高中物理 第十九章 原子核 6 核裂變學(xué)案 新人教版選修3-5

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1、 6　核裂變 1．核裂變 (1)核裂變的發(fā)現(xiàn)：1939年德國(guó)物理學(xué)家哈恩與斯特拉斯曼利用中子轟擊鈾核時(shí)，發(fā)現(xiàn)了鈾核的裂變。 (2)核裂變：使重核分裂成中等質(zhì)量原子的核反應(yīng)叫做重核的裂變。 (3)鈾核裂變的一種核反應(yīng)方程U＋n→Ba＋Kr＋3n。 (4)核裂變的條件 重核的裂變只能發(fā)生在人為控制的核反應(yīng)中，自然界中不會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生。如鈾核的裂變要使用中子轟擊才能分裂。 【例1】 U吸收一個(gè)慢中子后，分裂成Xe和Sr，還放出(　　) A．1個(gè)α粒子 B．3個(gè)中子 C．10個(gè)中子 D．10個(gè)質(zhì)子 解析：設(shè)放出的粒子的質(zhì)量數(shù)為x，電荷數(shù)為y，核反應(yīng)過(guò)程滿

2、足質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。由題意可得 解得 由此判斷該核反應(yīng)放出的一定是中子，且個(gè)數(shù)是10。 答案：C 2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng) (1)定義：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)下去的過(guò)程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。如圖所示。 (2)臨界體積 要發(fā)生核反應(yīng)，就必須使中子擊中鈾核，而核的體積很小，那么在鈾塊不太大的情況下，中子通過(guò)鈾塊時(shí)，沒(méi)有碰到鈾核而跑到鈾塊外，因此，要發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，鈾塊的體積必須大于某一值，能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積叫它的臨界體積。 (3)產(chǎn)生條件： 裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)需要一定的條件才能維持下去： ①要有足夠濃度的鈾235； ②要有足夠數(shù)量的慢中子； ③鈾

3、塊的體積要大于臨界體積。 【例2】 關(guān)于鈾核的裂變，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的 B．鈾核裂變時(shí)能同時(shí)釋放出2～3個(gè)中子 C．為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易進(jìn)行，最好用濃縮鈾235 D．鈾塊的體積對(duì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無(wú)影響 解析：鈾核受到中子的轟擊會(huì)引起裂變，裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，具有偶然性，裂變成兩塊的情況較多，也可能分裂成多塊，并放出2～3個(gè)中子。為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易進(jìn)行，最好用濃縮鈾235，并且要使鈾塊的體積超過(guò)臨界體積，故A、B、C正確，D錯(cuò)誤。 答案：ABC 3．核電站 核電站的核心是核反應(yīng)堆，核反應(yīng)堆的主要組成部分及其作用： (1)核燃料：

4、反應(yīng)堆使用濃縮鈾(鈾235占3%～4%)，制成鈾棒作為核燃料，釋放核能。 (2)中子慢化劑： 鈾235具有易俘獲慢中子、不易俘獲快中子的特點(diǎn)，而核反應(yīng)中釋放的中子多數(shù)為快中子，應(yīng)使用慢化劑使它們的速度降下來(lái)，常用作慢化劑的物質(zhì)有石墨、重水或普通水。 (3)控制棒：由吸收中子能力很強(qiáng)的鎘制成，用以控制反應(yīng)速度。 (4)保護(hù)層：反應(yīng)堆外層是很厚的水泥壁，可防止射線輻射出去。 (5)熱交換器：靠水或液態(tài)金屬鈉在反應(yīng)堆內(nèi)外的循環(huán)流動(dòng)，把產(chǎn)生的熱量輸出去。 (6)核電站的優(yōu)點(diǎn)：①消耗的“燃料”很少；②作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲(chǔ)量大；③對(duì)環(huán)境的污染比火電站要小。 【例3】 在核反應(yīng)中

5、，控制鈾235核裂變反應(yīng)速率的方法是(　　) A．使用濃縮軸 B．改變鈾塊的臨界體積 C．通過(guò)自動(dòng)控制裝置，改變使用鎘棒插入的深度，以改變反應(yīng)堆中的中子數(shù)目 D．利用石墨與中子的碰撞來(lái)改變中子的速度 解析：核反應(yīng)堆中核裂變反應(yīng)速度是通過(guò)調(diào)節(jié)鎘棒的深度來(lái)改變中子數(shù)而實(shí)現(xiàn)的。 答案：C 4．核裂變中核能的計(jì)算 重核裂變釋放的核能，在具體的計(jì)算中基本上與上一節(jié)的相同；仍然從以下三個(gè)方面進(jìn)行。 (1)根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程計(jì)算，用核子結(jié)合成原子核的質(zhì)量虧損(Δm)的千克數(shù)乘以真空中光速的平方(c＝3×108 m/s)，即ΔE＝Δmc2。 (2)根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于93

6、1.5兆電子伏(MeV)能量計(jì)算，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm·931.5 MeV。 (3)由核能的轉(zhuǎn)化量計(jì)算核能。 【例4】 已知一個(gè)鈾235核裂變時(shí)能釋放200 MeV的能量，問(wèn)1 kg鈾完全裂變能釋放多少能量？相當(dāng)于多少t熱值為2.94×107 J/kg的煤所放出的能量？ 解析：首先求出1 kg鈾235中含有的原子核數(shù)，然后根據(jù)已知條件求解。 (1)1 kg鈾235中含有的原子核數(shù)為×6.02×1023個(gè)＝2.562×1024個(gè)， 每個(gè)鈾核裂變能放出200 MeV的能量，則1 kg鈾核裂變能釋放 ΔE＝2.562×1024×2

7、00 MeV ＝5.124×1032×1.6×10－19 J ＝8.2×1013 J。 (2)與1 kg鈾235相當(dāng)?shù)膬?yōu)質(zhì)煤的質(zhì)量 m＝ kg＝2.789×106 kg＝2 789 t。 答案：8.2×1013 J　2 789 t 5．釋放核能的核裂變 不是所有的核裂變都能放出核能，根據(jù)ΔE＝Δmc2可知，存在質(zhì)量虧損的核反應(yīng)才能放出能量。 如圖是原子核核子的平均質(zhì)量與原子序數(shù)的關(guān)系圖，由圖可知，只有核子的平均質(zhì)量減小的核反應(yīng)才能放出核能。而重核裂變?yōu)閮芍械荣|(zhì)量的核，其重核核子的平均質(zhì)量大于中等核核子的平均質(zhì)量，即核子平均質(zhì)量減小，所以重核裂變是放能反應(yīng)。 【例5】

8、關(guān)于重核裂變，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．核裂變時(shí)釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量 B．重核裂變時(shí)釋放出大量的能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)減少 C．鈾核自發(fā)放出α粒子、β粒子時(shí)要釋放能量，核電站利用的就是這一能量 D．重核的比結(jié)合能小于中等質(zhì)量核的比結(jié)合能，所以重核裂變成中等質(zhì)量核時(shí)，要放出核能，有質(zhì)量虧損 解析：比結(jié)合能是核子結(jié)合成原子核時(shí)每個(gè)核子平均放出的能量，或原子核拆解成核子時(shí)每個(gè)核子平均吸收的能量。重核的比結(jié)合能小于中等質(zhì)量核的比結(jié)合能，由重核裂變成兩個(gè)中等質(zhì)量的核要放出能量，選項(xiàng)D正確。鈾核裂變放出的能量是原子核的核能，而不是中子具有的動(dòng)能，選項(xiàng)A錯(cuò)誤。裂變過(guò)程遵守質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒規(guī)律，B錯(cuò)誤。衰變是自發(fā)的現(xiàn)象，而核電站利用的是裂變核能，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。 答案：D 3