2017-2018學年高中物理 第4章 核能 2 核裂變學案 魯科版選修3-5

《2017-2018學年高中物理 第4章 核能 2 核裂變學案 魯科版選修3-5》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2017-2018學年高中物理 第4章 核能 2 核裂變學案 魯科版選修3-5（9頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 第2節(jié)　核裂變 [目標定位]　1.知道核裂變的概念以及重核裂變會釋放能量.2.知道什么是鏈式反應以及發(fā)生的條件.3.會計算重核裂變過程中釋放出的能量.4.知道什么是核反應堆，了解常用裂變反應堆的類型． 一、重核的裂變 1．定義 用中子轟擊重核，重核分裂成質(zhì)量相近的兩部分，并釋放出能量的核反應過程叫做核裂變，核裂變釋放的能量，稱為裂變能，也稱為核能或原子能． 2．鈾核的裂變 (1)兩種常見的核反應方程： U＋n→Xe＋Sr＋2n U＋n→Ba＋Kr＋3n (2)U裂變釋放的能量是巨大的，裂變反應中每個核子釋放的能量約為1_MeV. 二、鏈式反應 1．鏈式反應 當一

2、個中子引起一個鈾核的裂變后，放出2～3個中子，放出的中子再引起其他鈾核裂變，且能不斷地增加，形成鏈式反應． 2．發(fā)生條件 (1)有持續(xù)不斷的中子． (2)達到臨界體積． 三、裂變反應堆 1．核反應堆 用人工的方法控制鏈式反應的速度，能維持和控制核裂變的裝置，叫做核反應堆． 2．組成 核反應堆包括堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和防護層等部分．其中堆芯由燃料棒、減速劑和冷卻劑組成． (1)燃料：濃縮鈾； (2)減速劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應，采用石墨、重水作減速劑； (3)控制棒：為了控制能量釋放的速度，就要想辦法減少中子的數(shù)目，采用在反應堆中插入鎘棒的方法，利用鎘吸收中

3、子的特性，就可以容易地控制鏈式反應的速度. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、對裂變概念的理解 1．核子受激發(fā)：當中子進入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復核，復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)子間的庫侖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，形成鏈式反應． 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．一般來說，平均每個核子放出的能量約為1 MeV，1 kg鈾235全部裂變放出的能量相當于2 000 t標

4、準煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產(chǎn)生幾萬度的高溫． 4．用中子轟擊鈾核時，鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，其中兩種典型的反應是： U＋n―→Ba＋Kr＋3n； U＋n―→Xe＋Sr＋2n. 【例1】　關于重核的裂變，下列說法正確的是(　　) A．核裂變時釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量 B．重核裂變時釋放出大量的能量，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粒子時要釋放能量，核電站利用的就是這一能量 D．重核的平均結合能小于中等質(zhì)量核的平均結合能，所以重核裂變成中等質(zhì)量核時，要放出核能，有質(zhì)量虧損 答案　D 解析　重核的平均結合能小于中等質(zhì)量核的平均

5、結合能，即將重核分成核子時比中等質(zhì)量核分成核子時每個核子平均吸收的能量小些，可見由重核裂變成兩個中等質(zhì)量的核要放出能量，選項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能，選項A錯誤；裂變過程遵守質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒規(guī)律，選項B錯誤；衰變是自發(fā)的現(xiàn)象，鈾核衰變后的新核仍是重核，而核電站利用的是裂變能，選項C錯誤． 借題發(fā)揮　重核裂變的實質(zhì) (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，原因是核反應前后質(zhì)量有虧損，根本原因是重核的平均結合能相比中等質(zhì)量的核的平均結合能要?。?/p>

6、在重核分解為兩個中等質(zhì)量的核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量． 二、裂變反應中釋放核能的計算 【例2】 一個鈾235原子俘獲一個中子后，裂變?yōu)殡?39和鍶94，同時放出三個中子． (1)寫出核反應方程并計算出一個鈾核裂變時釋放的核能．已知mU＝235.043 94 u，mXe＝138.918 44 u，mSr＝93.915 57 u，mn＝1.008 665 u. (2)計算1 kg鈾完全裂變可釋放出的能量，其相當于多少熱值為2.93×107 J/kg的煤完全燃燒時放出的熱量？ 答案　見解析 解析　計算重核裂變釋放的核能，首先寫出正確的裂變方程式，計算

7、出裂變后的質(zhì)量虧損Δm，然后將Δm代入愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2，計算出裂變釋放的核能． (1)核反應方程為 U＋n―→Xe＋Sr＋3n. 該反應的質(zhì)量虧損為 Δm＝(mU＋mn)－(mXe＋mSr＋3mn) ＝(235.043 94＋1.008 665) u－(138.918 44＋93.915 57＋3×1.008 665)u ＝0.192 6 u， 所以，一個鈾核裂變釋放的核能為 ΔE＝0.192 6×931.5 MeV≈179.4 MeV. (2)1 kg鈾中含有的鈾核數(shù)為 N＝NA＝×6.02×1023＝2.562×1024(個)． 1 kg鈾完全裂變共釋放

8、的能量為 E＝N·ΔE＝2.562×1024×179.4 MeV≈4.60×1026 MeV. 相當于完全燃燒的煤的質(zhì)量為 m＝＝ kg ≈2.51×106 kg＝2 510 t. 借題發(fā)揮　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.鈾的摩爾質(zhì)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． 針對訓練　用中子轟擊鈾核(U)，其中的一個可能反應是分裂成鋇(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

9、＝1.674 9×10－27 kg； mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg. 試寫出核反應方程，求出反應中釋放的核能． 答案　n＋U―→Ba＋Kr＋3n　3.220 2×10－11 J 解析　根據(jù)反應前后質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，就可以寫出核反應方程． 根據(jù)核反應前后的質(zhì)量虧損，用愛因斯坦質(zhì)能方程就可求出釋放的核能． 鈾核裂變方程為n＋U―→Ba＋Kr＋3n， 則核反應前后的質(zhì)量虧損為 Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.357 8×10－27 kg. 由愛因斯坦質(zhì)能方程可得釋放的核能為 ΔE＝Δmc2＝0.35

10、7 8×10－27×(3×108)2 J＝3.220 2×10－11 J. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 對核裂變的理解 1．鈾核裂變時，關于產(chǎn)生鏈式反應的重要因素，下列說法中正確的是(　　) A．鈾塊的質(zhì)量是重要因素，與體積無關 B．為了使裂變的鏈式反應容易發(fā)生，最好直接利用裂變時產(chǎn)生的中子 C．若鈾235的體積超過它的臨界體積，裂變的鏈式反應就能夠發(fā)生 D．能否發(fā)生鏈式反應與鈾塊的質(zhì)量無關 答案　C 解析　要使鈾核裂變產(chǎn)生鏈式反應，鈾塊的體積必須大于臨界體積或鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量，只要組成鈾塊的體積小于臨界體積，或質(zhì)量小于臨界質(zhì)量就不會產(chǎn)生鏈式反應，裂變反

11、應中產(chǎn)生的中子為快中子，這些快中子不能直接引發(fā)新的裂變，如果鈾塊的質(zhì)量大，則其體積大，若超過臨界體積則能夠發(fā)生鏈式反應，由此知A、B、D錯誤，C正確． 2．(多選)鈾核裂變是核電站核能的重要來源，其中一種裂變反應為U＋n―→Ba＋Kr＋3n，下列說法正確的有(　　) A．上述裂變反應中伴隨著中子放出 B．鈾塊體積對鏈式反應的發(fā)生無影響 C．鈾核的鏈式反應可人工控制 D．鈾核的半衰期會受到環(huán)境溫度的影響 答案　AC 解析　從裂變反應方程式可以看出裂變反應中伴隨著中子放出，A對；鈾塊體積對鏈式反應的發(fā)生有影響，B錯； 鈾核的鏈式反應可人工控制，C對；鈾核的半衰期不會受到環(huán)境溫度的影

12、響，D錯． 核能的利用和核能的計算 3．關于核反應堆中用鎘棒控制反應速度的原理，下列說法正確的是(　　) A．鎘棒能釋放中子，依靠釋放的多少控制反應速度 B．用鎘棒插入的多少控制快中子變?yōu)槁凶拥臄?shù)量 C．利用鎘棒對中子吸收能力強的特點，依靠插入的多少控制中子數(shù)量 D．鎘棒對鈾核裂變有一種阻礙作用，利用其與鈾的接觸面積的大小控制反應速度 答案　C 解析　鎘棒并不能釋放中子，也不能使中子減速，對鈾核裂變也沒有阻礙作用，而是利用其對中子吸收能力強的特點，控制中子數(shù)量的多少從而控制核反應速度，故C正確． 4．一個鈾235吸收一個中子后發(fā)生的核反應方程是U＋n→Xe＋Sr＋10n，放

13、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 答案　C 解析　鈾235裂變時的質(zhì)量虧損為 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. (時間：60分鐘)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 題組一　對核裂變的理解 1．裂變反應中釋放出的能量來自于(　　) A

14、．核子消失轉(zhuǎn)化為能量 B．原子中電子與原子核的電勢能減小 C．入射的中子消失轉(zhuǎn)化為能量 D．原子核的平均結合能變大，釋放出能量 答案　D 解析　發(fā)生核反應過程中，核子數(shù)保持守恒，中子未消失，故A、C錯誤；能量來自于原子核內(nèi)部，因為重核在分裂為中等質(zhì)量的原子核時，平均結合能增加而釋放出能量，C錯誤，D正確． 2．原子核反應有廣泛的應用，如用于核電站等，在下列核反應中，屬于核裂變反應的是(　　) A.B＋n→Li＋He　　 B.U→Th＋He C.N＋He→O＋H D.U＋n→Ba＋Kr＋3n 答案　D 解析　由鏈式反應特點知：反應過程中由一個中子引發(fā)裂變，放出2～3個中

15、子促成鏈式反應，故D正確． 3．關于重核裂變的說法正確是(　　) A．重核裂變?yōu)閮蓚€中等質(zhì)量的核時，重核的中子數(shù)要比裂變后的兩個中等質(zhì)量核的中子數(shù)多 B．只要用中子轟擊鈾塊，就一定能發(fā)生鏈式反應 C．為了使裂變的鏈式反應容易發(fā)生，不能利用裂變時產(chǎn)生的中子 D．裂變過程中釋放能量，質(zhì)量虧損 答案　D 解析　重核裂變?yōu)閮蓚€中等質(zhì)量的核時，會產(chǎn)生兩到三個中子，因而分裂后的中子數(shù)減小，A錯；鏈式反應的發(fā)生是有條件的，鈾塊的體積必須大于其發(fā)生鏈式反應的臨界體積，鏈式反應一旦發(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、C錯；重核裂變時質(zhì)量發(fā)生虧損，總能量減小

16、，減小的能量對外釋放，D對．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 4．利用重核裂變釋放核能時選用鈾235，主要因為(　　) A．它比較容易發(fā)生鏈式反應 B．能自動裂變，與體積無關 C．鈾核比較容易分裂成為三部分或四部分，因而放出更多的核能 D．鈾235價格比較便宜，而且它裂變時放出的核能比其他重核裂變時放出的核能要多 答案　A 解析　鈾235俘獲任何能量的中子都能發(fā)生裂變反應，吸收低能量的中子裂變的概率更大． 題組二　對裂變反應堆和鏈式反應的理解 5．(多選)下列說法正確的是(　　) A．原子核在分裂或者聚合時釋放的能量叫作核能 B．用中子轟擊比較大的原子核可以使其發(fā)生

17、裂變獲取核能 C．核電站里的鏈式反應是可以控制的 D．原子彈發(fā)生爆炸時發(fā)生的鏈式反應也是可以控制的 答案　ABC 解析　核能是指原子核在分裂或者聚合時由于質(zhì)量虧損所釋放的能量，A正確；用中子轟擊比較大的原子核使其發(fā)生裂變時，會有質(zhì)量虧損，我們可以獲取該過程所釋放的核能，B正確；核電站里的鏈式反應可以通過“慢化劑”和“鎘棒”來控制，C正確；原子彈發(fā)生爆炸時發(fā)生的鏈式反應是不可控的，或者說沒有控制的必要，故D錯誤． 6．為使鏈式反應平穩(wěn)進行，可采用下列哪種辦法(　　) A．鈾塊可制成任何的體積 B．鈾核裂變釋放的中子可直接去轟擊另外的鈾核 C．通過減速劑將產(chǎn)生的中子減速 D．用鎘

18、棒控制中子的數(shù)量 答案　D 解析　由于使鈾塊發(fā)生鏈式反應的體積應大于臨界體積，故A錯誤；鈾核裂變釋放出的為快中子，不能直接再去轟擊鈾核，必須用減速劑減速，而鎘棒是用于控制中子數(shù)量的，以控制鏈式反應速度，故D正確，B、C錯誤． 7．(多選)關于原子核反應堆，下列說法正確的是(　　) A．鈾棒是核燃料，裂變時釋放核能 B．鎘棒的作用是控制反應堆的功率 C．石墨的作用是吸收中子 D．冷卻劑的作用是控制反應堆的溫度和輸出熱能 答案　ABD 解析　鈾棒是核燃料，裂變時可放出能量，A對；鎘棒吸收中子的能力很強，作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應速度，即控制反應堆功率，B對；慢中子最容易引發(fā)核裂

19、變，所以快中子碰到鈾棒前要進行減速，石墨的作用是使快中子減速，C錯；水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應堆冷卻，控制溫度，D對． 8．原子反應堆是實現(xiàn)可控制的重核裂變鏈式反應的一種裝置，它的主要組成部分是(　　) A．原子燃料、減速劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng) B．原子燃料、減速劑、發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng) C．原子燃料、調(diào)速劑、碰撞系統(tǒng)和熱系統(tǒng) D．原子燃料、中子源、原子能聚存和輸送系統(tǒng) 答案　A 解析　核反應堆的主要部分包括①燃料，即濃縮鈾235；②減速劑，采用石墨、重水或普通水；③控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用控制棒控制鏈式反應的速度；④冷卻

20、系統(tǒng)，水或液態(tài)鈉等流體在反應堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應堆的熱量傳輸出去用于發(fā)電，故A正確，B、C、D錯誤． 題組三　重核裂變釋放核能的計算 9．一個U核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應，其裂變方程為U＋n―→X＋Sr＋2n，則下列敘述正確的是(　　) A．X原子核中含有86個中子 B．X原子核中含有141個核子 C．因為裂變時釋放能量，根據(jù)E＝mc2，所以裂變后的總質(zhì)量數(shù)增加 D．因為裂變時釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少 答案　A 解析　X原子核中的核子數(shù)為(235＋1)－(94＋2)＝140，B錯誤；中子數(shù)為140－(92－38)＝86，故A正確；裂變時釋放

21、能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，但是其總質(zhì)量數(shù)是不變的，故C、D錯誤． 10．一個鈾235吸收一個中子發(fā)生核反應時大約放出201 MeV的能量，則1 g純92U完全發(fā)生核反應時放出的能量為(NA為阿伏加德羅常數(shù))(　　) A．NA×201 MeV B．235 NA×201 MeV C．235×201 MeV D.×201 MeV 答案　D 解析　由于1 mol的鈾核質(zhì)量為235 g,1 g鈾235的物質(zhì)的量為 mol，因此1 g鈾235釋放的能量E＝×201 MeV，故D正確． 11．1945年7月，為了加速日本軍國主義的滅亡，促使日本早日無條件投降，美國在日本的廣島、長崎投下了兩枚原

22、子彈．落在日本廣島的原子彈，其爆炸釋放的能量相當于2×104 t TNT爆炸的能量(約8.4×1013 J)，由此可知該原子彈中鈾235的質(zhì)量是多少千克？(已知裂變的核反應方程為U＋n―→Ba＋Kr＋3n＋201 MeV，阿伏加德羅常數(shù)NA＝6.02×1023) 答案　1.02 kg 解析　由核反應方程知，一個鈾核裂變能放出201 MeV的能量，則1 mol鈾核裂變放出的能量為 E0＝6.02×1023×201 MeV≈1.936×1013 J 1 mol鈾核的質(zhì)量為0.235 kg，則原子彈中鈾核的質(zhì)量為 m＝×0.235 kg＝×0.235 kg≈1.02 kg. 12．現(xiàn)有的

23、核電站常用的核反應之一是： U＋n―→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ (1)核反應方程中的是反中微子，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)已知鈾核的質(zhì)量為235.043 9 u，中子的質(zhì)量為1.008 7 u，釹(Nd)核的質(zhì)量為142.909 8 u，鋯核的質(zhì)量為89.904 7 u，試計算1 kg鈾235裂變釋放的能量為多少？ 答案　(1)40　90　(2)8.1×1013 J 解析　(1)鋯的電荷數(shù)Z＝92－60＋8＝40，質(zhì)量數(shù)A＝236－146＝90.核反應方程中用符號Zr表示． (2)1 kg鈾235中鈾核的個數(shù)為 n＝＝2.56×1024(個) 不考慮核反應中生成的電子質(zhì)量，1個鈾235核裂變產(chǎn)生的質(zhì)量虧損為Δm＝0.212 u，釋放的能量為ΔE＝0.212×931.5 MeV≈197.5 MeV 則1 kg鈾235完全裂變釋放的能量為E＝nΔE＝2.56×1024×197.5 MeV≈8.1×1013 J. 9