.核裂变
 比较重的一个核分裂为两个较轻的核并释放出能量的反应.

 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,让核裂变的过程自己持
 续下去,源源不断地将核能释放出来的反应.

 3.一种典型的裂变反应方程

 29325U+10n→8396Kr+15464Ba+310n
 4.临界体积
 能够发生链式反应的铀块的最小体积.
 二、受控热核反应

 1.核聚变
 比较轻的两个核结合成一个较重的核,并释放出能量的反应叫核聚变.

 2.能量变化
 轻核聚变后,平均结合能增加,反应中会释放能量.

 3.核反应举例

 21H+31H→42He+10n+17.6 MeV.
 4.核反应条件
 必须使它们的距离达到          10-15  m 以内,使核具有足够的动能,轻核才能够发生
 聚变.

 5.受控热核反应
 热核反应能量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.

 6.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)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
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为“点火”条件.


预习完成后,请把你疑惑的问题记录在下面的表格中

                 问题  1
                 问题  2
                 问题  3

一、对核裂变和链式反应的理解

1.核子受激发:当中子进入铀             235 后,便形成了处于激发状态的复核,复核中
由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状.

2.核子分裂:核子间的距离增大,因而核力迅速减弱,使得原子核由于质子间
的斥力作用而分裂成几块,同时放出                2~3  个中子,这些中子又引起其他铀核裂
变,这样,裂变就会不断地进行下去,形成链式反应.

3.能量: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.一般
来说,平均每个核子放出的能量约为                1 MeV,1   kg 铀 235 全部裂变放出的能量
相当于   2 800 t 优质煤燃烧时释放的能量,裂变时能产生几万度的高温.
4.用中子轰击铀核时,铀核裂变的产物是多种多样的,其中两种典型的反应是:

29325U+10n―→15464Ba+8396Kr+310n;

29325U+10n―→15346Xe+9308Sr+1010n
【例  1】 关于重核的裂变,下列说法正确的是(  )
A.核裂变时释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B.重核裂变时释放出大量的能量,产生明显的质量亏损,所以核子数减少
C.铀核自发放出       α 粒子、β   粒子时要释放能量,核电站利用的就是这一能量
D.重核的平均结合能小于中等质量核的平均结合能,所以重核裂变成中等质
量核时,要放出核能,有质量亏损

答案 D
解析 将重核分成核子时比中等质量核分成核子时每个核子平均吸收的能量小
些,可见由重核裂变成两个中等质量的核要放出能量,选项                          D 正确;铀核裂变
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 放出的能量是原子核的核能,而不是中子具有的动能,选项                          A 错误;裂变过程
 遵守质量数、电荷数守恒规律,B              错误;衰变是自发的现象,铀核衰变后的新
核仍是重核,而核电站利用的是裂变核能,选项                      C 错误.
 借题发挥 重核裂变的实质
 (1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核,使之分裂成中等质量的原子核,
 同时释放大量的能量,放出更多的中子的过程.
 (2)重核的裂变是放能核反应,原因是核反应前后质量有亏损,根本原因是重核
 的平均结合能相比中等质量的核的平均结合能要小.所以在重核分解为两个中
 等质量核的过程中要释放能量,而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能
 量.

 【例  2】 用中子轰击铀核(29325U),其中的一个可能反应是分裂成钡(15461Ba)和氪

 (9326Kr)两部分,放出   3 个中子.各个核和中子的质量如下:

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

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

 答案 10n+29325U―→15461Ba+9326Kr+310n 3.220 2×10-11 J
 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.

 铀核裂变方程为10n+29325U―→15461Ba+9326Kr+310n,
 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.
 则核反应前后的质量亏损为

                                       -27
 Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=0.357 8×10          kg.
 由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为
 ΔE=Δmc2=0.357 8×10-27×(3×108)2 J
 =3.220 2×10-11 J.
 二、核聚变及核能的计算

 1.聚变发生的条件
 要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离                       10-15  m,这要克服电荷
 间强大的斥力作用,要求使轻核具有足够大的动能.要使原子核具有足够大的
 动能,就要给它们加热,使物质达到几百万开尔文的高温.
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 2.轻核聚变是放能反应
 从平均结合能的图线看,轻核聚变后平均结合能增加,因此聚变反应是一个放
 能反应.

 3.聚变方程

 21H+31H―→42He+10n+γ.


 4.重核裂变与轻核聚变的区别
       反应方式
                          重核裂变                       轻核聚变
比较项目
                  重核分裂成两个或多个中等               两个轻核结合成质量较大的
    放能原理
                   质量的原子核,放出核能                   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~
    放能多少
                 4 倍
     核废料
                        聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多
    处理难度

 【例  3】 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.聚变须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温,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 从形式上看,裂变与聚变似乎是互为逆反应,但其实不然,因为二者的
 反应物和生成物完全不同.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,A                   选项错误;裂变与聚变都释放能
 量,B  选项错误;要实现聚变反应,必须使参加反应的轻核充分接近,需要数
 百万开尔文的高温提供能量.但聚变反应一旦实现,所释放的能量远大于所吸
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 收的能量.因此,总的来说,聚变反应还是释放能量,C                        选项错误.

 【例  4】 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?

 答案 (1)1H+210n―→31H (2)6.24 MeV
 (3)2.08 MeV
 解析 (1)聚变方程1H+210n―→31H.

 (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=Δmc2=0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV.

                           6.24
 (3)平均每个核子放出的能量为            3  MeV=2.08 MeV.

                            对核裂变的理解

 1.(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源,其中一种裂变反应为29325U+

 10n―→15464Ba+8396Kr+310n,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.
                            对核聚变的理解

 2.科学家发现在月球上含有丰富的32He(氦               3),它是一种高效、清洁、安全的核

 聚变燃料,其参与的一种核聚变反应的方程式为                     232He―→21H+42He,关于

 32He 聚变下列表述正确的是(  )
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A.聚变反应不会释放能量
B.聚变反应产生了新的原子核
C.聚变反应没有质量亏损

D.目前核电站都采用32He         聚变反应发电
答案 B
解析 核聚变反应中产生新的原子核,同时由于发生了质量亏损,会有核能的
释放,这是人类利用核能的途径之一.目前核电站大多采用重核裂变的方法来
释放与利用核能发电.

3.太阳不断地向外辐射能量,仍保持                1 千万度以上的高温,其主要原因是太阳
内部进行着剧烈的(  )
A.衰变反应                              B.人工核反应
C.裂变反应                              D.热核反应
答案 D
                       核聚变释放的核能的计算

4.氘核(21H)和氚核(31H)结合成氦核(42He)的核反应方程如下:21H+31H―→42He+

10n+17.6 MeV
(1)这个核反应称为________.
(2)要发生这样的核反应,需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文.式中
17.6 MeV 是核反应中________(填“放出”或“吸收”)的能量,核反应后生成
物的总质量比核反应前物质的总质量________(填“增加”或“减少”)了
________kg(保留一位有效数字).
答案 (1)聚变 (2)放出 减少 3×10-29
解析 在轻核聚变反应中,由于质量亏损,放出核能,由                         ΔE=Δmc2,

             ΔE
可以求得    Δm=  c2 =3×10-29 kg.

                           (时间:60   分钟)
题组一 对核裂变的理解

1.裂变反应中释放出的能量来自于(  )
A.核子消失转化为能量 
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B.原子中电子与原子核的电势能减小
C.入射的中子消失转化为能量
D.原子核的平均结合能变大,释放出能量
答案 D
解析 发生核反应过程中,核子数保持守恒,中子未消失,故                           A、C  错误;能
量来自于原子核内部,因重核在分裂为中等质量的原子核时,平均结合能增加
而释放出能量,C       错误,D    正确.

2.(多选)当一个重核裂变时,它能产生的两个核(  )

A.一定是稳定的
B.所含有的中子数较裂变前重核的中子数少
C.裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量
D.可以是多种形式的两个核的组合
答案 BD
解析 重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出                      2~3  个中子,故两核中子数
会比原来的重核减少,重核裂变的产物是多种多样的,选项                          B、D  正确.

3.铀核裂变时,关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块的质量无关
答案 C
解析 要使铀核裂变产生链式反应,铀块的体积必须大于临界体积或铀块的质
量大于临界质量,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
不会发生链式反应,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,若超过临界体积则能够发生链
式反应,由此知       A、B、D    错误,C    正确.

4.一个29325U 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

29325U+10n―→X+9348Sr+210n,则下列叙述正确的是(  )
A.X  原子核中含有      86 个中子
B.X  原子核中含有      141 个核子
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 C.因为裂变时释放能量,根据             E=mc2,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.

 5.现有的核电站常用的核反应之一是:

 29325U+10n―→16403Nd+Zr+310n+8-01e+ν
 (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?

 答案 (1)40 90 (2)8.1×1013 J
 解析 (1)锆的电荷数       Z=92-60+8=40,
 质量数   A=236-146=90.

 核反应方程中用符号940Zr        表示.
 (2)1 kg 铀 235 中铀核的个数为

             1
 n=235.043 9 × 1.660 6 × 10-27=2.56×1024(个)
 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=8.1×1013 J.
 题组二 对核聚变的理解

 6.关于核聚变,以下说法不正确的是(  )
 A.与裂变相比轻核聚变辐射极少,更为安全、清洁
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 B.世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站
 C.要使轻核发生聚变,必须使它们的距离达到                    10-15 m 以内,核力才能起作用
 D.地球聚变燃料的储量十分丰富,从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘
 核

 答案 B
 解析 与裂变相比,核聚变有下面的几个优势:(1)安全、清洁、辐射少;(2)核
 燃料储量多;(3)核废料易处理.但核聚变发电还没有投入实际运行.所以                              B 项
是不正确的.

 7.重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径,下列说法中正确的是(  )
 A.裂变过程质量增加,聚变过程质量亏损
 B.裂变过程质量亏损,聚变过程质量增加
 C.裂变过程和聚变过程都有质量增加
 D.裂变过程和聚变过程都有质量亏损
 答案 D
 解析 重核裂变和轻核聚变都能释放巨大的能量,由爱因斯坦质能方程知两过
 程均会有质量亏损.

 8.(多选)下列说法正确的是(  )

 A.175N+1H―→162C+42He 是  α 衰变方程

 B.1H+21H―→32He+γ  是核聚变反应方程

 C.29328U―→29304Th+42He 是核裂变反应方程
 D.42He+2173Al―→3105P+10n 是原子核的人工转变方程
 答案 BD
 解析 选项     A、D  为原子核的人工转变,选项             B 为轻核聚变,选项        C 为原子核
的衰变,故选项        B、D  正确.

 9.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

 1H+162C―→173N+Q1,1H+175N―→162C+X+Q2

 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       1H      32He     42He     162C      173N     175N

     质量/u    1.007 8  3.016 0  4.002 6 12.000 0  13.005 7  15.000 1
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 以下推断正确的是(  )

 A.X  是32He,Q2>Q1                    B.X  是42He,Q2>Q1

 C.X  是32He,Q2
	
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