高中物理 第4章 核能 第4節(jié) 核能的利用與環(huán)境保護(hù)知識(shí)導(dǎo)航素材 魯科版選修3-5（通用）

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1、第4節(jié) 核能的利用與環(huán)境保護(hù) 思維激活 核反應(yīng)中的反應(yīng)能是怎樣的？ 提示：在核反應(yīng)過(guò)程中，體系的總質(zhì)量和總能量保持不變，但是，靜止質(zhì)量和總動(dòng)能是變化的，我們把反應(yīng)后的總動(dòng)能與反應(yīng)前的總動(dòng)能之差稱(chēng)為反應(yīng)能，它是反應(yīng)過(guò)程中放出或吸收的凈能量.反應(yīng)能等于反應(yīng)后系統(tǒng)的靜止質(zhì)量之差對(duì)應(yīng)的能量，若反應(yīng)后系統(tǒng)的靜止質(zhì)量比反應(yīng)前減少了，則其總動(dòng)能比反應(yīng)前一定增加了，故為放能反應(yīng)；反之為吸能反應(yīng). 自主整理 1.目前核電站的反應(yīng)堆以_________為燃料，發(fā)電成本低于煤電. 2.原子彈是一種沒(méi)有減速劑、不加控制的_________裝置.一種裝置稱(chēng)為_(kāi)________裝置；另一種方法稱(chēng)為_(kāi)___

2、_____. 3.氫彈是一種靠_________不需人工控制而實(shí)現(xiàn)聚變的反應(yīng)裝置.在彈體內(nèi)裝有熱核材料_________、_________以及_________.當(dāng)普通炸藥爆炸時(shí)，鈾塊或钚塊迅速合為一體，使其體積超過(guò)_________而發(fā)生原子彈爆炸.爆炸的高溫高壓使氘、氚等輕核發(fā)生_________，產(chǎn)生很高的能量直至再次發(fā)生更大規(guī)模的爆炸. 高手筆記 原子彈 原子彈就是設(shè)法使鈾235的體積超過(guò)它的臨界體積，只要有中子進(jìn)入鈾塊，就會(huì)立即引起鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在極短時(shí)間內(nèi)，釋放出大量的核能，發(fā)生猛烈爆炸. 氫彈 氫彈則是利用原子彈爆炸產(chǎn)生的熱核反應(yīng)提供所需溫度，使氘和氘發(fā)生聚變，從

3、而引起新的爆炸. 中子彈 中子彈是以氘和氘進(jìn)行熱核反應(yīng)為主要能量來(lái)源，以爆炸中產(chǎn)生大量的高能中子作為主要?dú)蛩氐囊环N小當(dāng)量戰(zhàn)術(shù)核武器.中子彈實(shí)際上是一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的加強(qiáng)輻射的小型氫彈，與氫彈不同的是它要求裂變初級(jí)的裂變當(dāng)量不能大(一般為幾百到上千噸TNT當(dāng)量). 自1945年世界上成功地進(jìn)行了第一次核試驗(yàn)以來(lái)，由于核武器具有巨大的威力，得到了各國(guó)政府的高度重視，在國(guó)際政治、軍事、外交等各方面起著極其重要的作用. 名師解惑 1.氫彈爆炸的原理 剖析：氫彈是利用輕核聚變制成的爆炸武器，其構(gòu)造如圖4-4-1所示.聚變材料是氘和氚,產(chǎn)生聚變反應(yīng)的高溫條件是原子彈的爆炸提供的.當(dāng)引爆裝置引起

4、普通炸藥爆炸時(shí)，將鈾塊迅速合攏產(chǎn)生原子彈爆炸，由此產(chǎn)生的高溫使氘和氚迅速、劇烈地進(jìn)行生成氦的熱核反應(yīng)，引起氫彈的爆炸.氫彈的炸藥氘和氚沒(méi)有臨界體積的限制，可以做得很大.但氚是不穩(wěn)定的核素，其半衰期為12.5年，所以不能久存.氫彈常用氘化鋰和氚化鋰作原料，在原子炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的大量中子轟擊鋰核可以產(chǎn)生氚，以補(bǔ)充氚的供應(yīng).氫彈爆炸時(shí)完成以下反應(yīng)： 圖4-4-1 +→++4.8 MeV +→52He→++17.6 MeV 2.太陽(yáng)能 剖析：太陽(yáng)每時(shí)每刻都在向太空輻射著巨大的能量，其輻射功率大約是1026 J·s-1.這些能量來(lái)自太陽(yáng)上持續(xù)進(jìn)行的熱核反應(yīng).目前，人們認(rèn)為太陽(yáng)上主要存在著兩

5、種聚變過(guò)程：一種是所謂的碳—氮循環(huán)，其具體反應(yīng)過(guò)程如下： +→+γ →+β++ν +→+γ +→+γ →+β++ν +→+ 總的循環(huán)結(jié)果是把四個(gè)質(zhì)子聚合成了一個(gè)，同時(shí)放出了兩個(gè)β+粒子、兩個(gè)中微子和大約26 MeV的能量.在這個(gè)循環(huán)中碳和氮數(shù)量不變，只起媒介作用. 另一種是氫—?dú)滏準(zhǔn)椒磻?yīng)，具體反應(yīng)如下： +→+β++ν +→+γ +→+ 這些反應(yīng)總的結(jié)果與上面碳—氮循環(huán)反應(yīng)相同.根據(jù)目前的數(shù)據(jù)，氫—?dú)滏準(zhǔn)椒磻?yīng)在太陽(yáng)中是主要的反應(yīng)過(guò)程，產(chǎn)生的能量約占總能量的96%. 講練互動(dòng) 【例題】核聚變能是一種具有經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越、安全可靠、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)勢(shì)的新能源.近年來(lái)，受控核聚

6、變的科學(xué)可行性已得到驗(yàn)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(jiàn)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(gè)中子.若已知氘原子的質(zhì)量為2.014 1 u，氚原子的質(zhì)量為3.016 0 u，氦原子的質(zhì)量為4.002 6 u，中子的質(zhì)量為1.008 7 u，1 u=1.66×10-27 kg. (1)寫(xiě)出氘和氚聚合的反應(yīng)方程. (2)試計(jì)算這個(gè)核反應(yīng)釋放出來(lái)的能量. (3)若建一座功率為3.0×105 kW的核聚變電站，假設(shè)聚變所產(chǎn)生的能量有一半變成了電能，每年要消耗多少氘的質(zhì)量？ (一年按3.2×107 s計(jì)算，光速c=3.00×108

7、 m/s，結(jié)果取兩位有效數(shù)字) 解析：(1)+→+. (2)ΔE=Δmc2=(2.014 1+3.016 0-4.002 6-1.008 7)×1.66×10-27×32×1016J=2.8×10-12 J. (3)M=×2.014 1×1.66×10-27 kg =kg=23 kg. 答案：(1)+→+ (2)2.8×10-12 J (3)23 kg 變式訓(xùn)練 海水中含有豐富的氘，完全可充當(dāng)未來(lái)的主要能源.兩個(gè)氘核的核反應(yīng)如下：+→+，其中氘核質(zhì)量為2.013 6 u，氦核質(zhì)量為3.015 0 u，中子質(zhì)量為1.008 7u.求： (1)核反應(yīng)中釋放的核能. (2)在兩

8、個(gè)氘核以相等的動(dòng)能0.35 MeV進(jìn)行對(duì)心碰撞，并且核能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的情況下，求反應(yīng)中產(chǎn)生的中子和氦核的動(dòng)能. 解析：(1)由ΔE=Δmc2得：釋放的核能 ΔE=(2×2.013 6-3.015 0-1.008 7) u×931.5 MeV/u=3.26 MeV. (2)把兩個(gè)氘核作為一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)撞過(guò)程動(dòng)量守恒，由于反應(yīng)前兩氘核動(dòng)能相同，其動(dòng)量等值反向，因此反應(yīng)前后系統(tǒng)的總動(dòng)量恒為零，即0=mHevHe+mnvn① 又因?yàn)榉磻?yīng)前后總能量守恒，即mHevHe2+mnvn2=ΔE+2Ek0② 因?yàn)閙He∶mn=3∶1，所以氦核和中子的速率之比為： 把這兩個(gè)關(guān)系代入②式得：ΔE+2Ek0=4×mHevHe2=4EkHe 即(3.26+2×0.35) MeV=4EkHe所以EkHe=0.99 MeV Ekn=3EkHe=2.97 MeV. 答案：(1)3.26 MeV (2)EkHe=0.99 MeV，Ekn=2.97 MeV 體驗(yàn)探究 【問(wèn)題】為什么國(guó)際社會(huì)不允許無(wú)核武器國(guó)家獲取或制造核武器？ 導(dǎo)思：主要從放射性物質(zhì)對(duì)人類(lèi)、自然界的危害來(lái)考慮. 探究：核武器主要原料是這一放射性物質(zhì)，還包括和以及其他高放射性物質(zhì).核武器爆炸后在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)生物不能生存，甚至致癌，或?qū)е潞蟠?造成大面積的地區(qū)污染，給人類(lèi)和自然界帶來(lái)恐慌和動(dòng)蕩，所以要禁止核擴(kuò)散.