高三物理总复习知识讲解核能核能的利用

物理总复习：核能、核能的利用

编稿：李传安     审稿：张金虎

【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2.0×10－15m，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E＝mc2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△E＝△mc2；反之，由核能也可求出核反应过程的质量亏损。
4、△E＝△mc2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γ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。 

①核燃料：浓缩铀235.

②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.

③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.

④保护层：反应堆外层是很厚的水泥壁，可防止射线辐射出去.

⑤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α粒子、β粒子？实际上，发射出来的α粒子和β粒子仍是原子核内的质子和中子结合或转化而成的。α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，β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α粒子和β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（　 ）
　　A．X是质子，Y是中子，Z是正电子
　　B．X是正电子，Y是质子，Z是中子
　　C．X是中子，Y是正电子，Z是质子
　　D．X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】原子核与氘核反应生成一个α粒子和一个质子。由此可知

A．A=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α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. α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．
根据电荷守恒定律可得，118-3×2-112=0，所以X粒子的电荷量为零．
再根据质量守恒，48+249-4×3-282=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：

①   

 ②

③

下列说法正确的是（   ）

A. ①是裂变，②是β衰变，③是聚变    B.①是聚变，②是裂变，③是β衰变

C. ①是β衰变，②是裂变，③是聚变    D.①是β衰变，②是聚变，③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α粒子和β粒子后，变成新的原子核的变化，如本题中的核反应①；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；裂变是重核分裂成质量较小的核，如核反应②；聚变是轻核结合成质量较大的核，如核反应③；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（  ）

     A．E=mc2 表明物体具有的能量与其质量成正比

     B．根据ΔE= Δmc2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

     D．E=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．“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ΔE=Δmc2求出，其中Δm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9.1×10-31㎏，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、（2016 全国Ⅱ卷）在下列描述的核过程的方程中，属于α衰变的是            ，属于β衰变的是            ，属于裂变的是            ，属于聚变的是            。（填正确答案标号）

A．                    B．  

C．                D．       

E．       F．

【答案】C、AB、E、F

【解析】衰变的反应物只有一个，生成物有或；重核裂变的反应物是U核和中子，生成中核；氢核聚变是轻核合成为中核。

举一反三

【变式1】（2015  江苏卷）C.（2）核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，是常用的核燃料。受一个中子轰击后裂变成和两部分，并产生_____个中子。要使链式反应发生，裂变物质的体积要_________（选填“大于”或者“小于”）它的临界体积。

（3）取质子的质量，中子的质量，α粒子的质量，光速，请计算α粒子的结合能，（计算结果保留两位有效数字）

【答案】（2）3  大于 （3）

【解析】（2）由可知，会产生3个中子，要使裂变持续进行（链式反应），物质的体积需大于它的临界体积。

（3）组成α粒子的核子与α粒子的质量亏损

结合能

代入数据得

【点评】本题考查原子核裂变，爱因斯坦质能方程。

【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（νe）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．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．1.33MeV      B．0.82MeV       C．0.51MeV      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：E≈0.82MeV，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，此衰变的衰变方程为 +，根据动量守恒定律得

   ①  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

      ②          ③

由①②③式得       ④

代入数据得，衰变后核的动能为      ⑤

【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  ①

    ② 或合起来有   ③

（2）上述衰变过程的质量亏损为 ④

放出的能量为   ⑤   这个能量是铀核的动能、粒子的动能

和光子的能量之和      ⑥

由④⑤⑥式得     ⑦

设衰变后的铀核和粒子的速度分别为和，

则由动量守恒有 ⑧

又由动能的定义知   ⑨

由⑧⑨式得   ⑩  

由⑦⑩式得  

代入题给数据得。