《高二物理同步课堂帮帮帮（新教材人教版选择性必修第三册）》5.4核裂变与核聚变

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第五章原子核

第4节核裂变与核聚变

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＋n→Ba＋Kr＋3 n ．

3．链式反应：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继

续下去，这种反应叫核裂变的链式反应．

4、常见的裂变方程

(1)U＋n→Xe＋Sr＋2n

(2)U＋n→Ba＋Kr＋3n

5．链式反应发生的条件

(1)铀块的体积大于临界体积．体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核．

(2)有足够浓度的铀 235.

(3)有足够数量的慢中子．

6．裂变反应的能量：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．一个铀 235 核裂

变时释放的能量如果按 200 MeV 估算，1 kg 铀235 全部裂变放出的能量相当于 2 800 t 标准煤完全燃烧释放

的能量，裂变时能产生几百万度的高温．

二、核电站

1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，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，采用石墨、重水或普通水作慢化剂．

(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法调节中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，

利用镉吸收中子的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．

2．工作原理：核燃料裂变释放能量，使反应区温度升高．

3．能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，用于发电．

4．核污染的处理：在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核

废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下．

三、核聚变与受控热核反应

1．核聚变

(1)定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应．

(2)举例：H＋H→He＋n＋17.6 MeV

(3)条件

① 轻核的距离要达到 10 －

以内．

② 需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．

(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹，需要用原子弹爆炸产生的高温高压引发核

爆炸．

(5)太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达 1.5×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反

应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部聚变释放的核能．

2．受控热核反应

(1)聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高．第二：地球上聚变燃料的储量丰富．第三：轻核聚变更

为安全、清洁，控制温度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理．

(2)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温．

(3)控制方法

①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器．

②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用

激光从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应．

【例题1】关于重核的裂变，以下说法正确的是(　　)

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能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少

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

【答案】　D

【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，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量．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，碰不到原子核，则链式反应不会发

生．在裂变反应中核子数是不会减少的，如U裂变为 Sr 和Xe 的核反应，其核反应方程为 U＋n―→Sr＋

Xe＋10n，其中各粒子质量分别为

mU＝235.043 9 u，mn＝1.008 67 u，

mSr＝89.907 7 u，mXe＝135.907 2 u，

质量亏损为

Δm＝(mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn)＝0.150 97 u.

可见铀核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均

错．

【例题2】、用中子轰击铀核(U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(Ba)和氪(Kr)两部分，放出 3个中

子．各个核和中子的质量如下：

mU＝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．

【答案】　见【解析】

【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 n＋U―→Ba＋Kr＋3n，

则核反应前后的质量亏损为

Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝3.578×10－28kg.

由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为

ΔE＝Δmc2＝3.578×10－28×(3×108)2 J＝3.220 2×10－11 J.

【例题3】(多选)下列说法正确的是(　　)

A．聚变反应中有质量亏损，所以必向外界放出能量

B．要使核发生聚变反应，必须使核之间的距离接近到1×10－15 m，也就是接近到核力能够发生作用

的范围内

C．要使核发生聚变反应，必须克服核力做功

D．热核反应只有在人工控制下才能发生

【答案】　AB

【解析】　由质能方程可知，选项 A正确；轻核结合成质量较大的核，必须使轻核间的距离达到核力

能发生作用的范围，才能使它们紧密地结合起来，选项 B正确、C错误；热核反应必须在很高的温度下才

能发生，不一定要人工控制，选项 D错误．

【例题4】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．(计算结果在小数点后保留两位小数，1 u 相当于 931.5 MeV 的能

量)

(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 3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？ (已知质子质量为 mH＝

1.007 3 u，氦核质量为 mHe＝4.001 5 u，正电子质量为 me＝0.000 55 u)

【答案】　(1)4H→He＋2e　(2)24.78 MeV(3)4.22×109 kg

【解析】　(1)由题意可得核反应方程为

4H→He＋2e.

(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＝Δmc2＝0.026 6×931.5

MeV≈24.78 MeV.

(3)由质能方程 ΔE＝Δmc2得太阳每秒减少的质量

Δm＝＝ kg≈4.22×109 kg.

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