《高中物理 第4章 核能 第4節(jié) 核能的利用與環(huán)境保護知識導(dǎo)航素材 魯科版選修3-5（通用）》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《高中物理 第4章 核能 第4節(jié) 核能的利用與環(huán)境保護知識導(dǎo)航素材 魯科版選修3-5（通用）（5頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第4節(jié) 核能的利用與環(huán)境保護 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)量和總動能是變化的，我們把反應(yīng)后的總動能與反應(yīng)前的總動能之差稱為反應(yīng)能，它是反應(yīng)過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.原子彈是一種沒有減速劑、不加控制的_________裝置.一種裝置稱為_________裝置；另一種方法稱為____

2、_____. 3.氫彈是一種靠_________不需人工控制而實現(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，鈾塊或钚塊迅速合為一體，使其體積超過_________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的體積超過它的臨界體積，只要有中子進入鈾塊，就會立即引起鈾核的鏈式反應(yīng)，在極短時間內(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行熱核反應(yīng)為主要能量來源，以爆炸中產(chǎn)生大量的高能中子作為主要殺傷因素的一種小當(dāng)量戰(zhàn)術(shù)核武器.中子彈實際上是一種經(jīng)過改進的加強輻射的小型氫彈，與氫彈不同的是它要求裂變初級的裂變當(dāng)量不能大(一般為幾百到上千噸TNT當(dāng)量). 自1945年世界上成功地進行了第一次核試驗以來，由于核武器具有巨大的威力，得到了各國政府的高度重視，在國際政治、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，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，在原子炸藥爆炸時產(chǎn)生的大量中子轟擊鋰核可以產(chǎn)生氚，以補充氚的供應(yīng).氫彈爆炸時完成以下反應(yīng)： 圖4-4-1 +→++4.8 MeV +→52He→++17.6 MeV 2.太陽能 剖析：太陽每時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.這些能量來自太陽上持續(xù)進行的熱核反應(yīng).目前，人們認為太陽上主要存在著兩

5、種聚變過程：一種是所謂的碳—氮循環(huán)，其具體反應(yīng)過程如下： +→+γ →+β++ν +→+γ +→+γ →+β++ν +→+ 總的循環(huán)結(jié)果是把四個質(zhì)子聚合成了一個，同時放出了兩個β+粒子、兩個中微子和大約26 MeV的能量.在這個循環(huán)中碳和氮數(shù)量不變，只起媒介作用. 另一種是氫—氫鏈式反應(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—氫鏈式反應(yīng)在太陽中是主要的反應(yīng)過程，產(chǎn)生的能量約占總能量的96%. 講練互動 【例題】核聚變能是一種具有經(jīng)濟性能優(yōu)越、安全可靠、無環(huán)境污染等優(yōu)勢的新能源.近年來，受控核聚

6、變的科學(xué)可行性已得到驗證，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)寫出氘和氚聚合的反應(yīng)方程. (2)試計算這個核反應(yīng)釋放出來的能量. (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)未來的主要能源.兩個氘核的核反應(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、個氘核以相等的動能0.35 MeV進行對心碰撞，并且核能全部轉(zhuǎn)化為機械能的情況下，求反應(yīng)中產(chǎn)生的中子和氦核的動能. 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)把兩個氘核作為一個系統(tǒng)，對撞過程動量守恒，由于反應(yīng)前兩氘核動能相同，其動量等值反向，因此反應(yīng)前后系統(tǒng)的總動量恒為零，即0=mHevHe+mnvn① 又因為反應(yīng)前后總能量守恒，即mHevHe2+mnvn2=ΔE+2Ek0② 因為mHe∶mn=3∶1，所以氦核和中子的速率之比為： 把這兩個關(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 體驗探究 【問題】為什么國際社會不允許無核武器國家獲取或制造核武器？ 導(dǎo)思：主要從放射性物質(zhì)對人類、自然界的危害來考慮. 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)長的時間內(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，給人類和自然界帶來恐慌和動蕩，所以要禁止核擴散.