本节通过核裂变、聚变的介绍，引入结合能的概念，讨论如何和平利用核能。

核反应释放能量的基本原理就是爱因斯坦质能方程。核反应前后发生质量亏损，亏损的质量乘以光速的二次方即为释放的能量。

此处设置“大家谈”的目的是帮助学生理解核力存在的证据。

参考答案：原子核可以保持稳定，说明核子之间还存在一种比库仑斥力更强的作用力，且在原子核内部一定的距离范围内表现为相互吸引作用。

核力大小与距离有关，当核子间距离在 0.8 ~ 1.5 fm 时表现为吸引力，距离小于 0.8 fm 时表现为斥力，而距离大于 4 ~ 5 fm 时核力急剧下降，几乎消失。核力是强相互作用在核子层面的表现。

此处设置“大家谈”的目的是引导学生比较库仑力与核力的特点，加深对核力的理解。

参考答案：库仑力是长程力，大小与电荷量乘积成正比、与距离的二次方成反比；而核力是短程力，只在核子尺度范围内起作用，且与电荷量无关，核力大小与距离的关系比较复杂。

原子核的结合能即分散的核子结合成原子核时释放的能量。反之，要将组成原子核的核子分开，就需要提供一定的能量。分子的结合能在 eV 的量级，而原子核的结合能在 MeV 的量级，大了 100 万倍。因此，核反应释放的能量比化学燃烧释放的能量要大得多。

很显然，原子核平均结合能越大，原子核内的核子就结合得越紧密，就越不容易打破，也就越稳定。所以铁是最稳定的元素。

哈恩和迈特纳的研究一开始是希望通过用中子轰击铀来制造出比铀更重的元素。但实验结果与预期相反，没有重元素出现，却发现了较轻的元素钡。迈特纳认为，这是铀 235 被中子轰击后分裂成两个较轻的元素——钡和氪，同时放出几个中子。迈特纳将这个现象称为核裂变，并利用爱因斯坦质能方程计算了核裂变释放的巨大能量。

要想利用核能，就需要利用提纯技术获得高浓度的铀 235。核电站所用的核燃料为 3 % 的低浓缩铀，而制造核武器则需要 80 % 以上的高浓缩铀。所以，普通的含铀矿石的辐射并没有想象的那么大，辐射强度跟 X 射线检查差不多，不必“谈铀色变”。

铀 235 在中子的轰击下发生裂变，同时放出几个高能自由中子。由于铀 235 在天然铀中占比极低，为了提高反应堆的裂变效率，需要利用轻水或重水等作为慢化剂将裂变产生的高速中子通过碰撞减速成慢中子。这类反应堆的缺点是天然铀中占绝大部分的铀 238 不参与裂变，只是核废料。目前一种新型的反应堆是所谓快中子反应堆，简称“快堆”。这种反应堆不需要慢化剂，利用钚 239 作为裂变燃料。在钚 239 的外围放置铀 238，钚 239 裂变产生的快中子能将铀 238 变成钚 239，即钚裂变在产生能量的同时，又将铀 238 变成燃料，因此快中子反应堆也叫增殖堆，由于自然界的铀 235 储量极为有限，快堆的推广应用，将大大提高铀资源的利用率，快堆将是今后核电发展的主要堆型。

自从第一个核裂变反应堆建成以来，反应堆的技术有了长足的进步。在军用、民用各方面都有了广泛的应用，核潜艇、核动力航母技术都已经非常成熟。

自 1951 年美国首次实现利用核能发电，核电技术已经走过 70 多年历程，核电站从第一代发展到目前的第四代，不断向更高效、更安全、更环保的方向发展，第五代核电技术也在研发之中。中国第一座核电站——秦山核电站 1991 年并网发电，经过多年的努力，中国的核电技术已经达到国际一流水平。截至 2023 年 4 月，中国正在运行的核电规模已达世界第三，而在建的核电规模居世界第一。

中国两弹的研制成功，离不开一大批科学家几十年的努力奋斗，其中包括邓稼先、于敏、钱三强、王淦昌、彭桓武、程开甲、周光召、陈能宽、朱光亚、郭永怀等著名科学家。

此处设置“自主活动”的目的是帮助学生理解聚变过程所遵循的守恒关系。

参考答案：3 个氢 1 聚变成 1 个氦 3 时，放出 5.91 MeV 的能量，2 个氦 3 聚变成氦 4 时放出 12.86 MeV 的能量并放出 2 个氢 1。因此，一次p – p 循环共放出能量 2×5.91 MeV + 12.86 MeV = 24.68 MeV。

目前通过核聚变获得能量还只能是以爆炸的形式，无法控制聚变能量持续稳定地输出，可控核聚变还有很长的路要走。我国新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号 M”在 2020 年 12 月投入运行，总体参数达到国际先进水平，其中等离子体温度达到 1.5×108 ℃，相当于太阳核心温度的 10 倍。这一装置的建成并运行表明中国在真正掌握可控核聚变方面又前进了一大步。

此处设置“STSE”的目的是帮助学生了解核能的“两面性”，并介绍我国在可控核聚变领域所取得的成就。

1．参考解答：② 裂变产生的快中子减速为慢中子；② 得到铀 235 含量高的浓缩铀块；③ 铀块体积超过临界体积。

命题意图：知道链式反应发生的条件。

主要素养与水平：运动与相互作用观念（Ⅰ）；科学推理（Ⅱ）。

2．参考解答：一个铀 235 核裂变平均放出能量 E0 = 200 MeV = 200×106×1.6×10−19 J = 3.2×10−11 J，1 g 铀 235 的物质的量 n = \(\frac{1}{{235}}\) mol，可放出能量 E = nNAE0 = \(\frac{1}{{235}}\)×6.02×1023×3.2×10−11 J ≈ 8.2×1010 J ≈ 20 000 kW·h，以一个家庭每月用电 100 kW·h 估算，约够用 17 年。

命题意图：通过对比感受核能。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；科学推理（Ⅱ）。

3．参考解答：将大量轻核加热到很高的温度，以保证其具有足够大的动能来克服核之间的库仑斥力，使原子核之间的距离达到核力能作用的范围从而发生聚变。聚变释放的能量又使高温得以维持，并引发进一步的聚变。

命题意图：知道核聚变发生的条件。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。

4．参考解答：不正确。核内质子之间相互排斥力远大于万有引力，由此将得到原子核不稳定的推论。

命题意图：分析引力与库仑力的数量级。

主要素养与水平：运动与相互作用观念（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。