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3.3 裂变与聚变

原子核式结构、氢原子光谱与原子核 · 高三
讲清楚它是什么

定义 原子核分裂或聚合时释放巨大能量的核反应过程,伴随质量亏损。

从哪来 本节为图谱记录起点,无前置知识点,直接基于原子核物理基础概念展开。

为什么 依据爱因斯坦质能方程 $E=mc^2$,核反应中反应前后总质量若减少(质量亏损),亏损的质量会转化为巨大的能量释放。裂变是重核分裂为中等质量核,聚变是轻核结合为较重核,两者均趋向于比结合能更大的稳定状态,故释放能量。

类比法
将原子核比作“紧密捆绑的橡皮筋团”。裂变像把一个大橡皮筋团扯成两个小团,松手时回弹释放能量;聚变像把两个小橡皮筋团强行捏合,内部张力释放能量。
适合:形象思维强、对抽象物理公式感到困难的学生。
数据对比法
列出铀-235裂变与氘氚聚变的比结合能曲线位置。展示裂变产物(如钡、氪)和聚变产物(氦-4)的比结合能均高于反应物,用“比结合能越高越稳定”解释能量释放本质。
适合:逻辑严密、擅长通过图表和数据推导结论的学生。
守恒量分析法
强调核反应中质量数守恒和电荷数守恒。通过配平核反应方程,计算反应前后质量差,直接代入 $E=mc^2$ 计算能量,强调“质量不守恒但质能守恒”。
适合:计算能力强、喜欢通过定量推导解决定性问题的学生。
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练一道
基础题
已知铀-235裂变方程为 $^{235}_{92}U + ^1_0n \rightarrow ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3^1_0n$。若反应前总质量为 $m_1$,反应后总质量为 $m_2$,求释放的能量。
变式
氘核($^2_1H$)和氚核($^3_1H$)聚变生成氦核($^4_2He$)和中子($^1_0n$)。已知氘核质量 $m_D$,氚核质量 $m_T$,氦核质量 $m_{He}$,中子质量 $m_n$。求该反应释放的能量,并判断该反应是裂变还是聚变。
试试手自己判
检测题
一个铀-235原子核吸收一个中子后,分裂成一个钡-141原子核、一个氪-92原子核和3个中子。若铀-235、钡-141、氪-92和中子的质量分别为 $m_U, m_{Ba}, m_{Kr}, m_n$,则该反应释放的能量为? A. $(m_U + m_n - m_{Ba} - m_{Kr} - 3m_n)c^2$ B. $(m_U - m_{Ba} - m_{Kr} - 2m_n)c^2$ C. $(m_{Ba} + m_{Kr} + 3m_n - m_U - m_n)c^2$ D. $(m_U + m_n - m_{Ba} - m_{Kr})c^2$
看答案和判分标准
答案:B
判对标准:
1. 正确写出反应方程:$^{235}U + ^1n \rightarrow ^{141}Ba + ^{92}Kr + 3^1n$。
2. 正确计算质量亏损:$\Delta m = (m_U + m_n) - (m_{Ba} + m_{Kr} + 3m_n) = m_U - m_{Ba} - m_{Kr} - 2m_n$。
3. 正确应用质能方程:$E = \Delta m c^2$。
4. 选项B符合上述推导,选B为正确。
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