高中物理 第4章 核能 第4节 核能的利用与环境保护知识导航素材 鲁科版选修3-5（通用）

高中物理 第4章 核能 第4节 核能的利用与环境保护知识导航素材 鲁科版选修3-5（通用）

第4节 核能的利用与环境保护 ‎ 思维激活 核反应中的反应能是怎样的？‎ 提示：在核反应过程中，体系的总质量和总能量保持不变，但是，静止质量和总动能是变化的，我们把反应后的总动能与反应前的总动能之差称为反应能，它是反应过程中放出或吸收的净能量.反应能等于反应后系统的静止质量之差对应的能量，若反应后系统的静止质量比反应前减少了，则其总动能比反应前一定增加了，故为放能反应；反之为吸能反应.‎ 自主整理 ‎1.目前核电站的反应堆以_________为燃料，发电成本低于煤电.‎ ‎2.原子弹是一种没有减速剂、不加控制的_________装置.一种装置称为_________装置；另一种方法称为_________.‎ ‎3.氢弹是一种靠_________不需人工控制而实现聚变的反应装置.在弹体内装有热核材料_________、_________以及_________.当普通炸药爆炸时，铀块或钚块迅速合为一体，使其体积超过_________而发生原子弹爆炸.爆炸的高温高压使氘、氚等轻核发生_________，产生很高的能量直至再次发生更大规模的爆炸.‎ 高手笔记 原子弹 原子弹就是设法使铀235的体积超过它的临界体积，只要有中子进入铀块，就会立即引起铀核的链式反应，在极短时间内，释放出大量的核能，发生猛烈爆炸.‎ 氢弹 氢弹则是利用原子弹爆炸产生的热核反应提供所需温度，使氘和氘发生聚变，从而引起新的爆炸.‎ 中子弹 中子弹是以氘和氘进行热核反应为主要能量来源，以爆炸中产生大量的高能中子作为主要杀伤因素的一种小当量战术核武器.中子弹实际上是一种经过改进的加强辐射的小型氢弹，与氢弹不同的是它要求裂变初级的裂变当量不能大(一般为几百到上千吨TNT当量).‎ 自1945年世界上成功地进行了第一次核试验以来，由于核武器具有巨大的威力，得到了各国政府的高度重视，在国际政治、军事、外交等各方面起着极其重要的作用.‎ 名师解惑 ‎1.氢弹爆炸的原理 剖析：氢弹是利用轻核聚变制成的爆炸武器，其构造如图‎4-4-1‎所示.聚变材料是氘和氚,产生聚变反应的高温条件是原子弹的爆炸提供的.当引爆装置引起普通炸药爆炸时，将铀块迅速合拢产生原子弹爆炸，由此产生的高温使氘和氚迅速、剧烈地进行生成氦的热核反应，引起氢弹的爆炸.氢弹的炸药氘和氚没有临界体积的限制，可以做得很大.但氚是不稳定的核素，其半衰期为12.5年，所以不能久存.氢弹常用氘化锂和氚化锂作原料，在原子炸药爆炸时产生的大量中子轰击锂核可以产生氚，以补充氚的供应.氢弹爆炸时完成以下反应：‎ 图‎4-4-1‎ ‎+→++4.8 MeV ‎+→52He→++17.6 MeV ‎2.太阳能 剖析：太阳每时每刻都在向太空辐射着巨大的能量，其辐射功率大约是1026 J·s-1.这些能量来自太阳上持续进行的热核反应.目前，人们认为太阳上主要存在着两种聚变过程：一种是所谓的碳—氮循环，其具体反应过程如下：‎ ‎+→+γ ‎→+β++ν ‎+→+γ ‎+→+γ ‎→+β++ν ‎+→+‎ 总的循环结果是把四个质子聚合成了一个，同时放出了两个β+粒子、两个中微子和大约26 MeV的能量.在这个循环中碳和氮数量不变，只起媒介作用.‎ 另一种是氢—氢链式反应，具体反应如下：‎ ‎+→+β++ν ‎+→+γ ‎+→+‎ 这些反应总的结果与上面碳—氮循环反应相同.根据目前的数据，氢—氢链式反应在太阳中是主要的反应过程，产生的能量约占总能量的96%.‎ 讲练互动 ‎【例题】核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源.近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站.一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子.若已知氘原子的质量为2.014 1 u，氚原子的质量为3.016 0 u，氦原子的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u，1 u=1.66×10‎-27 kg.‎ ‎(1)写出氘和氚聚合的反应方程.‎ ‎(2)试计算这个核反应释放出来的能量.‎ ‎(3)若建一座功率为3.0×105 kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半变成了电能，每年要消耗多少氘的质量？‎ ‎(一年按3.2×107 s计算，光速c=3.00×‎108 m/s，结果取两位有效数字)‎ 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 变式训练 海水中含有丰富的氘，完全可充当未来的主要能源.两个氘核的核反应如下：+→+，其中氘核质量为2.013 6 u，氦核质量为3.015 0 u，中子质量为1.008 7u.求：‎ ‎(1)核反应中释放的核能.‎ ‎(2)在两个氘核以相等的动能0.35 MeV进行对心碰撞，并且核能全部转化为机械能的情况下，求反应中产生的中子和氦核的动能.‎ 解析：(1)由ΔE=Δmc2得：释放的核能 ΔE=(2×2.013 6-3.015 0-1.008 7) u×931.5 MeV/u=3.26 MeV.‎ ‎(2)把两个氘核作为一个系统，对撞过程动量守恒，由于反应前两氘核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的总动量恒为零，即0=mHevHe+mnvn①‎ 又因为反应前后总能量守恒，即mHevHe2+mnvn2=ΔE+2Ek0②‎ 因为mHe∶mn=3∶1，所以氦核和中子的速率之比为：‎ 把这两个关系代入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 体验探究 ‎【问题】为什么国际社会不允许无核武器国家获取或制造核武器？‎ 导思：主要从放射性物质对人类、自然界的危害来考虑.‎ 探究：核武器主要原料是这一放射性物质，还包括和以及其他高放射性物质.核武器爆炸后在相当长的时间内生物不能生存，甚至致癌，或导致后代畸形.造成大面积的地区污染，给人类和自然界带来恐慌和动荡，所以要禁止核扩散.‎