2019版高中物理 第4章 核能章末分层突破教师用书 鲁科版选修3-5

2019版高中物理第4章核能章末分层突破教师用书鲁科版选修

3-5

[自我校对]

①相邻

②短程

③m前－m后

④mc2

⑤Δmc2

⑥大于

⑦几百万

⑧引力

⑨武器

⑩废料

几个重要的核反应

反应可用方程来表示，叫核反应方程．完成下列核反应方程，并指明它属于何种核反应．

(1)23892U→23490Th＋( )属________；

(2)94Be＋( )→126C＋10n，属________；

(3)21H＋31H→42He＋( )，属________；

(4)23592U＋10n→9038Sr＋13654Xe＋( )，属________．

【解析】根据质量数和电荷数守恒可判定：

(1)中的未知核为42He，该反应属衰变；

(2)中的未知核为42He，该反应属人工转变；

(3)中的未知核为10n，该反应属于聚变；

(4)中的未知核为1010n，该反应属于裂变．

【答案】见解析

核能的产生及计算

1.获得核能的途径

(1)重核裂变：重核俘获一个中子后分裂成为两个(或多个)中等质量的核的反应过程，重核裂变的同时放出几个中子，并释放出大量核能．为了使铀235裂变时发生链式反应，铀块的体积应达到它的临界体积．

重核的裂变：如235 92U＋10n→9038Sr＋136 54Xe＋1010n.

应用：原子弹、原子反应堆．

(2)轻核聚变：某些轻核结合成质量较大的核的反应过程，同时释放出大量的核能．要想使氘核和氚核合成氦核，必须达到几百万度以上的高温，因此聚变反应又叫热核反应．

轻核的聚变：如：21H ＋31H→42He ＋1

0n.

应用：氢弹、可控热核反应．

2．核能的计算

重核的裂变和轻核的聚变，存在质量亏损，根据爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2，可以判断两种核反应都会向外释放能量，计算核能的方法如下：

(1)质能方程ΔE ＝Δmc 2是计算释放核能多少的主要方法，质量亏损Δm 的确定是计算核能的关键．

(2)核反应中如无光子辐射，核反应释放的核能全部转化为新核的动能和新粒子的动能．这种情况下的核能可由下列关系计算：反应前总动能＋反应过程中释放的核能＝反应后总动能．

已知氘核质量为2.013 6 u ，中子质量为1.008 7 u ，32He 核的质量为3.015 0 u.

(1)写出两个氘核聚变成32He 的核反应方程；

(2)计算上述核反应中释放的核能；

(3)若两氘核以相等的动能0.35 MeV 做对心碰撞，即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的32He 核和中子的动能各是多少？

【解析】 (1)应用质量数守恒和核电荷数守恒，不难写出核反应方程为21H ＋21H→32He ＋10n.

(2)由题给条件可求出质量亏损为：

Δm ＝[2.013 6×2－(3.015 0＋1.008 7)]u ＝0.003 5 u

所以释放的核能

ΔE ＝931.5×0.003 5 MeV＝3.26 MeV.

(3)因为该反应中释放的核能全部转化为机械能，即转化为32He 核和中子的动能，若设32He 核和中子的质量分别为m 1、m 2，动量分别为p 1、p 2，动能分别为E k1、E k2，氘核的动能为E k0，则由动量守恒及能的转化和守恒定律，得 p 1－p 2＝0①

E k1＋E k2＝2E k0＋ΔE ②

由E k ＝p 22m 得E k1E k2＝m 2m 1＝13

③ 由①②③得：E k1＝14

(2E k0＋ΔE )＝0.99 MeV E k2＝34(2E k0＋ΔE )＝2.97 MeV.

【答案】 (1)21H ＋21H→32He ＋10n (2)3.26 MeV

(3)0.99 MeV 2.97 MeV

若核反应前后各核的质量单位为kg，则用ΔE＝Δmc2求核能时，核能单位为J.

若核反应前后各核的质量单位为u，则用ΔE＝Δmc2.,求核能时，结合1 u的质量对应的能量为931.5 MeV，求得核能单位为MeV.

1.(多选)一静止的铝原子核2713Al俘获一速度为1.0×107m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核2814Si*.下列说法正确的是( )

A．核反应方程为p＋2713Al→2814Si*

B．核反应过程中系统动量守恒

C．核反应过程中系统能量不守恒

D．硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向与质子初速度的方向一致

【解析】核反应过程中遵循质量数守恒和电荷数守恒，核反应方程为p＋2713Al→2814Si*，说法A正确．核反应过程中遵从动量守恒和能量守恒，说法B正确，说法C错误．根据动量守恒定律有m p v p＝m Si v Si，碰撞后硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向与质子初速度方向一致，说法D正确．

【答案】ABD

2．在下列描述核过程的方程中，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.146C→147N＋0－1e

B.3215P→3216S＋0－1e

C.23892U→23490Th＋42He

D.147N＋42He→178O＋11H

E.23592U＋10n→14054Xe＋9438Sr＋210n

F.31H＋21H→42He＋10n

【解析】α衰变是一种元素衰变成另一种元素过程中释放出α粒子的现象，选项C 为α衰变；β衰变为衰变过程中释放出β粒子的现象，选项A、B均为β衰变；重核裂变是质量较大的核变成质量较小的核的过程，选项E是常见的一种裂变；聚变是两个较轻的核聚合成质量较大的核的过程，选项F是典型的核聚变过程．

【答案】 C AB E F

3．在实验室内较精准地测量到双β衰变事例是在1987年公布的，在进行了7 960小

时的实验后，以68%的置信度认出8234Se发生的36个双β衰变事例，已知静止的8234Se发生双β衰变时，将释放出两个电子和两个中微子νe(中微子的质量数和电荷数都为零)，同时转变成一个新核X，则X核的中子数为________；若衰变过程释放的核能是E，真空中的光速为c，则衰变过程的质量亏损是________．

【解析】衰变方程为：8234Se→8236X＋20－1e＋2νe，X核的中子数为82－36＝46，由质能

方程有：Δmc2＝E，Δm＝E

c2 .

【答案】46 E c2

4．用中子轰击铀核(235 92U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(141 56Ba)和氪(9236Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：

m U＝390.313 9×10－27 kg，m n＝1.674 9×10－27 kg；

m Ba＝234.001 6×10－27 kg，m Kr＝152.604 7×10－27 kg.

试写出核反应方程，求出反应中释放的核能. 【导学号：64772058】

【解析】根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒，就可以写出核反应方程．

根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能．

铀核裂变方程为10n＋235 92U→141 56Ba＋9236Kr＋310n，

则核反应前后的质量亏损为

Δm＝m U＋m n－m Ba－m Kr－3m n＝3.578×10－28 kg.

由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为

ΔE＝Δmc2＝3.578×10－28×(3×108)2 J＝3.220 2×10－11 J.

【答案】10n＋235 92U→141 56Ba＋9236Kr＋310n 3.220 2×10－11 J