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第四章 · 第三节
核反应与核能
质能方程 · 结合能 · 裂变与聚变

📖 知识点学习

🎯 学习目标

  • 掌握爱因斯坦质能方程
  • 理解质量亏损与结合能
  • 了解重核裂变与轻核聚变
  • 理解链式反应和核能利用
知识点一：质能方程
爱因斯坦质能方程
E=mc²，建立了质量 m 与能量 E 的等价关系，c 为光速。核反应中质量亏损 Δm 对应释放能量 ΔE=Δmc²。
质能方程
E
E=mc²
J
质量亏损
Δm
ΔE=Δmc²
kg
光速
c
3×10⁸
m/s
知识点二：结合能
结合能
把原子核完全分解为自由核子所需的能量，也等于自由核子结合成原子核时释放的能量。比结合能（结合能/核子数）越大，核越稳定。
比结合能曲线
  • 中等质量核（铁附近）比结合能最大，最稳定
  • 重核裂变和轻核聚变都向中等质量核方向进行
  • 反应后比结合能增大，释放能量
  • 核能远大于化学能（1kg铀裂变≈2500吨煤）
知识点三：重核裂变与轻核聚变
重核裂变
重核分裂成两个中等质量核的过程，释放巨大能量。例：²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3¹₀n。需中子引发，产生更多中子形成链式反应。
轻核聚变
轻核结合成较重核的过程，释放更大能量。例：²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n。需极高温度（热核反应），太阳内部就是聚变。
裂变与聚变的共同点
  • 都释放巨大核能
  • 反应后比结合能增大
  • 都有质量亏损
  • 核反应中质量数和电荷数守恒

🎬 动画讲解

📢
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🧪 互动实验：核反应方程配平

💡 调节反应类型，观察质量数和电荷数守恒
⚙️ 反应类型
反应前质量数236
反应后质量数236
反应前电荷数92
反应后电荷数92
📋 实验结论
核反应中质量数和电荷数都守恒。裂变是重核分裂成中等质量核，聚变是轻核结合成较重核，都释放巨大核能。

📝 例题精讲

💡 提示：点击「下一步」按钮，逐步查看详细解题过程
例题 1核反应方程配平
完成核反应方程：²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ?
🔍 解题过程
1质量数守恒：27+4=30+A，解得 A=1。
2电荷数守恒：13+2=15+Z，解得 Z=0。生成粒子为¹₀n（中子），这是查德威克发现中子的反应。
✅ 生成¹₀n（中子）。质量数和电荷数均守恒。
例题 2质量亏损计算
两个质子和两个中子结合成氦核(⁴₂He)，质子质量mp、中子质量mn、氦核质量mα，释放能量为？
🔍 解题过程
1质量亏损 Δm=反应前总质量-反应后总质量=2mp+2mn-mα。
2由质能方程释放能量 ΔE=Δmc²=(2mp+2mn-mα)c²。氦核质量小于自由核子质量之和。
✅ ΔE=(2mp+2mn-mα)c²，这就是氦核的结合能。

🚀 拓展提升

核电站与链式反应

核电站利用铀235裂变释放能量。链式反应需要铀块达到临界体积（临界质量），使裂变产生的中子能被其他铀核吸收继续裂变。控制棒（镉或硼）吸收中子控制反应速率。

核聚变与受控聚变

太阳内部在1.5×10⁷K高温下发生氢核聚变。氢弹利用氘氚聚变，需原子弹提供高温高压。受控核聚变（托卡马克装置）是未来清洁能源方向，目前仍处于实验阶段。

核能的优越性

  • 能量密度高：1kg铀235裂变≈2500吨标准煤
  • 不排放温室气体
  • 铀资源相对丰富
  • 需妥善处理核废料和安全问题

✏️ 练习巩固

💡 提示：每道题作答后会立即显示解析，请认真思考后再作答
第 1 题★☆☆ 基础
爱因斯坦质能方程为？
AE=mc
BE=mc²
CE=m/c²
DE=mc²/2
第 2 题★☆☆ 基础
重核裂变和轻核聚变的共同点是？
A都释放能量
B都吸收能量
C都需要高温
D都产生中子
第 3 题★★☆ 巩固
关于链式反应，下列正确的是？
A只需一个中子引发即可持续
B需要铀块达到临界体积
C不需要中子参与
D任何铀核都能发生链式反应
第 4 题★★☆ 巩固
原子核的结合能是指？
A原子核具有的能量
B把原子核分解成自由核子所需的能量
C核子运动动能
D原子核的衰变能
第 5 题★★★ 拓展
太阳内部释放巨大能量的核反应是什么？（轻核___，填两字）

🧠 知识点问答

老师来考考你！下面的问题都来自本节课的知识点，看看你掌握了多少。每次点击"再考一次"题目顺序都会随机打乱哦！
🎉

课程完成！

恭喜你完成了「核反应与核能」的学习！

📌 核心要点：
① 质能方程 E=mc²，质量亏损 Δm→释放能量 ΔE=Δmc²
② 结合能：分解原子核所需能量，比结合能越大越稳定
③ 重核裂变：中子引发，链式反应，核电站原理
④ 轻核聚变：需高温，太阳能量来源
⑤ 核反应中质量数和电荷数守恒