2017-2018學(xué)年高中物理 第19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 [學(xué)習(xí)目標] 1.知道什么是核裂變.2.知道鏈式反應(yīng)及鏈式反應(yīng)的條件，并能計算裂變釋放的核能.3.了解裂變反應(yīng)堆的工作原理，知道如何控制核反應(yīng)的速度以及如何防止核污染． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、核裂變和鏈式反應(yīng) [導(dǎo)學(xué)探究]　如圖1為鈾核裂變示意圖． 圖1 1．鈾核裂變是如何發(fā)生的？ 答案　鈾核的裂變 (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(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，同時放出中子，這些中子又

2、引起其他鈾核裂變，這樣，裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去，形成鏈式反應(yīng)． 2．鈾核裂變在自然界中能自發(fā)進行嗎？ 答案　重核的裂變只能發(fā)生在人為控制的核反應(yīng)中，在自然界中不會自發(fā)地發(fā)生，故鈾核裂變不會自發(fā)地進行．要使鈾核裂變，首先要利用中子轟擊鈾核，使鈾核分裂，分裂產(chǎn)生更多的中子，這些中子繼續(xù)與其他鈾核發(fā)生反應(yīng)，再引起新的裂變，這樣就形成了鏈式反應(yīng)． [知識梳理]　對核裂變和鏈式反應(yīng)的理解 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．

3、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)下去的過程，叫做核裂變的鏈式反應(yīng)． 4．鏈式反應(yīng)的條件 (1)鈾塊的體積大于或等于臨界體積或鈾塊的質(zhì)量大于或等于臨界質(zhì)量． (2)有足夠數(shù)量的慢中子． [即學(xué)即用]　判斷下列說法的正誤． (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)量時鏈式反應(yīng)才能不停地進行下去．(　√　) (3)中子的速度越快，越容易發(fā)生鈾核裂變．(　×　) (4)鈾核裂變的產(chǎn)物是鋇和氪，且固定不變，同時放出三個中子．(　×　) 二、核電站 [知識梳理] 1．核電站是利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是反應(yīng)堆，它主要由以下幾部

4、分組成： (1)燃料：鈾棒． (2)慢化劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng)，采用石墨、重水或普通水作慢化劑； (3)控制棒：采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法，利用鎘吸收中子的能力很強的特性，控制鏈式反應(yīng)的速度． 2．工作原理 核燃料裂變釋放能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高． 3．能量輸出 利用水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應(yīng)堆冷卻． 4．核污染的處理 在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線．核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下． [即學(xué)即用]　判斷下列說法的正誤． (1)核反應(yīng)堆是通

5、過調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度．(　√　) (2)核反應(yīng)堆用過的核廢料無毒無害．(　×　) 一、重核裂變與其釋放核能的計算 1．常見的裂變方程 (1)U＋n―→Xe＋Sr＋2n (2)U＋n―→Ba＋Kr＋3n 2．鏈式反應(yīng)發(fā)生的條件 (1)鈾塊的體積大于或等于臨界體積．體積超過臨界體積時，保證中子能夠碰到鈾核． (2)有足夠濃度的鈾235. (3)有足夠數(shù)量的慢中子． 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于2 800 t標準煤完全燃燒釋

6、放的化學(xué)能，裂變時能產(chǎn)生幾百萬度的高溫． 4．鈾的同位素中鈾235比鈾238更容易發(fā)生鏈式反應(yīng)． 例1　關(guān)于重核的裂變，下列說法正確的是(　　) 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)生鏈式反應(yīng) C．重核裂變釋放出大量的能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)減少 D．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 答案　D 解析　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，其能量遠大于俘獲中子時吸收的能量，A錯誤，D正確；發(fā)生鏈式反應(yīng)是有條件的，鈾塊的體積必須大于或等于臨界體積，否則中子從鈾塊中穿過時，可能碰

7、不到原子核，則不會發(fā)生鏈式反應(yīng)，B錯誤；重核裂變時，核子數(shù)守恒，C錯誤． 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，而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量． 例2　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

8、＝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． 答案　n＋U―→Ba＋Kr＋3n　3.220 2×10－11 J 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．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． 鈾核裂變方程為n＋U―→Ba＋Kr＋3n， 則核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為 Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝3.578×10－28 kg， 由愛因斯坦質(zhì)能方程可得釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝3.578×10－2

9、8×(3×108)2 J＝3.220 2×10－11 J. 鈾核裂變釋放核能的計算 (1)首先算出裂變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損Δm. (2)根據(jù)ΔE＝Δmc2計算釋放的核能． (3)若計算一定質(zhì)量的鈾塊完全裂變時放出的核能，應(yīng)先算出鈾塊中有多少個鈾核(設(shè)為n)，則鈾塊裂變釋放的核能E＝nΔE. 二、核電站 1．核電站的主要部件及作用如下表： 　　　部件 　名稱 項目 慢化劑 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)的金屬鈉 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

10、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.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． (3)對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電?。? 例3　如圖2是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對該反應(yīng)堆的下列說法中正確的是(　　) 圖2 A．鈾235容易吸收快中子后發(fā)生裂變反應(yīng) B．快中子跟慢化劑的原子核碰撞后的能量減少，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，當反應(yīng)過于激烈時，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度就會慢一些 D．要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使控制棒插入深一些

11、，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈式反應(yīng)的速度就會快一些 答案　B 解析　快中子容易與鈾235擦肩而過，快中子跟慢化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)，選項B正確，A錯誤；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強，當反應(yīng)過于激烈時，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度就會慢一些，選項C、D都錯誤. 1．(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．鎘棒的作用是控制反應(yīng)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(yīng)堆的溫度和輸出熱能 答案　ABD 解析　鈾棒

12、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；慢中子最容易引發(fā)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C錯誤；水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應(yīng)堆冷卻，控制溫度，故D正確． 2．一個U原子核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應(yīng)的裂變方程為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

13、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個，B錯誤；中子數(shù)為140－(92－38)＝86個，A正確；裂變時釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，但是其總質(zhì)量數(shù)是不變的，C、D錯誤． 3．(多選)秦山核電站第三期工程的兩個6×105 kW發(fā)電機組已實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電．發(fā)電站的核能來源于U的裂變，下列說法正確的是(　　) A．反應(yīng)堆中核反應(yīng)速度通常是采用調(diào)節(jié)U的體積來控制的 B.U的一種可能的裂變是U＋n―→Xe＋Sr＋2n C.U是天然放射性元素，升高溫度后它的半衰期會縮短 D．一個U裂變能放出200 MeV的能量，

14、即3.2×10－11 J 答案　BD 解析　反應(yīng)堆中核反應(yīng)速度由控制棒(鎘棒)吸收中子的多少來控制，A錯；U裂變有多種可能性，B對；放射性元素的半衰期由原子核本身決定，與溫度、壓強等外界條件無關(guān)，C錯；通過計算知，D正確． 4．一個鈾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 答案

15、　C 解析　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E＝Δmc2＝(M－9m－m1－m2)c2. 一、選擇題(1～4題為單選題，5～6題為多選題) 1．鏈式反應(yīng)中，重核裂變時放出的可使裂變不斷進行下去的粒子是(　　) A．質(zhì)子 B．中子 C．β粒子 D．α粒子 答案　B 解析　在重核的裂變中，鈾235需要吸收一個慢中子后才可以發(fā)生裂變，所以重核裂變時放出的可使裂變反應(yīng)不斷進行下去的粒子是中子． 2．中國承諾到2020年碳排放量下降40%～45%，為了實現(xiàn)負責(zé)任大國的承諾，我們將新建核電站項目．目前關(guān)于核電站獲取核能的

16、基本核反應(yīng)方程可能是(　　) A.U＋n→Sr＋Xe＋10n B.Na―→Mg＋e C.N＋He―→O＋H D.U―→Th＋He 答案　A 解析　重核的裂變是指質(zhì)量數(shù)較大的原子核分裂成兩個中等質(zhì)量的原子核，A是裂變反應(yīng)，A正確；B為β衰變，C是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的反應(yīng)，D是α衰變． 3．在眾多的裂變反應(yīng)中，有一種反應(yīng)方程為U＋n→Ba＋Kr＋aX，其中X為某種粒子，a為X的個數(shù)，則(　　) A．X為中子，a＝2 B．X為中子，a＝3 C．X為質(zhì)子，a＝2 D．X為質(zhì)子，a＝3 答案　B 解析　根據(jù)核電荷數(shù)守恒可知，X的電荷數(shù)為0，X必為中子n，由質(zhì)量數(shù)守恒可知，a＝3，選項B正

17、確． 4．1938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 答案　D 解析　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＋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，釋放的能量可根據(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

18、射線，穿透能力極強，是能量極高的光子，選項D正確． 5．當一個重核裂變時，它所產(chǎn)生的兩個核(　　) A．含有的質(zhì)子數(shù)比裂變前重核的質(zhì)子數(shù)少 B．含有的中子數(shù)比裂變前重核的中子數(shù)少 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 答案　BD 解析　一個重核裂變時，在產(chǎn)生兩個核的同時，也放出中子，所以新產(chǎn)生的兩個核的中子數(shù)比裂變前重核的要少，選項B正確；裂變時放出的能量主要是反應(yīng)前后質(zhì)量虧損而產(chǎn)生的能量，要遠大于俘獲中子時得到的能量，C項錯；重核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，D項正確． 6．日本福島第一核電站在地震后，數(shù)秒內(nèi)就將控制棒插入核反應(yīng)堆芯，終止了

19、鈾的裂變鏈式反應(yīng)．但海嘯摧毀了機組的冷卻系統(tǒng)，因裂變遺留的產(chǎn)物銫、鋇等繼續(xù)衰變不斷釋放能量，核燃料棒溫度不斷上升，對周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害．則下列說法正確的是(　　) A．控制棒通過吸收中子來實現(xiàn)對核反應(yīng)的控制 B．日本后來向反應(yīng)堆灌注海水，可以降溫，但大量的被污染的海水外泄，對周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害 C．核裂變遺留物銫、鋇等原子的質(zhì)量可能比鈾原子質(zhì)量大 D．核泄漏中放射性物質(zhì)對人類是有害的 答案　ABD 解析　控制棒通過吸收中子來實現(xiàn)對核反應(yīng)速度的控制，選項A正確；日本后來向反應(yīng)堆灌注海水，大量的被污染的海水外泄，泄漏中放射性物質(zhì)對周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害，選項B、D正確；因

20、為核反應(yīng)有能量釋放，可知銫、鋇等原子的質(zhì)量比鈾原子質(zhì)量小，故C錯誤． 二、非選擇題 7．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U俘獲一個慢中子后發(fā)生的裂變反應(yīng)可以有多種方式，其中一種可表示為 U　 ＋　 n　 →　 Xe　 ＋　 Sr?。?n 235．043 9　1.008 7　138.917 8　93.915 4 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931.5 MeV，此裂變反應(yīng)釋放出的能量是________ MeV. 答案　180 解析　此裂變反應(yīng)的質(zhì)量虧損為： (235.043

21、9＋1.008 7) u－(138.917 8＋93.915 4＋3×1.008 7) u＝0.193 3 u， 由于1 u的質(zhì)量對應(yīng)的能量為931.5 MeV， ΔE＝931.5×0.193 3 MeV≈180 MeV. 8．現(xiàn)有的核電站常用的核反應(yīng)之一是： U＋n―→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ (1)核反應(yīng)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，1 u＝1.660 6×10－27 kg,1 u相當于931.5 MeV的能量．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. (2)1 kg鈾235中鈾核的個數(shù)為 n＝≈2.56×1024(個)． 不考慮核反應(yīng)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