高中物理 3.4-3.5裂变和聚变 核能的利用课件 新人教版选修1-2

高中物理 3.4-3.5裂变和聚变 核能的利用课件 新人教版选修1-2内容摘要：

1、四、裂变和聚变 五、核能的利用 情境导入 课程目标 1 9 4 5 年 7 月 16 日 , 第一颗原子弹在新墨西哥州的荒漠上爆炸成功 , 其爆炸力相当于 1 . 8 万吨 T N T 炸药。 爆炸时支撑原子弹的钢塔全部熔化 , 在半径 4 0 0 m 的范围内 , 沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物 , 半径1 6 0 0 m 范围内所有动植物全部死亡。 原子弹的威力是如此巨大 , 可你知道原子弹是利用什么原理制成的吗 ? 提示 : 原子弹主要利用了铀 2 3 5 等重核的裂变链式反应制成的。 1 . 知道重核的裂变和链式反应 , 了解发生链式反应的条件 , 了解原子弹与核反应堆的区别。 2 . 知道 2、轻核的聚变反应 ,了解聚变相对其他能源的优点 , 了解热核反应技术上的困难。 3 . 知道核电站的组成和核反应堆 , 了解核电的安全问题的处理方法 , 知道核电在生活、生产中的应用。 一 二 三 一、核裂变 1 . 发现 : 1938 年底 , 德国物理学家 哈恩 和他的助手在用中子轰击铀核的实验中发现了重核的裂变现象。 2 . 概念 :使 重 核分裂成两个或两个以上 中等质量 的原子核的核反应叫作重核的裂变。 3 . 链式反应 : 由重核裂变产生的中子使 裂变反应 不断进行下去的过程 ,叫作核裂变的链式反应。 一 二 三 思考 为什么裂变物质的链式反应具有 临界体积 ? 提示 :因为如果裂变 3、物质的体积不够大 ,中子在裂变物质中通过时 ,就有可能碰不到裂变物质而跑到外面去 ,从而链式反应不能持续。 只有当裂变物质足够大时 ,核裂变产生的中子才有足够的机会打中裂变物质 ,从而使链式反应继续下去。 一 二 三 二、核聚变和受控热核反应 1 . 核聚变的概念 : 两个 轻 核结合成质量 较大 的核 , 这样的核反应叫作聚变。 2 . 核聚变的发生条件 使轻核发生聚变 , 必须使它们的距离十分近 , 达到 10- 15m 的近距离。 有一种办法就是把它们加热到很高的温度 , 这时剧烈的 热 运动使得一部分原子核具有足够的动能达到这种近距离。 因此 , 聚变又叫 热核 反应。 3 . 实现核聚变的 4、难点 实现核聚变的难点在于地球上没有任何 容器 能够经得住如此高的温度 , 但是可以用场来实现这种约束。 为了实现核聚变 , 可以用 磁场 约束参加反应的物质 , 使其不致飞散 ; 也可以利用聚变物质的 惯性 进行约束。 例如 , 环流器 是目前最好的一种磁约束装置。 一 二 三 思考 你知道目前核电站反应堆里发生的是哪种核反应吗 ? 提示 :重核的裂变反应。 一 二 三 三、核能的利用 1 . 核电站的组成 核电站的反应堆是 热源 , 核电站的主要组成部分是 常规 岛和 核 岛 , 其中安装发电系统设备的区域叫作 常规 岛 , 安装核反应堆的建筑称为 核 岛。 2 . 核电的安全性 核电引起的安 5、全问题主要在两个方面 , 一是核反应万一失控 , 会损坏设备 , 引起 放射性 物质外泄 ; 二是 放射性 废料处理不当会产生环境污染。 3 . 核能的用途 核能的主要用途是 发电 ; 还可以利用低温堆 供热 、作为航天器的 电源 以及为海洋舰艇提供 核动力。 探究 一 探究 二 对裂变和聚变的理解 问题导引裂变反应是目前核能利用中常用的反应 , 为什么裂变反应在很短的时间内能释放出巨大的能量呢 ? 提示 :首先要利用中子轰击铀核 ,使铀核分裂 ,分裂过程中 ,又会放出更多中子 ,这些中子再去轰击更多铀核 ,产生更多中子 ,就 形成了链式反应。 这个反应速度很快 ,不加控制的话 ,能量在很短的 6、时间内急剧释放 ( 原子弹 ); 如果采用其他方法对反应速度加以控制的话 ,能量缓慢释放 ( 核电站 )。 探究 一 探究 二 名师精讲 1 . 裂变和聚变释放核能的原因 精确的实验表明 , 原子核是由核子组成的 , 但原子核的质量却不等于所有核子质量之和。 也就是说 , 原子核的质量虽然会随着核子数量的增加而增加 , 但两者并不成比例。 例如 : 氢核由一个核子 ( 质子 ) 组成 ; 氦核由四个核子( 两个中子 , 两个质子 ) 组成。 但氦核的质量却不是氢核的四倍 , 而是比其四倍小。 这样在不同的原子核中 , 用原子核的质量除以 核子数所得到的核子的平均质量就变得不相同了。 进一步研究表明 7、, 中等质量的原子核的核子的平均质量较小 , 重核和轻核的核子平均质量较大 , 这就为研究核反应中能量的释放建立了理论基础。 当重核分裂成中等质量的原子核时 , 会发生质量亏损 ; 当轻核聚合成中等质量的原子核时 , 也会发生质量亏损。 由质能方程可知 , 此时核反应会放出能量。 探究 一 探究 二 2 . 裂变和聚变的发生条件 ( 1 ) 重核裂变只能发生在人为控制的核反应中 , 自然界不会自发地发生。 如铀核裂变不能自发地进行 , 要使铀核裂变 , 首先要利用中子轰击铀核 , 使铀核分裂 , 分裂过程中 , 又会放出更多的 中子 , 这些中子再去轰击更多铀核 , 产生更多的中子 , 就形成了链式 8、反应 , 这个反应速度很快 , 不加控制的话 , 能量在很短的瞬间急剧释放 ( 原子弹就是利用铀核的链式反应制成的一种威力巨大的核武器 )。 如果采用其他方法对反应速度加以控制就可以和平地利用这种巨大的核能。 核电站就是利用了可控的链式反应。 探究 一 探究 二 ( 2 ) 要使轻核发生聚变 , 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库仑斥力作用 , 这就要求使原子核具有足够的动能。 要使原子核具有足够的动能 , 就要给原子核 加热 , 使物质达到几百万摄氏度的高温。 综上所述 , 核聚变只有在超高温条 9、件下才能发生。 探究 一 探究 二 3 . 裂变和聚变的比较 ( 1 ) 原理不同 重核的裂变是重核裂变成几个质量较小的原子核 , 而聚变是几个轻核聚变 ( 结合 ) 成质量较大的原子核。 ( 2 ) 放出能量的多少不同 聚变比裂变能放出更多的能量。 ( 3 ) “ 燃料 ” 的丰富程度不同 聚变所需要的 “ 燃料 ” 氘在地球上的储量非常丰富 , 1 L 海水中大约有 0 . 03 g 氘 , 如果用来进行热核反应 , 放出的能量约和燃烧 30 0 L 汽油相当 ;而裂变燃料 铀在地球上储量有限 , 尤其是用于核裂变的铀 235 , 在铀矿中仅占 0 . 7% , 相比起来聚变的燃料 氘要丰 10、富得多 , 我国是一个 “ 贫铀 ” 国家 , 贮藏量不多。 探究 一 探究 二 ( 4 ) 两种反应的可控制性不同 裂变反应速度可以比较容易地进行人工控制 , 因此 , 现在国际上的核电站都是利用裂变放出能量 ; 而聚变反应的可控制性比较困难 , 世界上许多国家都积极研究可控热核反应的理论和技术。 探究 一 探究 二 【例题 1 】 用中子轰击铀核 ( 92235 U ), 其中的一个可能反应是分裂成钡(56141 和氪 (3692 两部分 , 放出 3 个中子。 分别用 m 2 、 m 3 、 m 4 表示92235U 、01n 、56141 3692质量 , 试写出核反应方程 , 算出反应 11、中释放的核能。 探究 一 探究 二 解析 :此铀核裂变方程为 01n+92235U 56141B a +3692K r + 301n 则核反应前后的质量亏损为 m = m1+ m2= E= ( 答案 :01n+92235U 56141B a +3692K r + 301n ( 探究 二 题后反思 求解核裂变释放出的核能 , 要正确写出核反应方程 , 求出反应过程中的质量亏损 m , 用 E= 探究 一 探究 二 对核能的利用的理解 问题导引原子弹和核反应堆里发生的都是原子核的裂变反应。 反应中都能释放出巨大的核能。 但一个是破坏力和杀伤力很强的核武器 , 另一个却是为我们的生活、生产服务的新能源。 12、你知道原子弹和核反应堆里发生的核反应的区别吗 ? 提示 :原子弹是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置 ,反应堆中发生的裂变反应是在人 工控制下产生的链式反应。 探究 一 探究 二 名师精讲1 . 对核反应堆 ( 核电站的核心 ) 的理解 ( 1 ) 主要组成及作用 核燃料 :反应堆使用浓缩铀 ( 铀 235 占 3% 4% ) 制成铀棒 , 作为核燃料 ,释放核能。 中子减速剂 : 铀 235 具有易俘获慢中子 , 不易俘获快中子的特点。 而核反应中释放的中子多数为快中子 , 应使用减速剂使它们的速度降下来。 常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水。 控制棒 :为了控制能量释放的速度 , 13、 就要想办法减少中子的数目 , 采用在反应堆中插入镉棒的方法 , 利用镉吸收中子能力很强的特性 , 就可以很容易控制链式反应的速度。 探究 一 探究 二 保护层 :核反应堆外层是很厚的水泥壁 , 可防止射线辐射出去。 热交换器 : 靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动 , 把产生的热量传输出去。 核反应堆是核电站的核心 , 核电站是靠核反应堆产生的内能发电。 ( 2 ) 核反应堆的四道安全屏障 第一道屏障是耐高温、耐腐蚀的陶瓷体燃料芯块 , 可以把 98% 以上的裂变产物滞留在芯块内 , 不向外释放。 第二道屏障是燃料元件包壳 , 它由优质的锆合金制成 , 具有良好的密封性。 第三道屏障是 14、压力壳 , 它将燃料棒和一回路的水完全罩住 , 即使燃烧元件包壳有少量的射线泄漏也不会扩散到外界。 第四道屏障是 安全壳 , 它由 1 米多厚的钢筋混凝土制成 , 整个核反应堆都装在安全壳中。 探究 一 探究 二 2 . 核污染 ( 1 ) 主要来源 核爆炸 核爆炸的最初几秒钟辐射出来的主要是强烈的 射线和中子流 ,长期存在放射性污染 核泄漏 核工业生产和核科学研究中使用放射性的原材料 ,一旦泄漏就会造成严重污染 医疗照射 医疗中如果放射线的剂量过大 ,也会导致病人受到损害 ,甚至造成病人的死亡 探究 一 探究 二 ( 2 ) 防护措施 密封防护 把放射源密封在特殊的包壳里 , 或者用特殊的方 15、法覆盖 , 以防止射线泄漏 距离防护 距放射源越远 , 人体吸收的剂量就越少 , 受到的危害就越轻 时间防护 尽量减少受辐射的时间 屏蔽防护 在放射源与人体之间加屏蔽物能起到防护作用。 铅的屏蔽作用最好 探究 一 探究 二 【例题 2 】 目前核电站利用的核反应是 ( ) A. 裂变 , 核燃料为铀 B. 聚变 , 核燃料为铀 C. 裂变 , 核燃料为氘 D. 聚变 , 核燃料为氘 解析 :目前核电站是利用重核铀 235 裂变释放核能来发电。 核反应方程为 92235U +01n 561413692K r + 301n ,故选 A 项。 答案 : A 探究 一 探究 二 题后反思 核能的利用主要是利用核裂变或核聚变释放的核能。 nts。