2019-2020学年高中物理第3章5核裂变学案教科版选修3-52.pdf

第 - 1 - 页 共 7 页 5.核裂变5.核裂变 学习目标 1.知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量(重点)2.知 道什么是链式反应(重点)3.会计算重核裂变过程中释放出的能量(重点)4.知道什么是核 反应堆了解常用裂变反应堆的类型(难点) 一、核裂变与链式反应 1核裂变 重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程 2铀核裂变 用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是 U nBa Kr3 n. 235921 01445689361 0 3链式反应 当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续 下去，这种反应叫核裂变的链式反应 4链式反应的条件 发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量 二、核电站 1核能释放的控制 通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆 2减速剂 反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“减速剂” ，常用的慢化剂有 石墨、重水和普通水 3控制棒 为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，反应过 于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫 作控制棒 4能量输出 核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆外循环流 动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电 5核污染及防护 核废料具有强烈的放射性，并且持续时间非常长为保证核电站的安全，新建的核电站 第 - 2 - 页 共 7 页 设有核燃料芯块的密封包壳、回路系统的密封设施及核电站的安全壳 1正误判断(正确的打“” ，错误的打“×”) (1)铀核的裂变是一种天然放射现象(×) (2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去() (3)铀核裂变时能释放出多个中子() (4)核反应堆可以人工控制核反应速度() (5)减速剂的作用使快中子减速变成慢中子() (6)链式反应一旦形成无法进行人工控制(×) 2(多选)关于重核的裂变，以下说法正确的是( ) A核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B中子从铀块中通过时，一定发生链式反应 C重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，但核子数不变 D重核裂变为中等质量的核时，放出核能 CD 核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的过程， 其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A 错误，D 正确发生链式反应是有条件的，铀块的体 积必须大于其临界体积， 否则中子从铀块中穿过时， 可能碰不到原子核， 则不会发生链式反应， B 错误重核裂变时，核子数守恒，C 正确 3(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是( ) A铀棒是核燃料，裂变时释放核能 B镉棒的作用是控制反应堆的功率 C铀棒的作用是控制反应堆的功率 D石墨的作用是吸收中子 AB 铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故 A 正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是 调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故 B 正确，C 错误；慢中子最容易引发铀 核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故 D 错误 对铀核裂变和链式反应的分析 1铀核的裂变和裂变方程 (1)核子受激发：当中子进入铀 235 后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子 第 - 3 - 页 共 7 页 的激烈运动，使核变成不规则的形状 (2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作 用而分裂成几块，同时放出 2 或 3 个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会 不断地进行下去，释放出越来越多的核能 (3)常见的裂变方程 U nXe Sr2 n. 235921 01395495381 0 U nBa Kr3 n. 235921 01445689361 0 2链式反应的条件 (1)有慢中子轰击 (2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量 以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足 3裂变反应的能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量一 个铀 235 核裂变时释放的能量如果按 200 MeV 估算， 1 kg 铀 235 全部裂变放出的能量相当于 2 800 t 标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温 【例 1】 1938 年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和 一些 射线下列关于这个实验的说法中正确的是( ) A这个实验的核反应方程是U nBa Kr n 235921 01445689361 0 B这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和 C这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算 D实验中产生的 射线穿透能力极强 思路点拨 (1)核反应方程必须满足质量数守恒和核电荷数守恒 (2)核反应为放能反应时反应前粒子的质量之和一定大于反应后粒子的质量之和 D 根据质量数守恒、 电荷数守恒， 铀核裂变的核反应方程应为 ：U nBa Kr3 235921 0144568936 n，选项 A 不正确；铀核裂变过程中产生 射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根 1 0 据爱因斯坦的质能方程计算，选项 B、C 不正确；核反应中产生的 射线，穿透能力极强， 是能量极高的光子，选项 D 正确 对重核裂变的两点理解 (1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放 大量的能量，放出更多的中子的过程 (2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合 能相比中等质量的核的比结合能要小所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能 量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量 第 - 4 - 页 共 7 页 1(多选)关于铀核裂变，下列说法正确的是( ) A铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核 B铀核裂变时还能同时释放 23 个中子 C为了使裂变的链式反应容易进行，最好用铀 235 而不用铀 238 D铀块的体积对产生链式反应无影响 BC 铀核受到中子的轰击，会引起裂变，放出 23 个中子，裂变的产物是各种各样的， 具有极大的偶然性，只是裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，A 错误，B 正确铀 235 受慢中子的轰击时， 裂变的概率大， 而铀 238 只有俘获能量在 1 MeV 以上的中子才能引起裂变， 且裂变的概率小，C 正确而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故 D 错误 核电站的工作原理及核力发电的优点 1核电站的主要组成 核电站的核心设施是核反应堆 ，反应堆用的核燃料是铀 235，它的主要部件列表如下： 部件名称减速剂控制棒热循环介质保护层 采用的材 料 石墨、重水或普通 水(也叫轻水) 镉水或液态钠很厚的水泥外壳 作用 降低中子速度，便 于铀 235 吸收 吸收中子，控 制反应速度 把反应堆内的热 量传输出去 屏蔽射线，防止放 射性污染 2反应堆工作原理 (1)在核电站中，核反应堆是热源，右图为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然 铀或浓缩铀(铀 235 的含量占 2%4%)制成，石墨(重水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为 慢中子，便于铀 235 的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围 (2)镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒控制棒插入深一些，吸收 中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节 控制棒的升降，就能使反应堆安全正常地工作 第 - 5 - 页 共 7 页 (3)核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内 外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电发生裂变反应时，会产生 一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面 3核电站发电的优点 (1)消耗的核燃料少 (2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大，所能提供的能量大 (3)对环境的污染要比火力发电小 【例 2】 (多选)如图是慢中子反应堆的示意图， 对核反应堆的下列说法正确的是( ) A铀 235 容易吸收快中子发生裂变反应 B快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀 235 俘获而 引起裂变反应 C控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子， 链式反应的速度就会慢一些 D若要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变 成慢中子，链式反应的速度就会快一些 BC 根据铀 235 的特点，它更容易吸收慢中子而发生裂变，A 错误；在反应堆中减速剂 的作用就是减少快中子能量从而更易让铀 235 吸收裂变，B 正确；链式反应的剧烈程度取决于 裂变释放出的中子总数，镉控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反应的快慢，即插入得深， 吸收得多，反应将变慢，反之将加快，C 正确，D 错误 2(多选)山东荣成石岛湾核电站总装机规模 400 万千瓦核电站与火电站相比较，其优 势在于( ) A核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量 B就储能来说，地球上核燃料资源远多于煤炭 C核电站造成的污染远小于相等发电能力的火电站 D核电站比火电站更容易建造 ABC 核电站与火电站相比，相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多， 地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的 15 倍，只要措施得当，核电站造成 的污染很小， 核能属于清洁能源， 选项 A、 B、 C 均正确 ； 核电站的建造难度较大， 选项 D 错误 第 - 6 - 页 共 7 页 课 堂 小 结知 识 网 络 1.核裂变和裂变方程. 2.链式反应及反应条 件. 3.核电站的工作原理 及核力发电的优点. 1(多选)当一个重核裂变时，它所产生的两个核( ) A含有的质子数较裂变前重核的质子数不变 B含有的中子数较裂变前重核的中子数不变 C裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量 D可能是多种形式的两个核的组合 AD 由于在裂变反应中吸收一个中子而释放 23 个中子，质子数并没有发生变化，而 两个新核的中子数减少，故选项 A 正确，B 错误；反应后质量发生了亏损而释放能量，并不等 于俘获中子时得到的能量，在裂变反应中，产物并不是唯一的，而是多种多样的，故选项 D 正确，选项 C 错误 2一个铀 235 吸收一个中子后发生的一种核反应方程是U nXe Sr10 n，放 235921 01365490381 0 出的能量为E，铀 235 核的质量为M，中子的质量为m，氙 136 核的质量为m1，锶 90 核的质量 为m2，真空中光速为c，则释放的能量E等于( ) A(Mm1m2)c2 B(Mmm1m2)c2 C(Mm1m29m)c2D(m1m29mM)c2 C 铀 235 裂变时的质量亏损：mMmm1m210mMm1m29m，由质能方程可 得Emc2(M9mm1m2)c2. 3用中子轰击铀核(U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(Ba)和氪( Kr)两部分，放 23592141569236 出 3 个中子各个核和中子的质量如下： mU390.313 9×1027 kg，mn1.674 9×1027 kg； mBa234.001 6×1027 kg，mKr152.604 7×1027 kg. 试写出核反应方程，求出反应中释放的核能 第 - 7 - 页 共 7 页 解析 根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒就可以写出核反应方程 铀核裂变方程为 nUBa Kr3 n， 1 0235921415692361 0 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 则核反应前后的质量亏损为 mmUmnmBamKr3mn0.357 8×1027 kg. Emc20.357 8×1027×(3×108)2 J 3.220 2×1011 J. 答案 nUBa Kr3 n 3.220 2×1011 J 1 0235921415692361 0