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1、物理总复习：核能、核能的利用 编稿：李传安 审稿：隋伟【考纲要求】1、知道核力及结合能、质量亏损等概念 2、会配平和书写核反应方程式3、知道核能获取的两种方式，了解核反应堆的主要组成部分，能进行简单的有关核能的计算问题【考点梳理】考点一、核能要点诠释：1、核力核子间作用力。其特点为短程强引力：作用范围为2.01015m，只在相邻的核子间发生作用。2、核能核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能。比结合能：结合能与核子数之比称做比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。不同原子核的比结合能是不一样的，由比结
2、合能曲线可以看出：中等大小的核比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。3、质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程Emc2说明物体的质量和能量之间存在着一定的关系，一个量的变化必然伴随着另一个量的变化。核子在结合成原子核时放出核能，因此，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小m，这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能Emc2；反之，由核能也可求出核反应过程的质量亏损。4、Emc2是计算核能的常用方法。在具体应用中要注意单位制的统一及不同单位的换算。若质量单位取原子质量单位u，则： 此结论亦可在计算中直接应用。另外，在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生成的新核和新
3、粒子的动能。因而在此情况下可应用力学原理动量守恒和能量守恒来计算核能。5、质能方程的理解对于质量亏损，切忌不能认为这部分质量转化成了能量，质能方程的本质是：第一，质量或能量是物质的属性之一，决不能把物质和它们的某一属性（质量和能量）等同起来。第二，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，这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒，质量和能量在量值上的联系决不等于这两个量可以相互转化。第三，质量亏损不是否定了质量守恒定律，生成的射线虽静质量为零，但动质量不为零。考点二、重核的裂变要点诠释：重核分裂成中等质量的核的反应过程。如：由于中子的增值使裂变反应能持续地进行的过程称
4、为链式反应。发生链式反应的条件是：裂变物质的体积临界体积。裂变的应用：原子弹、原子反应堆。核电站：核电站的核心是核反应堆，核反应堆主要由以下几部分组成。 核燃料：浓缩铀235.减速剂：浓缩铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、中水、或普通水作减速剂.控制棒：为了控制能量释放的速度，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，就可以容易地控制链式反应的速度.保护层：反应堆外层是很厚的水泥壁，可防止射线辐射出去.冷却系统：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.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. 考点三、轻核
5、的聚变要点诠释：轻核结合成质量较大的核的反应过程。如：发生聚变反应的条件是：超高温（几百万度以上）热核反应。聚变的应用：氢弹、可控热核反应。要点诠释：1、原子核既然是由质子和中子组成的，那么为什么还会从原子核里发射出粒子、粒子？实际上，发射出来的粒子和粒子仍是原子核内的质子和中子结合或转化而成的。粒子是原子核内的2个质子和2个中子结合在一起发射出来的，粒子是原子核内的中子转化为质子时产生并发射出来的。所以不能因为从原子核中发射出粒子和粒子就认为原子核也是由它们组成的。 2、质量数守恒和核电荷数守恒是我们书写核反应方程的重要依据，但要以核反应的事实为基础，不能仅仅根据该两条守恒定律随意书写事实上
6、不存在的核反应方程。另外，核反应通常是不可逆的，方程中只能用箭头：“”连接并指示反应方向，而不能用等号“”连接。【典型例题】类型一、配平和书写核反应方程例1、下面列出的是一些核反应方程 其中（ ）AX是质子，Y是中子，Z是正电子BX是正电子，Y是质子，Z是中子CX是中子，Y是正电子，Z是质子DX是正电子，Y是中子，Z是质子【思路点拨】根据质量数守恒和电荷数守恒配平核反应方程，再确定XYZ是何种物质。【答案】D【解析】将三个核反应方程写明确，为 可知X为正电子，可知Y为中子，可知Z为质子【总结升华】根据质量数守恒和电荷数守恒配平核反应方程，是解决此类问题的关键。举一反三【变式1】原子核与氘核反应
7、生成一个粒子和一个质子。由此可知AA=2，Z=1 B. A=2，Z=2 C. A=3，Z=3 D. A=3，Z=2【答案】D【解析】，应用质量数与电荷数的守恒，解得，答案D。【变式2】2006年美国和俄罗斯的科学家利用回旋加速器，通过（钙48）轰击（锎249）发生核反应，成功合成了第118号元素，这是迄今为止门捷列夫元素周期表中原子序数最大的元素。实验表明，该元素的原子核先放出3个相同的粒子X，再连续经过3次衰变后，变成质量数为282的第112号元素的原子核，则上述过程中的粒子X是（ ）A. 中子 B. 质子 C. 电子 D. 粒子【答案】A【解析】因为在衰变的过程中质量数守恒，电荷数守恒根据
8、电荷守恒定律可得，118-32-112=0，所以X粒子的电荷量为零再根据质量守恒，48+249-43-282=3，所以X粒子的质量数为1，所以该粒子为中子，故BCD错误，A正确故选A【变式3】目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成. u夸克带电荷量为，d夸克带电荷量为，e为基元电荷.下列论断中可能正确的是（ ）A质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成B质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成C质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成D质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个
9、d夸克组成【答案】B【解析】由质子带一个单位正电荷，中子不带电，设质子中u夸克、d夸克个数分别是x、y，x、y取正整数，则 解得x=2、y=1；设中子中u夸克d夸克个数分别是m、n，m、n取正整数，则 解得m=1、n=2. 故选B【变式4】现有三个核反应： 下列说法正确的是（ ）A. 是裂变，是衰变，是聚变 B.是聚变，是裂变，是衰变C. 是衰变，是裂变，是聚变 D.是衰变，是聚变，是裂变【答案】C【解析】原子核的变化通常包括衰变、人工转变、裂变和聚变.衰变是指原子核放出粒子和粒子后，变成新的原子核的变化，如本题中的核反应；原子核的人工转变是指在其它粒子的轰击下变成新的原子核的变化；裂变是重核
10、分裂成质量较小的核，如核反应；聚变是轻核结合成质量较大的核，如核反应；综上所述，C项正确.类型二、质能方程与核能的有关计算【高清课堂：原子核物理 例3】例2、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（ ） AE=mc2 表明物体具有的能量与其质量成正比 B根据E= mc2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，表明此过程出现了质量亏损 DE=mc2中的E是发生核反应中释放的核能【思路点拨】爱因斯坦质能方程的含义核反应过程中发生质量亏损会释放能量【答案】D【解析】A、爱因斯坦提出的质
11、能方程E=mc2告诉我们，物体具有的能量与它的质量成正比故A正确B、E=mc2中m是亏损质量，E是释放的核能，故B正确C、核反应中若质量亏损，就要释放能量，所以一个质子和一个中子结合成一个氘核时释放能量，表明此过程出现了质量亏损故C正确D、E=mc2中的E是物体具有的能量故D错误故选D【总结升华】理解了E=mc2和E=mc2的各个量的物理意义，就能准确的选出错误的选项.举一反三【变式1】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”的说法中正确的是（ ）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“
12、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【答案】AC【解析】“人造太阳”是利用海水中的和聚变而产生大量热量的.放出的热量可利用爱因斯坦质能方程E=mc2求出，其中m为质量亏损，所以A、C项正确.而B项核反应方程是的裂变方程，所以B项错误.爱因斯坦质能方程是计算质量m的粒子所具有的能量，并不是计算由于核反应中质量亏损而产生的热量.所以D项错误.【变式2】在衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测。1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中的核反应，间接地证实了中微子的存在。（1）中微
13、子与水中的发生核反应，产生中子（）和正电子（），即中微子+可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是 。（填写选项前的字母） （A）0和0 （B）0和1 （C）1和 0 （D）1和1（2）上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子（），即 +2 已知正电子和电子的质量都为9.110-31，反应中产生的每个光子的能量约为 J.正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是 。（3）试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小。【答案】（1）A （2） 遵循动量守恒（3）粒子的动量 ，物质波的波长由，知，则.【解析】（1）发生核反应前后，粒子的
14、质量数和核电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数分都是0，A项正确。（2）产生的能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，由，故一个光子的能量为。正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒。（3）物质波的的波长为，要比较波长需要将中子和电子的动量用动能表示出来即，因为，所以，故。例3、裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核铀为燃料的反应堆中，当俘获一个慢中子后发生裂变反应可以有多种方式，其中一种可以表示为235.0493 1.0087 138.9178 93.9154反应方程下方的数字
15、是中子及有关原子的静止质量（以原子质量单位u为单位）.已知1 u的质量对应的能量为9.3102 MeV，此裂变反应释放出的能量是_MeV. 【思路点拨】先计算出质量亏损，再很据质能方程求出释放出的能量。【答案】1.8102【解析】本题考查质量亏损与质能方程的应用.由题可知反应前后的质量亏损为：m=（235.0439+1.0087- 138.9178- 93.9154- 31.0087）u=0.1933 u所以E=m9.3102 MeV=0.19339.3102 MeV = 1.8102 MeV.【总结升华】根据配平后的核反应方程计算，质量亏损等于反应前的总质量减去反应后的总质量，反应后由3个中
16、子，计算时“3”不能丢。举一反三【变式1】一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量，中子质量，氚核质量。（1）写出聚变方程；（2）释放出的核能多大？【答案】（1）（2）6.24MeV【解析】（1）聚变方程为：.（2）质量亏损为：（1.0073+21.0087- 3.0180）u =0.0067u，释放的核能：E=mc2=0.0067931.5 MeV=6.24 MeV.【变式2】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m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c。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
17、出的光子的能量D.光子的波长【答案】B【解析】该核反应方程质量数不守恒，A错；聚变反应中的质量亏损，B对；聚变反应中亏损的质量转化为能量以光子的形式放出，故光子能量为，C错；根据 所以光子的波长：，D错，故选B。【高清课堂：原子核物理 例4】例4、雷蒙德戴维斯因研究来自太阳的电子中微子（e）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615t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，己知核的质量为36.95658u， 核的质量为36.95691u， 的质量为0.00055u，l u质量对应的能量为931.5MeV
18、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（）A1.33MeV B0.82MeV C0.51MeV 0.31MeV【思路点拨】根据题意可知该核反应过程中质量增加，因此需要提供能量，根据质能方程求出反应所需能量，然后根据能量守恒即可求出中微子的最小能量【答案】B【解析】反应过程需要能量为：E=mc2 =（36.95691u+0.00055u-36.95658u）c2根据l u质量对应的能量为931.5MeV，得：E0.82MeV，所以中微子的能量最小为0.82MeV，故ACD错误，B正确故选B【总结升华】本题考查了能量守恒在原子物理知识中的应用，要解答这类问题关键是在计算上不要出
19、错。举一反三【变式1】氘核和氚核可发生热核聚变而释放巨大的能量，该反应方程为：，式中x是某种粒子。已知：、和粒子x的质量分别为2.0141 u、3.0161 u、4.0026 u和1.0087 u；1 u =931.5 MeV/c2，c是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知，粒子x是_，该反应释放出的能量为_ MeV（结果保留3位有效数字）【答案】（1）（中子） 17.6【解析】根据并结合质量数守恒和电荷数守恒知x为；由质能方程得【变式2】一静止的核经衰变成为核，释放出的总动能为4.27MeV.问此衰变后核的动能为多少MeV（保留1位有效数字）【答案】0.07MeV【解析】据题意知，此衰变的
20、衰变方程为 +，根据动量守恒定律得 式中，和分别为粒子和Th核的质量，和分别为粒子和Th核的速度的大小.由题设条件知 由式得 代入数据得，衰变后核的动能为 【变式3】钚的放射性同位素静止时衰变为铀核激发态和粒子，而铀核激发态立即衰变为铀核，并放出能量为的光子。已知：、和粒子的质量分别为、和 （1）写出衰变方程；（2）已知衰变放出的光子的动量可忽略，球粒子的动能。【答案】（1）（2）【解析】（1）衰变方程为 或合起来有 （2）上述衰变过程的质量亏损为 放出的能量为 这个能量是铀核的动能、粒子的动能和光子的能量之和 由式得 设衰变后的铀核和粒子的速度分别为和，则由动量守恒有 又由动能的定义知 由式得 由式得 代入题给数据得。