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§15.4 核能与核反应
（一）核力与核能
1．核力
①核力是一种强相互作用力（强力）（是核内不同于库仑力和万有引力的一种特有的力）
②核力是一种短程力，作用范围在1.5×10-15m 以内
核子间距离大于0.8×10-15m 表现为引力，且随距离增大而急剧减小；
核子间距离小于0.8×10-15m 表现为斥力，所以核子不会融合。
③饱和性：每个核子只跟邻近的核子发生核力作用（一般认为核子要直接接触才有核力作用）
2．核能（结合能）：核子结合成原子核时能够
释放的能量，或者说使原子核分成一个一个的核子
所需提供的能量（而不是原子核所具有的能量）。
比结合能（平均结合能）：原子核的结合能
与核子数之比（通俗理解，就是核子结合成原子
核时平均每个核子放出的核能）。
比结合能越大，核子结合得越牢固，原子核
越稳定。
规律：轻核和重核比结合能相对较小，中等
核比结合能较大，结构较稳定。
3．质量亏损：核反应前所有微粒的总质量与核反应后所有微粒的总质量之差，即质量的减小量。
◆由于微观粒子质量及亏损质量都很小，为了方便，引入了一个很小的单位——原子质量单位u
原子质量单位u 的含义：
，1u≈ kg
原子量的意义： （原子量实质上就是以u 为单位的原子质量）
（
质量的
为1 个原子质量单位u，1u≈1.67×10-27kg。原子量就是原子的质量跟1u 的比值）
【例1】氦原子质量mHe＝4.002603u，电子质量me＝5.486×10-4u，质子质量mp＝1.007276u，中子的质量mn＝
1.008665u，则由两个质子和两个中子结合成一个氦核发生的质量亏损为
u。
【答案】0.029279u
【解析】
质量亏损Δm＝1.007276u×2＋1.008665u×2−4.002603u＝0.029279u
4．爱因斯坦质能方程
①质能联系方程：E＝m·c2； ②核能释放方程：ΔE＝Δm·c2
若用u 作为质量单位，则有1u≈931.5MeV，即发生1u 的质量亏损，约释放931.5MeV 的核能。
【例2】（2010 年北京卷）太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为
4×1026J，根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近（ ）
A．1036kg
B．1018kg
C．1013kg
D．109kg
【答案】D
【解析】
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
1
0
2
3
4
5
6
7
8
9
12C
2H
4He
16O
6Li
9Be
14C
235U
质量数
A
比结合能/
MeV
56Fe （比结合能
最大）
t＝1s 内释放的能量
，选项D 正确
【例3】雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子（ve ）而获得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ve+17
37 Cl→18
37 Ar +−1
0 e 。已知17
37 Cl 核的质量为36.95658u，18
37 Ar 核的质量为36.95691u，−1
0 e 的质量为
0.00055u，1u 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．0.82MeV
B．0.31MeV
C．1.33MeV
D．0.51MeV
【答案】A
【解析】
当反应释放能量最小，也就是为0 时，电子中微子对应的能量最小。
不计电子中微子质量时，反应中质量的增量Δm＝（36.95691u＋0.00055u）−36.95658u＝0.00088u
931.5MeV×0.00088＝0.82MeV，即要让反应能够进行，至少需要提供0.82MeV 的能量，所以电子中微子的最小能
量为0.82MeV，选项A 正确
（二）衰变
1．自发放出小粒子，不需要人为控制，有α 衰变、β 衰变、β＋衰变等类型
2．衰变快慢（半衰期）只由原子核本身性质决定，而与它所处的物理和化学状态无关
（三）人工转变
1．1919 年卢瑟福用α 粒子轰击氮核发现质子：7
14 N+2
4 He →8
17 O+1
1 H （人类首次实现原子核的人工转变）
2．1932 年查德威克用α 粒子轰击铍核发现中子：4
9 Be +2
4 He →6
12 C+0
1 n （1930 年其他科学家做了轰击铍
核实验，1932 年查德威克证实放出的中性射线是中子）
3．1934 年约里奥−居里夫妇用α 粒子轰击铝核人工得到放射性同位素磷−30：
13
27 Al+2
4 He →15
30 P+0
1 n 15
30 P→14
30 Si++1
0 e（β+
衰变）
天然放射性同位素只有40 多种，而用人工方法得到的放射性同位素已达1000 多种。
【例4】（2018 年天津卷）国家大科学过程——中国散裂中子源（CSNS）于2017 年8 月28 日首次打靶成功，获得
中子束流，可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台，下列核反应中放出的粒子为中子的是（ ）
A．
俘获一个α 粒子，产生
并放出一个粒子B．
俘获一个α 粒子，产生
并放出一个粒子
C．
俘获一个质子，产生
并放出一个粒子
D．
俘获一个质子，产生
并放出一个粒子
【答案】B
【解析】
根据质量数和电荷数守恒可知四个核反应方程分别为
、
、
，
故只有选项B 正确
（四）重核裂变
1．重核裂变为几个中等质量的核时会发生质量亏损，这是重核裂变时能够释放大量核能的原因
2．铀235 核（92
235 U ）的裂变
①能够发生的条件：存在能被铀核俘获的慢中子
②存在多种可能反应 如：92
235 U +0
1 n→56
141 Ba+36
92 Kr +3 0
1 n、92
235 U +0
1 n→38
90 Sr + 54
136 Xe +10 0
1 n
③链式反应能够进行的条件：
a．铀核裂变放出的中子要多于被铀核俘获的中子
b．浓缩铀的体积要超过临界体积
3．原子弹
①工作物质（核燃料）：92
235 U （而不是92
238 U ）
②工作原理：利用链式反应使裂变得以迅速加剧，在极短时间内释放大量能量而发生猛烈爆炸
③引爆方法：将几块（一般为6～8 块）体积均小于临界体积的铀块推到一起，使总体积大于临界
体积，链式反应便自动发生（不需点火引爆，也不需引入慢中子）
④杀伤方式：爆炸时的高温灼伤、火灾；爆炸时的超声波、次声波的巨大推毁力及生物性损伤；爆
炸时的强烈放射线（γ 射线）伤害，核残留物的放射线对环境及人体的长期危害
4．核反应堆（铀核裂变反应堆）
①工作物质（核燃料）：92
235 U （而不是92
238 U ）
②慢中子的获得：用减速剂（石墨或重水）
③反应速度的控制：用控制棒（如镉棒，通过插入深浅改变吸收中子的多少，从而控制反应速度）
④放射线的防护：几米厚的水泥墙掩体
⑤廉价而环保的能源：1kg 浓缩铀相当于2500t 优质煤；核电对环境的污染远比火电要小
（五）轻核聚变
1．几个轻核聚变为质量较大的原子核时会发生质量亏损，这是轻核聚变能够释放大量核能的原因
2．取之不尽的核燃料——氢元素
现在实现的核聚变一般是将1
2 H 、1
3 H 及2
3 He 等轻核进行聚变而释放大量核能。在地球上，从海
水中可以获得大量的1
2 H 、1
3 H ，而在宇宙空间中，2
3 He 的贮量则相当丰富。
3．极为苛刻的反应条件——热核反应
由于原子核间强大的库仑斥力作用，所以需要数亿度的高温，轻核才能走到一起而发生聚变
4．难以驾驭的核反应——氢弹爆炸
在现有技术条件下，轻核聚变一旦发生则异常猛烈，无法控制，所以还只能用来制造氢弹。
氢弹一般以一个原子弹来引爆，其爆炸威力相当于上百个原子弹。
5．核聚变能的应用前景——可控热核反应
【例5】（2023 年湖南卷）2023 年4 月13 日，中国“人造太阳”反应堆中科院环流器装置（EAST）创下新纪录，
实现404 秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步，下列关于核反应的说
法正确的是（ ）
A．相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多B．氘氚核聚变的核反应方程为
C．核聚变的核反应燃料主要是铀235
D．核聚变反应过程中没有质量亏损
【答案】A
【解析】
A：相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多，A 正确
B：根据质量数守恒和核电荷数守恒可知，氘氚核聚变的核反应方程为
，B 错误
C：核聚变的核反应燃料主要是氘核和氚核（铀235 是核裂变燃料），C 错误
【知识：现在通过人为方式能够实现的核聚变反应主要有：
①
；②
；
③
；④
但只有第①个反应相对容易实现，其他三个反应能够实现，但要实现的难度极大。
所以，现在人类研究核聚变能的利用，几乎都是研究第①个反应。】
D：核聚变反应过程中正因为有较大的质量亏损，才会放出大量的能量，D 错误
【例6】两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核（氦的同位素），已知氘核质量mH＝2.0136u，氦核质量mHe＝
3.0150u，中子质量mn＝1.0087u。
（1）写出聚变方程并算出释放的核能（已知1u＝931.5MeV）；
（2）若反应前两氘核的动能均为Ek0＝0.35MeV，它们正面对撞发生核聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，
则反应产生的氦核和中子的动能各为多大?
【答案】（1）
，3.26MeV；（2）0.99MeV，2.97MeV
【解析】
（1）聚变方程：
质量亏损：Δm＝2mH−（mHe＋mn）＝0.0035u，释放的核能ΔE＝931.5MeV×0.0035＝3.26MeV
（2）反应后氦核和中子的总动能E 总＝2Ek0＋ΔE＝3.96MeV
因反应中总动量守恒，则反应后氦核和中子的动量p 等大反向
动能
，
则
，
（六）原子核反应总结
1．书写核反应方程的四原则
①电荷数守恒； ②质量数守恒； ③用“→”连接； ④尊重事实，不可捏造
【例7】（2024 年广东卷）我国正在建设的大科学装置——“强流重离子加速器”。其科学目标之一是探寻神秘的
“119 号”元素，科学家尝试使用核反应
产生该元素。关于原子核Y 和质量数A，下列选项正
确的是（ ）
A．Y 为
，A＝299
B．Y 为
，A＝301
C．Y 为
，A＝295
D．Y 为
，A＝297
【答案】C
【解析】
设Y 的质子数为y，根据质子数守恒（即电荷数守恒）得y＋95＝119＋0，解得y＝24，即Y 为
根据质量数守恒得54＋243＝A＋2，解得A＝295
所以选项C 正确
▲除了电荷数守恒、质量数守恒之外，核反应中动量也守恒
【例8】（2025 年北京卷）自然界中物质是常见的，反物质并不常见。反物质由反粒子构成，它是科学研究的前沿
领域之一。目前发现的反粒子有正电子、反质子等；反氢原子由正电子和反质子组成。粒子与其对应的反粒子质量相等，
电荷等量异种。粒子和其反粒子碰撞会湮灭。反粒子参与的物理过程也遵守电荷守恒、能量守恒和动量守恒。下列说法
正确的是（ ）
A．已知氢原子的基态能量为−13.6eV，则反氢原子的基态能量也为−13.6eV
B．一个中子可以转化为一个质子和一个正电子
C．一对正负电子等速率对撞，湮灭为一个光子
D．反氘核和反氘核的核聚变反应吸收能量
【答案】A
【解析】
A：氢原子基态能量由电子与质子决定。反氢原子由正电子和反质子构成，电荷结构相同，能级结构不变，基态能量仍为
−13.6eV，故A 正确
B：若中子衰变（β+衰变）生成质子、正电子
，不符合质子数守恒，故B 错误
C：正负电子对撞湮灭时，总动量为零，需产生至少两个光子以保证动量守恒。单个光子无法满足动量守恒，故C 错误
D：核聚变通常释放能量（如普通氘核聚变）。反氘核聚变遵循相同规律，应释放能量而非吸收，故D 错误
2．区分四类核反应
①衰变； ②人工转变； ③重核裂变； ④轻核聚变
【例9】（2021 年浙江卷）对四个核反应方程
（1）
；（2）
；（3）
；（4）
。下列说法正确的是（ ）
A．（1）（2）式核反应没有释放能量
B．（1）（2）（3）式均是原子核衰变方程
C．（3）式是人类第一次实现原子核转变的方程
D．利用激光引发可控的（4）式核聚变是正在尝试的技术之一
【答案】CD
【解析】
A：（1）是α 衰变，（2）是β 衰变，均有能量以γ 射线的方式放出，故A 错误
B：（3）是人工核转变，故B 错误
C：（3）式是卢瑟福用α 粒子轰击氮核发现质子的反应，是人类第一次实现原子核的人工转变的方程，故C 正确
D：（4）式人类利用激光引发可控的核聚变，是人类正在尝试的和平利用核聚变能解决能源危机的技术之一，故D 正确
【作业】
班次 座次 姓名
1．关于原子核，下列说法正确的是（ ）
A．核子间的弱相互作用和电磁相互作用使核子聚集在一起形成原子核
B．结合能是指核子结合在一起时所具有的能量
C．核子在结合成原子核时，平均每个核子质量亏损越大，原子核越稳定
D．组成原子核的核子平均质量越大，原子核的比结合能越大
【答案】C
【详解】A．核子间的强相互作用使核子聚集到一起形成原子核，故A 错误；
B．结合能不是由于核子结合在一起所具有的能量，而是把核子分开而需要的能量，故B 错误；
C．核子在结合成原子核时，核子平均质量亏损越大，则原子核的比结合能越大，原子核越稳定，故C 正确；
D．组成原子核的核子平均质量越小，原子核的比结合能越大，故D 错误。
故选C。
2．（2024 年福建卷）2024 年我国研发出一款安全性高、稳定发电时间长的新微型原子能电池。该电池将
衰变
释放的能量转化为电能，衰变方程为
，式中
是质量忽略不计的中性粒子，则X 表示的是（
）
A．
B．
C．
D．
【答案】B
3．（2024 年全国甲卷）氘核可通过一系列聚变反应释放能量，总的反应效果可用
表示，式中x、y 的值分别为（ ）
A．x＝1，y＝2
B．x＝1，y＝3
C．x＝2，y＝2
D．x＝3，y＝1
【答案】C
【解析】
根据反应前后质量数和电荷数守恒可得6×2＝2×4＋x＋y，6＝2×2＋y
解得x＝2，y＝2
4．（2025 年黑吉辽蒙卷）某理论研究认为，
原子核可能发生双β 衰变，衰变方程为
。
处于第二激发态的
原子核先后辐射能量分别为0.5908MeV 和0.5395MeV 的
、
两光子后回到基态。下列说法正
确的是（ ）
A．A＝100
B．y＝2
C．
的频率比
的大
D．
的波长比
的大
【答案】ABC
【解析】
AB：由核反应方程质量数和电荷数守恒可得100＝A＋0，42＝44−y，解得A＝100，y＝2，AB 正确
CD：
光子的能量大于
光子的能量，由
，可知
的频率大于
的频率；波长
，则
的波长小于
的波长。C 正确，D 错误
5．（2024 年上海卷）原子核之间由于相互作用会产生新核，这一过程具有多种形式。
（1）质量较小的原子核结合成质量较大原子核的过程称为 。
A．链式反应
B．衰变
C．核聚变
D．核裂变
（2）
核的质量为m1，
核的质量为m2，它们通过核反应形成一个质量为m3的氮原子核（
），此过程
释放的能量为 。（真空中光速为c）
【答案】（1）C；（2）（m1＋m2−m3）c2
【解析】
（1）质量较小的原子核结合成质量较大原子核的反应称为核聚变，C 正确
（2）根据质能方程可知，此过程释放的能量为ΔE＝Δmc2＝（m1＋m2−m3）c2
6．（2023 年全国乙卷）2022 年10 月，全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴，其中我国的“慧眼”卫星、
“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献。由观测结果推断，该伽马射线暴在1 分钟内释放的能量量级为
1048J。假设释放的能量来自于物质质量的减少，则每秒钟平均减少的质量量级为（光速为3×108m/s）（ ）
A．1019kg
B．1024kg
C．1029kg
D．1034kg
【答案】C
【解析】
设每1s 钟减少的质量为Δm，根据质能方程
可知每秒钟平均减少的质量最级为1029kg，选项C 正确
7．（2025 年福建卷）核反应方程为
，现真空中有两个动量大小相等，方向相
反的氘核与氚核相撞，发生核反应，设反应释放的能量几乎转化为
与
的动能，则（ ）
A．该反应有质量亏损
B．该反应为核裂变
C．
获得的动能约为14MeV
D．
获得的动能约为14MeV
【答案】AC
【解析】
A：核反应过程中质量数守恒，有质量亏损，A 正确；
B：该反应是核聚变反应，B 错误；
CD：相撞前氘核与氚核动量等大反向，总动量为零，而反应中总动量守恒，故反应后氦核与中子的动量也是等大反向
动能
，则反应后粒子获得的动能之比
而两个粒子获得的总动能为17.6MeV
故
获得的动能
获得的动能
。故C 正确，D 错误
8．（2024 年浙江卷）已知氘核质量为2.014u，氚核质量为3.016u，氦核质量为4.0026u，中子质量为1.0087u，阿伏
加德罗常数NA取6.0×1023mol-1，氘核摩尔质量为2g·mol-1，1u 相当于931.5MeV。关于氘与氚聚变成氦，下列说法正确的
是（ ）
A．核反应方程式为
B．氘核的比结合能比氦核的大
C．氘核与氚核的间距达到10-10m 就能发生核聚变
D．4g 氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025MeV
【答案】D
【解析】
A：核反应方程式
不符合质量数守恒，故A 错误
B：比结合能越大，原子核越稳定，核反应是向着比结合能增大的方向进行的，氘核的比结合能小于氦核，故B 错误
C：原子核要靠近到核力作用范围（即10-15m 以内）才能发生聚变，故C 错误
D：一个氘核与一个氚核聚变反应质量亏损
发生聚变反应释放的能量是ΔE＝0.0189×931.5MeV=17.6MeV
4g（即2mol）氘完全参与聚变释放出能量为E＝2×（6.0×1023）×17.6MeV＝2.11×1025MeV，故D 正确
