【本讲教育信息】

一、教学内容：

本节课主要讲解核能的产生、利用等基本内容。

二、考点点拨

本节课所讲的相关内容，在新高考中要求低，内容也少，只需要作最基本的了解即可。

三、跨越障碍

（一）核力

核力是强相互作用力（强力）的一种表现。在它的作用范围内，核力比静电力大得多。正是由于核子间存在着强大的核力，才使得原子核蕴藏着巨大的能量。

1. 核力是短程力，作用范围在之间，核力大于时表现为引力，且随距离的增大而减小，超过时核力急剧下降几乎消失；而距离小于时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起。

2. 每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性。

（二）结合能及其计算

1. 结合能

核子结合成原子核时放出的能量，或原子核分解成核子时吸收的能量，都叫做原子核的结合能。

例如：使一个质子和两个中子结合成氘核，会放出2.2 MeV的能量。则氘核的结合能为2.2 MeV 。

2. 质量亏损

组成原子核的核子的总质量与原子核的质量之差，叫做核的质量亏损。

3. 结合能的计算

物体的质量跟它的能量有着密切的联系，它们之间的关系为：（或）

注意：①质能方程反映的是质量亏损和释放出核能这两种现象之间的联系，对质量亏损，不能误解为部分质量转变成了能量。

②质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，方程建立了这两个属性在数值上的关系，质量亏损并没有否定质量守恒定律。根据爱因斯坦的相对论，辐射出的光子静质量虽然为零，但它有动质量，而且这个动质量刚好等于质量的亏损，所以质量守恒、能量守恒仍成立。

4. 平均结合能

（1）平均结合能的大小能够反映核的稳定程度。如图所示，平均结合能较大，表示这些原子核越稳定。

（2）核子数较小的轻核与核子数较大的重核，平均结合能都比较小，中等核子数的原子核，平均结合能较大，表示这些原子核较稳定。

（3）当平均结合能较小的原子核转化成平均结合能较大的原子核时，就可释放核能。例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数较小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数较大的核，都能释放出巨大的核能。

（4）利用平均结合能计算释放的核能时，先将反应前的原子核拆散成核子，然后将核子结合成反应后的原子核，再求出“拆”、“合”的能量差值，即为反应中释放的核能。

【典型例题】

例1. 如图所示是原子核的核子平均质量与原子序数Z的关系图象。下列说法中正确的是

A. 若D、E能结合成F，结合过程一定要释放能量

B. 若D、E能结合成F，结合过程一定要吸收能量

C. 若A能分裂成B、C，分裂过程一定要释放能量

D. 若A能分裂成B、C，分裂过程一定要吸收能量

解析：由图可知Fe原子核的核子的平均质量最小，则原子序数较小的核D、E结合成原子序数较大的核F时，因F的核子平均质量小于D、E核子的平均质量，故出现质量亏损，由质能方程知，该过程一定放出核能，所以选项A正确，选项B错误；因为C、B的核子的平均质量小于A核子的平均质量，故A分裂成B、C的过程一定要释放能量，所以选项C正确，选项D错误。

答案：AC

例2. 中子和质子结合成氘核时，质量亏损为，相应的能量是氘核的结合能，下列说法正确的是（）

A. 用能量小于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核不能分解为一个质子和一个中子

B. 用能量等于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零

C. 用能量大于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零

D. 用能量大于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和不为零

解析：根据核的结合能概念，核子结合成核所释放的核能与其逆过程所需要的能量相等，根据动量守恒定律，用光子照射静止氘核时总动量不为零，，故照射后总动能也不为零，选项B、C错，选项A、D正确。

答案：AD

例3. 为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程，下列说法中不正确的是（）

A. 表明物体具有的能量与其质量成正比

B. 根据可以计算核反应中释放的核能

C. 一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损

D. 中的E是发生核反应时释放的核能

解析：爱因斯坦质能方程，定量地指出物体能量和质量之间的关系，选项A正确；由质能方程知，当物体的质量减少时，物体的能量降低，并向外界释放了能量；反之，若物体的质量增加了，则物体的能量升高，表明它从外界吸收了能量，所以由物体的质量变化能算出物体的能量变化，故选项B、C正确，D错误。

答案：D

例4. 雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子（）而获得了2002年度诺贝尔物理学奖。他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615 t四氯乙烯（C₂Cl₄）溶液的巨桶，电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为：，已知核的质量为36.95658 u，核的质量为36.956 91 u，的质量为0.000 55 u，1 u质量对应的能量为931.5 MeV，根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为（）

A. 0.82 MeV B. 0.31 MeV C. 1.33 MeV D. 0.51 MeV

解析：先计算出核反应过程中质量的增加：

再由爱因斯坦的质能方程计算得出所需要的能量：

故选项A是正确的。

答案：A

（三）重核的裂变

1. 定义：使重核分裂成中等质量的原子核的核反应叫做重核的裂变。

2. 重核的裂变只发生在人为控制的核反应中，自然界中不会自发的产生。

3. 铀核的裂变。

①发现

1938年德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变，其示意图如图所示，铀核的裂变向核能的利用迈出了第一步。

②裂变产物

铀核裂变的产物是多种多样的，有时裂变为氙（Xe）和锶（Sr），有时裂变为钡（Ba）和氪（Kr），有时裂变为锑（Sb）和铌（Nb）。裂变的产物不同，释放的能量和中子数也不尽相同. 其中一种核反应方程为：

③链式反应

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，核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出2～3个中子。这些中子又引起其他铀裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能，这就叫做链式反应。

④链式反应的条件

i. 中子的“再生率”大于1

核裂变所释放的中子，并不是每个都能引起新的裂变。要想引起链式反应，必须使每一次核裂变所释放的中子中至少有一个引起新核裂变。

ii. 铀235的体积大于临界体积

发生链式反应的条件除了选用纯铀235外，还必须保证铀块有足够大的体积。如果铀块太小，中子会逸出铀块，从而中断反应。能够使铀块发生链式反应的最小体积（或对应的最小质量）称为临界体积（或临界质量）。

4. 裂变反应堆

①裂变反应堆的组成部分、材料及作用

组成部分	材料	作用
裂变材料（核燃料）	浓缩铀	提供核燃料
慢化剂（减速剂）	石墨、重水或普通水	使裂变产生的快中子减速，使之容易被铀235吸收
控制棒	镉或硼钢	吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层	石墨	阻止中子逃逸
热交换器	水	产生高温蒸汽，推动蒸汽轮机，带动发电机发电
防护层	金属套和钢筋混凝土	防止射线泄漏对人体及其他生物体的侵害

②裂变反应堆的常见类型、材料及优缺点

类型	材料	优缺点
重水堆	采用重水作慢化剂	重水昂贵，其回路设备制造复杂，要求高，投资大
高温气冷堆	采用石墨作慢化剂，氦作冷却剂	高效率，高安全性，对环境污染小
快中子增殖反应堆	以铀—235为原料转化为钚—239	合理利用铀资源，使核燃料增殖

例5. 一个原子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，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

C. 因为裂变时释放能量，根据，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

解析：X原子核中的核子数为个，选项B错误；中子数为个，选项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，故选项C、D错误。

答案：A

（四）轻核的聚变

1. 定义

轻核结合成质量较大的原子核的反应叫做聚变。

例如：。其示意图如图：

2. 聚变发生的条件

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斥力作用，这就要求使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，使物质达到几百万摄氏度的高温。

在高温下，原子已完全电离，形成物质的第四态——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。

轻核必须在很高的温度下相遇才能发生聚合反应放出更大的能量。由于温度较高，所以聚变也称为热核反应。

3. 受控热核反应

（1）热核反应的两种方式

①爆炸式热核反应（如氢弹）；

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。

（五）核能的优越性

1. 核原料所提供的能量巨大

2. 核原料储量丰富

（1）重核裂变材料：铀在地壳中的平均含量比金银丰富，不仅分布在岩石中，也蕴藏在海水、河水、湖水中. 除铀外，钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富。

（2）热核反应材料：氘在海水中有丰富的储量。

3. 核原料的运输和储存比较方便

4. 核原料清洁卫生，对环境污染小

（六）核安全性与核废料处理

1. 核电站的安全性能

核电站往往以可能性极小的、假想的最严重事故作为安全设计的依据，加以层层设防。

为了防止放射性物质的泄漏，核电站设置了4道安全屏障：

第一道屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块，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：性能良好的锆合金包壳把燃料芯块密封其内，且能够经受各种运行工作情况的考验，保证密封性良好。

第三道屏障：由反应堆压力容器和冷却回路构成的压力边界，保证结构的完整性。

第四道屏障：由安全壳把整个反应堆压力边界内的设备包容在内，能承受事故发生时的压力并保持良好的密封性，防止放射性物质向外泄漏。

2. 核废料的处理

（1）从废料中回收铀、钚等。

（2）对低、中放射性废料进行沥青固化或水泥固化后，贮存在地下浅层废料库。

（3）对高放射性废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库。

（4）在核电站周围还要定期监测放射性物质对环境的污染。

例6. 一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为、、，普朗克常量为，真空中的光速为。下列说法正确的是（）

A. 核反应方程是

B. 聚变反应中的质量亏损

C. 辐射出的光子的能量

D. 光子的波长

解析：核反应方程为：，选项A错；由质能方程知，光子的能量，选项C错；由知，波长，选项D错。

答案：B

例7. 下列说法正确的是（）

A. 射线在电场和磁场中都不会发生偏转

B. 射线比射线更容易使气体电离

C. 太阳辐射的能量主要来源于重核裂变

D. 核反应堆产生的能量来自轻核聚变

解析：射线不带电，因此在电场和磁场中都不偏转；射线比射线更容易使气体电离；太阳辐射的能量主要来源于轻核聚变；核反应堆产生的能量来自重核裂变。

答案：A

例8. 据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置（又称“人造太阳”）已完成了首次工程调试。下列关于“人造太阳”的说法正确的是（）

A. “人造太阳”的核反应方程是

B. “人造太阳”的核反应方程是

C. “人造太阳”释放的能量大小的计算公式是

D. “人造太阳”核能大小的计算公式是

解析：“人造太阳”发生的是氢核聚变，所以核反应方程式为而B选项中的核反应是核裂变，故错误；“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是，而核能大小的计算公式为，故选项A、C正确。

答案：AC

例9. 天文学家测得银河系中氦的含量约为25％. 有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两条：一是在宇宙诞生后3分钟左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部的氢核聚变反应生成的。

（1）把氢核聚变反应简化为4个氢核（）聚变成氦核（），同时放出2个正电子（）和2个中微子（），请写出该氢核聚变反应的方程，并计算一次反应释放的能量。

（2）研究表明，银河系的年龄约为，每秒钟银河系产生的能量约为1×10³⁷J（即p=1×10¹⁷ J／s）。现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应，试估算银河系中氦的含量（最后结果保留一位有效数字）。

（3）根据你的估算结果，对银河系中氦的主要生成途径作出判断。

可能用到的数据：银河系质量约为M=3×l0⁴¹kg，原子质量单位1 u=1.66×10^-27kg，1 u相当于1.5×10^-10J的能量，电子质量m_e=0.000 5 u，氦核质量4.002 6 u，氢核质量=1.007 8 u，中微子质量为零.

解析：（1）

（2）

氦的含量

（3）由估算结果可知，k≈2％远小于25％的实际值，所以银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的。

四、小结

本节知识要求低，内容不复杂，只需要大家记住最基本内容即可。

五、预习导学（期末复习 选修3—2）

1. 法拉第电磁感应定律。

2. 楞次定律。

3. 交流电的产生。

4. 变压器的基本规律。

5. 远距离输电。

【模拟试题】（答题时间：40分钟）

1. 中子、质子、氘核的质量分别为、、。现用光子能量为E的射线照射静止氘核使之分解，反应方程为。若分解后的中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是

A. B.

C. D.

2. 不同原子核的平均结合能是不同的，由平均结合能曲线可以看出，中等质量原子核的平均结合能最大，轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核的小。由此可以确定，下列哪些核反应能释放核能

A. 中等质量的原子核结合成质量较大的重核

B. 质量较大的重核分裂成中等质量的原子核

C. 中等质量的原子核分裂成质量较小的轻核

D. 质量较小的轻核结合成中等质量的原子核

*3. 一个负电子（质量为、电荷量为）和一个正电子（质量为、电荷量为），以相等的初动能相向运动，并撞到一起，发生“湮灭”，产生两个频率相同的光子，设产生光子的频率为，若这两个光子的能量都为，动量分别为和，下面关系中正确的是

A. ， B. ，

C. ， D. ，

*4. 已知氮核质量=14.00753 u，氧核质量=17.00454 u，氦核质量=4.00387 u，质子质量=1.00815 u，试判断核反应：是吸能反应，还是放能反应，能量变化是多少?

*5. 云室处在磁感应强度为B的匀强磁场中，一静止的质量为M的原子核在云室中发生一次衰变，粒子的质量为，电荷量为，其运动轨迹在与磁场垂直的平面内。现测得粒子运动的轨迹半径为，试求在衰变过程中的质量亏损。（涉及动量问题时，亏损的质量可以不计）

6. 下列关于重核裂变的说法中，正确的是

①裂变过程中释放能量 ②裂变过程中吸收能量

③反应过程中质量增加 ④反应过程中质量减小

A. ①② B. ①④ C. ①③ D. ②④

7. 利用重核裂变释放核能时选用铀—235，主要原因是

A. 它裂变放出的核能比其他重核裂变放出的核能多

B. 它可能分裂成三部分或四部分

C. 它能自动裂变，与体积无关

D. 它比较容易形成链式反应

8. 1964年10月16日，我国在新疆罗布泊沙漠成功地进行了第一颗原子弹爆炸试验，结束了中国的无核时代。

（1）原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出巨大的能量，由于裂变物质的体积超过临界体积而爆炸。

①完成核裂变反应方程式

MeV

②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么?产生这种反应的必须条件是什么？

（2）为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染环境，需采用哪些措施？（举两种）

*9. 曾落在日本广岛上的原子弹，相当于2万吨TNT，该火药的能量约8.4×10¹³ J，试问有多少个原子进行核分裂？该原子弹中含铀的质量的最小限度为多少?（一个铀原子核分裂时所产生的能量约为200 MeV）

*10. 新华社2007年1月15日电，继去年9月首次成功放电后，我国“人造太阳”实验装置——位于合肥的全超导非圆截面核聚变实验装置（EAST）14日23时01分至15日1时连续放电四次，单次时间长约50毫秒，从而标志着第二轮物理实验的开始。这个由我国自行设计、自行研制的“人造太阳”实验装置是世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的托卡马克。该装置再次成功放电，标志着我国在全超导核聚变实验装置领域进一步站在了世界前沿。“人造太阳”是从氘浓度为3.0×10^-5kg／L的海水中提取氘，使其在上亿摄氏度的高温下发生聚变反应并释放能量，就像太阳一样给人类提供无限清洁的能源。

（1）已知两个氘核聚变后就生成一个氮核，同时释放出一个中子，且1.0087 u，2.0136 u，3.0150u，1原子质量单位相当于931.5 MeV的能量。试写出其核反应方程式，并计算该核反应所释放的核能。

（2）已知汽油的热值q=4.6×10⁷J／kg，试计算1 L海水中所含的氘核全部发生聚变时，所放出的能量与多少汽油完全燃烧所释放出的能量相当?

【试题答案】

1. 答案：C

解析：据能量守恒定律可知：，得，，故选项C正确

2. 答案：BD

解析：平均结合能就是核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量或原子核拆解成核子时平均每个核子吸收的能量。两个中等质量的核结合成重核的过程，可等效为将两个中等质量的核先拆解成核子，再将这些核子结合成重核的两个过程，由于中等质量核的平均结合能大于重核，因此前一个过程吸收的能量要大于后一个过程放出的能量，即整个过程将要吸收能量，故A选项错；质量较大的重核分裂成中等质量的原子核，是上述过程的逆过程，显然是放出能量的，B选项是正确的；根据同样的方法，可知C选项错，D选项正确。

3. 答案：C

解析：能量守恒定律和动量守恒定律为普遍适用的定律，故以相等动能相向运动发生碰撞而湮灭的正负电子总能量为：，化为两个光子后，总动量守恒仍为零，故，且，即。