2019-2020學(xué)年高中物理 第3章 5 核裂變學(xué)案 教科版選修3-5

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1、5.核裂變 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.知道核裂變的概念，知道重核裂變中能釋放出巨大的能量．(重點)2.知道什么是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．(重點)3.會計算重核裂變過程中釋放出的能量．(重點)4.知道什么是核反應(yīng)堆．了解常用裂變反應(yīng)堆的類型．(難點) 一、核裂變與鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 1．核裂變 重核被中子轟擊后分裂成兩個質(zhì)量差不多的新原子核，并放出核能的過程． 2．鈾核裂變 用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應(yīng)是 U＋n―→Ba＋Kr＋3n. 3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 當(dāng)一個中子引起一個重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且能不斷繼續(xù)下去，這種反應(yīng)叫核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．

2、 4．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件 發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于臨界體積或裂變物質(zhì)的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量． 二、核電站 1．核能釋放的控制 通過可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實現(xiàn)核能釋放的裝置稱為核反應(yīng)堆． 2．減速劑 反應(yīng)堆中，為了使裂變產(chǎn)生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“減速劑”，常用的慢化劑有石墨、重水和普通水． 3．控制棒 為了控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒，它吸收中子的能力很強，反應(yīng)過于激烈時，可將其插入深一些，多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會慢一些，這種鎘棒叫作控制棒． 4．能量輸出 核燃料裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去

3、，用于發(fā)電． 5．核污染及防護 核廢料具有強烈的放射性，并且持續(xù)時間非常長．為保證核電站的安全，新建的核電站設(shè)有核燃料芯塊的密封包殼、回路系統(tǒng)的密封設(shè)施及核電站的安全殼． 1．正誤判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”) (1)鈾核的裂變是一種天然放射現(xiàn)象． (×) (2)鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量時鏈?zhǔn)椒磻?yīng)才能不停地進行下去． (√) (3)鈾核裂變時能釋放出多個中子． (√) (4)核反應(yīng)堆可以人工控制核反應(yīng)速度． (√) (5)減速劑的作用使快中子減速變成慢中子． (√) (6)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)一旦形成無法進行人工控制． (×) 2．(多選)關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是(　

4、　) A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量 B．中子從鈾塊中通過時，一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，但核子數(shù)不變 D．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時，放出核能 CD　[核裂變釋放的能量來源于裂變過程的質(zhì)量虧損，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程，其能量遠(yuǎn)大于俘獲中子時吸收的能量，A錯誤，D正確．發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有條件的，鈾塊的體積必須大于其臨界體積，否則中子從鈾塊中穿過時，可能碰不到原子核，則不會發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，B錯誤．重核裂變時，核子數(shù)守恒，C正確．] 3．(多選)關(guān)于核反應(yīng)堆，下列說法正確的是(　　) A．鈾棒是核燃料，裂變時釋放核能 B．鎘棒的

5、作用是控制反應(yīng)堆的功率 C．鈾棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率 D．石墨的作用是吸收中子 AB　[鈾棒是核燃料，裂變時可放出能量，故A正確；鎘棒吸收中子的能力很強，作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，即控制反應(yīng)堆功率，故B正確，C錯誤；慢中子最容易引發(fā)鈾核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進行減速，石墨的作用是使中子減速，故D錯誤．] 對鈾核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的分析 1．鈾核的裂變和裂變方程 (1)核子受激發(fā)：當(dāng)中子進入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核，復(fù)核中由于核子的激烈運動，使核變成不規(guī)則的形狀． (2)核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質(zhì)子間的斥

6、力作用而分裂成幾塊，同時放出2或3個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進行下去，釋放出越來越多的核能． (3)常見的裂變方程 ①U＋n―→Xe＋Sr＋2n. ②U＋n―→Ba＋Kr＋3n. 2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件 (1)有慢中子轟擊． (2)鈾塊的體積大于臨界體積，或鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量． 以上兩個條件滿足一個，則另一個條件自動滿足． 3．裂變反應(yīng)的能量：鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量．一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200 MeV估算，1 kg鈾235全部裂變放出的能量相當(dāng)于2 800 t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產(chǎn)生幾

7、百萬度的高溫． 【例1】　1938年哈恩用中子轟擊鈾核，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中有原子核鋇(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射線．下列關(guān)于這個實驗的說法中正確的是(　　) A．這個實驗的核反應(yīng)方程是U＋n→Ba＋Kr＋n B．這是一個核裂變過程，反應(yīng)后粒子質(zhì)量之和大于反應(yīng)前粒子質(zhì)量之和 C．這個反應(yīng)中釋放出的能量不可以用愛因斯坦的質(zhì)能方程來計算 D．實驗中產(chǎn)生的γ射線穿透能力極強 [思路點撥]　(1)核反應(yīng)方程必須滿足質(zhì)量數(shù)守恒和核電荷數(shù)守恒． (2)核反應(yīng)為放能反應(yīng)時反應(yīng)前粒子的質(zhì)量之和一定大于反應(yīng)后粒子的質(zhì)量之和． D　[根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，鈾核裂變的核反應(yīng)方程應(yīng)為：U＋n→Ba

8、＋Kr＋3n，選項A不正確；鈾核裂變過程中產(chǎn)生γ射線，放出能量，發(fā)生質(zhì)量虧損，釋放的能量根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程計算，選項B、C不正確；核反應(yīng)中產(chǎn)生的γ射線，穿透能力極強，是能量極高的光子，選項D正確．] 對重核裂變的兩點理解 (1)重核裂變是中子轟擊質(zhì)量數(shù)較大的原子核，使之分裂成中等質(zhì)量的原子核，同時釋放大量的能量，放出更多的中子的過程． (2)重核的裂變是放能核反應(yīng)，原因是核反應(yīng)前后質(zhì)量有虧損，根本原因是重核的比結(jié)合能相比中等質(zhì)量的核的比結(jié)合能要?。栽谥睾朔纸鉃閮蓚€中等質(zhì)量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時得到的能量． 1．(多選)關(guān)于鈾核裂變

9、，下列說法正確的是(　　) A．鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，但只能裂變成兩種不同的核 B．鈾核裂變時還能同時釋放2～3個中子 C．為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易進行，最好用鈾235而不用鈾238 D．鈾塊的體積對產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無影響 BC　[鈾核受到中子的轟擊，會引起裂變，放出2～3個中子，裂變的產(chǎn)物是各種各樣的，具有極大的偶然性，只是裂變成兩塊的情況多，也有的分裂成多塊，A錯誤，B正確．鈾235受慢中子的轟擊時，裂變的概率大，而鈾238只有俘獲能量在1 MeV以上的中子才能引起裂變，且裂變的概率小，C正確．而要引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，需使鈾塊體積超過臨界體積，故D錯誤．] 核電站的工作原理及核

10、力發(fā)電的優(yōu)點 1．核電站的主要組成 核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆 ，反應(yīng)堆用的核燃料是鈾235，它的主要部件列表如下： 部件名稱 減速劑 控制棒 熱循環(huán)介質(zhì) 保護層 采用的材料 石墨、重水或普通水(也叫輕水) 鎘 水或液態(tài)鈉 很厚的水泥外殼 作用 降低中子速度，便于鈾235吸收 吸收中子，控制反應(yīng)速度 把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去 屏蔽射線，防止放射性污染 2．反應(yīng)堆工作原理 (1)在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，右圖為簡化的核反應(yīng)堆示意圖：鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)為慢化劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?，便于?/p>

11、235的吸收，發(fā)生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍． (2)鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反應(yīng)速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應(yīng)速度加快，采用電子儀器自動調(diào)節(jié)控制棒的升降，就能使反應(yīng)堆安全正常地工作． (3)核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時通過水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動蒸汽機，使發(fā)電機發(fā)電．發(fā)生裂變反應(yīng)時，會產(chǎn)生一些有危險的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面． 3．核電站發(fā)電的優(yōu)點 (1)消耗的核燃料少． (2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大，所能提供的能量大．

12、 (3)對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電?。? 【例2】　(多選)如圖是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對核反應(yīng)堆的下列說法正確的是(　　) A．鈾235容易吸收快中子發(fā)生裂變反應(yīng) B．快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng) C．控制棒由鎘做成，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會慢一些 D．若要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會快一些 BC　[根據(jù)鈾235的特點，它更容易吸收慢中子而發(fā)生裂變，A錯誤；在反應(yīng)堆中減速劑的作用就是減少快中子能量從

13、而更易讓鈾235吸收裂變，B正確；鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的劇烈程度取決于裂變釋放出的中子總數(shù)，鎘控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反應(yīng)的快慢，即插入得深，吸收得多，反應(yīng)將變慢，反之將加快，C正確，D錯誤．] 2．(多選)山東榮成石島灣核電站總裝機規(guī)模400萬千瓦．核電站與火電站相比較，其優(yōu)勢在于(　　) A．核燃料釋放出的能量遠(yuǎn)大于相等質(zhì)量的煤放出的能量 B．就儲能來說，地球上核燃料資源遠(yuǎn)多于煤炭 C．核電站造成的污染遠(yuǎn)小于相等發(fā)電能力的火電站 D．核電站比火電站更容易建造 ABC　[核電站與火電站相比，相等質(zhì)量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多，地球上可開采核礦石儲量所能提供的能量約

14、為煤、石油的15倍，只要措施得當(dāng)，核電站造成的污染很小，核能屬于清潔能源，選項A、B、C均正確；核電站的建造難度較大，選項D錯誤．] 課 堂 小 結(jié) 知 識 網(wǎng) 絡(luò) 1.核裂變和裂變方程. 2.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及反應(yīng)條件. 3.核電站的工作原理及核力發(fā)電的優(yōu)點. 1．(多選)當(dāng)一個重核裂變時，它所產(chǎn)生的兩個核(　　) A．含有的質(zhì)子數(shù)較裂變前重核的質(zhì)子數(shù)不變 B．含有的中子數(shù)較裂變前重核的中子數(shù)不變 C．裂變時釋放的能量等于俘獲中子時得到的能量 D．可能是多種形式的兩個核的組合 AD　[由于在裂變反應(yīng)中吸收一個中子而釋放2～3個中子，質(zhì)子數(shù)并沒有發(fā)生變化，而兩個新核的中子

15、數(shù)減少，故選項A正確，B錯誤；反應(yīng)后質(zhì)量發(fā)生了虧損而釋放能量，并不等于俘獲中子時得到的能量，在裂變反應(yīng)中，產(chǎn)物并不是唯一的，而是多種多樣的，故選項D正確，選項C錯誤．] 2．一個鈾235吸收一個中子后發(fā)生的一種核反應(yīng)方程是U＋n→Xe＋Sr＋10n，放出的能量為E，鈾235核的質(zhì)量為M，中子的質(zhì)量為m，氙136核的質(zhì)量為m1，鍶90核的質(zhì)量為m2，真空中光速為c，則釋放的能量E等于(　　) A．(M－m1－m2)c2　　 B．(M＋m－m1－m2)c2 C．(M－m1－m2－9m)c2 D．(m1＋m2＋9m－M)c2 C　[鈾235裂變時的質(zhì)量虧損：Δm＝M＋m－m1－m2－10m＝

16、M－m1－m2－9m，由質(zhì)能方程可得E＝Δmc2＝(M－9m－m1－m2)c2.] 3．用中子轟擊鈾核(U)，其中的一個可能反應(yīng)是分裂成鋇(Ba)和氪(Kr)兩部分，放出3個中子．各個核和中子的質(zhì)量如下： mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg； mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg. 試寫出核反應(yīng)方程，求出反應(yīng)中釋放的核能． [解析]　根據(jù)反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒就可以寫出核反應(yīng)方程． 鈾核裂變方程為n＋U→Ba＋Kr＋3n， 根據(jù)核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損，用愛因斯坦質(zhì)能方程就可求出釋放的核能． 則核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為 Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.357 8×10－27 kg. ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J ＝3.220 2×10－11 J. [答案]　n＋U→Ba＋Kr＋3n　3.220 2×10－11 J - 7 -