2019年高中物理 第4章 第2節(jié) 核裂變學(xué)案 魯科版選修3-5

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1、核裂變 1.核裂變是指重核分裂為質(zhì)量較小的核并釋放出能 量的反應(yīng)，這個放出的能量稱為裂變能、核能或原 子能。 2．鏈式反應(yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng) 一代接一代繼續(xù)下去且不斷加強的過程。 3．鏈式反應(yīng)的條件：發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于臨 界體積。 4．核反應(yīng)堆是能維持和控制核裂變的裝置。包括 堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和防護層等部分。堆 芯又由燃料棒、減速劑和冷卻劑組成。 1．重核的裂變 定義 用中子轟擊鈾核，發(fā)現(xiàn)鈾核分裂成質(zhì)量相近的兩部分，并釋放出能量，這種核反應(yīng)過程叫做核裂變 裂變能 核裂變釋放出的能量稱為裂變能，也稱核能或原子能

2、 典型裂 變反應(yīng) n＋U―→Sr＋Xe＋2n n＋U―→Ba＋Kr＋3n 2.鏈式反應(yīng) (1)定義：當(dāng)中子轟擊U核使其裂變釋放出巨大能量的同時，釋放出的中子繼續(xù)轟擊U，使之發(fā)生裂變，這樣不斷繼續(xù)下去，中子會不斷增加，裂變反應(yīng)就會不斷加強，就形成了裂變的鏈式反應(yīng)。 (2)臨界體積：能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的鈾塊的最小體積。 3．核反應(yīng)堆 核反應(yīng)堆是用人工的方法控制鏈式反應(yīng)的速度，維持和控制核裂變的裝置。包含堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和防護層等部分。 (1)堆芯：由燃料棒、減速劑和冷卻劑組成。 (2)中子反射層：反射核裂變中產(chǎn)生的中子，進一步參加鏈式反應(yīng)。 (3)控制系統(tǒng)：①控制棒

3、用能吸收慢中子的鎘或硼鋼制成，以控制鏈式反應(yīng)的速度。②中子強度檢測器：當(dāng)反應(yīng)太強時，控制棒能自動插入，多吸收中子；反應(yīng)較弱時，控制棒能自動抽出一些，少吸收中子。 (4)防護層：用厚厚的水泥墻制成，防止放射線的外泄。 4．核反應(yīng)堆主要組成部分的原料及其作用 原料 作用 核燃料 濃縮鈾(鈾棒) 釋放核能 減速劑 石墨或重水 變快中子為慢中子 控制棒 鎘棒或硼鋼棒 吸收中子，控制反應(yīng)速度 保護層 厚水泥壁 防止輻射 熱交換器 (冷卻系統(tǒng)) 水(或液體金 屬鈉、空氣) 冷卻和輸出熱能 1．自主思考——判一判 (1)原子核釋放粒子的過程也是核裂變

4、的過程。(×) (2)用中子轟擊重核使之分裂實現(xiàn)核裂變。(√) (3)利用不可控的快中子轟擊超過臨界體積的鈾塊產(chǎn)生鏈式反應(yīng)制成原子彈。(√) (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)鏈式反應(yīng)一旦形成無法進行人工控制。(×) 2．合作探究——議一議 (1)重核裂變反應(yīng)是否滿足電荷數(shù)守恒？是否滿足質(zhì)量數(shù)守恒？ 提示：重核裂變反應(yīng)屬于核反應(yīng)，滿足電荷數(shù)守恒，質(zhì)量數(shù)守恒。 (2)核反應(yīng)堆中的防護層的構(gòu)造和作用是什么？ 提示：核反應(yīng)堆中的防護層一般由金屬套、防止中子外逸的水層以及1～2 m厚的鋼筋混凝土構(gòu)成，可以有效地防止

5、射線對人體及其他生命的侵害。 重核的裂變的理解 1．裂變的解釋 (1)核子受激發(fā)：當(dāng)中子進入U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)子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出2～3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)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。一般說來，裂變時能產(chǎn)生幾萬攝氏度的高溫。 2．重核裂變的條件 (1)有慢中子轟擊。 (2)鈾塊的體積大于臨界體積，或

6、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．常見的裂變方程 (1)U＋n―→Xe＋Sr＋2n。 (2)U＋n―→Ba＋Kr＋3n。 [例1]　關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是(　　) A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時吸收的能量 B．鈾核裂變在自然界中會自發(fā)地產(chǎn)生 C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少 D．由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能 [思路點撥]　根據(jù)核裂變反應(yīng)的特點及核能產(chǎn)生的原因分析判斷。 [解析]　根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂

7、變釋放能量的原理分析可知，裂變時因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程，因而釋放的能量遠大于其俘獲中子時吸收的能量；重核裂變只能發(fā)生在人為核反應(yīng)中；在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會減少的，因此A、B、C錯誤。重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時，由于核子平均質(zhì)量減小，必然發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能，所以D正確。 [答案]　D 重核裂變時重核吸收中子后變成中等質(zhì)量的核反應(yīng)，其釋放能量的原因是重核的平均結(jié)合能要比中等質(zhì)量核的平均結(jié)合能小。　　　　 1．關(guān)于重核裂變的說法正確的是(　　) A．重核裂變?yōu)閮蓚€中等質(zhì)量的核時，重核的核子數(shù)要比裂變后的兩個中等質(zhì)量核的核子數(shù)少 B

8、．只要用中子轟擊鈾塊，就一定能發(fā)生鏈式反應(yīng) C．為了使裂變的鏈式反應(yīng)容易發(fā)生，最好直接利用裂變時產(chǎn)生的中子 D．裂變過程中沒有質(zhì)量虧損，不釋放能量 解析：選C　重核裂變?yōu)閮蓚€中等質(zhì)量的核時，會產(chǎn)生2～3個中子，因而分裂后的核子數(shù)減少，A錯；鏈式反應(yīng)的發(fā)生是有條件的，鈾塊的體積必須大于其發(fā)生鏈式反應(yīng)的臨界體積，鏈式反應(yīng)一旦發(fā)生，中子轟擊鈾核裂變產(chǎn)生的中子再次引起其他鈾核的裂變，且能不斷繼續(xù)下去，B錯，C對；重核裂變時質(zhì)量發(fā)生虧損，要對外釋放能量，D錯。 2．[多選]關(guān)于鈾核裂變，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．鈾核裂變還能同時釋

9、放2～3個中子 C．為了使裂變的鏈式反應(yīng)容易進行，最好用純鈾235 D．鈾塊的體積對產(chǎn)生鏈式反應(yīng)無影響 解析：選BC　鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，具有極大的偶然性，但裂變成兩個核的情況較多，也會分裂成多個核，并放出幾個中子。鈾235被中子轟擊時，裂變的概率大，且可以俘獲各種能量的中子引起裂變，而鈾238只有俘獲能量在1 MeV以上的中子才能發(fā)生裂變，且裂變的機率小，而要引起鏈式反應(yīng)，必須使鈾塊的體積大于臨界體積。故選項B、C正確。 裂變反應(yīng)中核能的計算 1．核反應(yīng)方程 (1)U裂變?yōu)殡玩J，核反應(yīng)方程為n＋U―→Sr＋Xe＋2n。 (2)U裂變?yōu)殇^和氪，核反應(yīng)方程為n

10、＋U―→Ba＋Kr＋3n。 2．核能的計算 裂變過程中質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒。由愛因斯坦質(zhì)能方程得釋放的核能ΔE＝Δmc2。鈾的物質(zhì)的量為235 g/mol，1 mol鈾含6.02×1023個鈾核，1 kg鈾完全裂變可釋放的能量，等于各個鈾核所釋放能量的總和。 [例2]　現(xiàn)有的核電站比較廣泛采用的核反應(yīng)之一是：U＋n―→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ν (1)核反應(yīng)方程中的ν是中微子，它不帶電，質(zhì)量數(shù)為零。試確定生成物鋯(Zr)的電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù)； (2)已知鈾(U)核的質(zhì)量為235.049 3 u，中子質(zhì)量為1.008 7 u，釹(Nd)核質(zhì)量為142.909 8 u，鋯核質(zhì)量為89.

11、904 7 u。又知1 u＝1.660 6×10－27 kg，試計算，1 kg鈾235大約能產(chǎn)生的能量是多少？(1 u對應(yīng)931.5 MeV的能量，1 eV＝1.6×10－19 J) [思路點撥]　根據(jù)核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒確定鋯(Zr)的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)，先求一個U裂變釋放出的能量，再求1 kg U的原子核數(shù)，最后求出1 kg U裂變釋放的能量。 [解析]　(1)根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，可得 Zr的電荷數(shù)Z＝92－60＋8＝40， 質(zhì)量數(shù)A＝236－143－3×1＝90。 (2)方法一：質(zhì)量虧損 Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.217 4 u。 一個鈾

12、核裂變釋放能量 ΔE＝Δm×931.5 MeV ＝0.217 4×931.5 MeV≈202.5 MeV 1 kg鈾核含有的原子核數(shù)為 n＝×6.02×1023個≈2.562×1024個 1 kg鈾核產(chǎn)生的能量 E總＝n·ΔE＝2.562×202.5×1024 MeV ≈5.2×1026 MeV＝5.2×1026×106×1.6×10－19 J ≈8.3×1013 J。 方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn) ＝0.217 4 u＝0.217 4×1.660 6×10－27 kg ≈3.6×10－28 kg ΔE＝Δmc2＝3.6×10－28×(3×1

13、08)2 J＝3.24×10－11 J n＝×6.02×1023個≈2.562×1024個 E總＝nΔE＝2.562×1024×3.24×10－11 J≈8.3×1013 J。 [答案]　(1)40　90　(2)8.3×1013 J 計算重核裂變釋放核能的兩個角度 (1)根據(jù)ΔE＝Δmc2計算，其中質(zhì)量虧損(Δm)的單位用kg，核能(ΔE)的單位用J。 (2)利用原子質(zhì)量單位計算，1 u對應(yīng)著931.5 MeV的能量，用質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV，此時Δm的單位是u，ΔE的單位是MeV。　　　　 1．一個鈾235

14、吸收一個中子后的核反應(yīng)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 解析：選C　鈾235裂變時的質(zhì)量虧損Δm＝M＋m－m1－m2－10m＝M－m1－m2－9m。由質(zhì)能方程可得ΔE＝Δmc2＝(M－m1－m2－9m)c2，故選項C正確。 2．裂變反應(yīng)是目前核能利用中常用的反應(yīng)。以原子核U為燃料的反應(yīng)堆中，當(dāng)U俘獲一個慢中子后發(fā)

15、生裂變反應(yīng)可以有多種方式，其中一種可表示為 U　?。 ―→　Xe　＋　Sr?。?n 235．043 9　1.008 7　138.917 8　93.915 4　3.026 1 反應(yīng)方程下方的數(shù)字是中子及有關(guān)原子的靜止質(zhì)量(以原子質(zhì)量單位u為單位)，已知1 u的質(zhì)量對應(yīng)的能量為9.3×102 MeV，此裂變反應(yīng)釋放出的能量為_____ MeV。 解析：裂變過程中質(zhì)量虧損為Δm＝(235.043 9＋1.008 7－138.917 8－93.915 4－3.026 1) u＝0.193 3 u 由質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2，又1 u相當(dāng)于9.3×102 MeV，則ΔE＝Δm×9.3×102 MeV＝1.80×102 MeV。 答案：1.80×102 7