高中物理 第十九章 原子核 第6節(jié) 核裂變學(xué)案 新人教版選修3-5

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1、 6　核裂變 1．知道什么是核裂變。 2．知道鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，并能計(jì)算核裂變釋放的核能。 3．了解核反應(yīng)堆的工作原理。 核能作為一種新型能源，在人類的發(fā)展過程中所起的作用越來越重要。核反應(yīng)堆中發(fā)生著怎樣的核反應(yīng)？ 提示：核反應(yīng)堆中發(fā)生的是可控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 1．核裂變 (1)裂變：鈾核在被______轟擊后分裂成______質(zhì)量差不多的______，這類核反應(yīng)叫原子核的______。 (2)典型核反應(yīng)方程式： 裂變的產(chǎn)物是多樣的，其中最典型的反應(yīng)是鈾核裂變生成____和____，同時(shí)放出3個(gè)中子。核反應(yīng)方程式為： U＋______→Ba＋Kr＋3n。 (3)鏈

2、式反應(yīng)：當(dāng)一個(gè)中子引發(fā)一個(gè)鈾核裂變后，反應(yīng)釋放出的中子又轟擊其他原子核產(chǎn)生裂變，釋放出的中子又轟擊其他鈾原子核……這樣的反應(yīng)一代接一代進(jìn)行下去的過程，叫做裂變的______反應(yīng)。 (4)臨界體積和臨界質(zhì)量：通常把裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的________叫做它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量。 (5)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：裂變物質(zhì)的體積必須__________臨界體積，或裂變物質(zhì)的質(zhì)量必須__________臨界質(zhì)量。 2．核電站 (1)原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也可以在______控制下進(jìn)行。這樣，釋放的核能就可以為人類的和平建設(shè)服務(wù)。 (2)反應(yīng)堆中，為了使裂變產(chǎn)生的中子減速，在鈾棒周圍要

3、放“慢化劑”，常用的慢化劑有______、______和______。 (3)為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些____棒。它吸收中子的能力很強(qiáng)，這種____棒叫做控制棒。 (4)反應(yīng)堆放出的熱使水變成______，從而推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。 答案：1．(1)中子　兩塊　碎塊　裂變　(2)鋇　氪　n　　(3)鏈?zhǔn)健?4)最小體積　(5)大于或等于　大于或等于 2．(1)人工　(2)石墨　重水　普通水　(3)鎘　鎘　(4)水蒸氣 一、鈾核的裂變 1．兩種典型的裂變反應(yīng)： U＋n→Ba＋Kr＋3n U＋n→Sr＋Xe＋2n 2. U核裂變釋放的能量是巨

4、大的，比結(jié)合能是7.5 MeV。而中等質(zhì)量的核的比結(jié)合能是8.5 MeV，裂變反應(yīng)中每個(gè)核子釋放的能量約1 MeV。 3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：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。 二、裂變反應(yīng)堆 組成部分 材料 作用 裂變材料(核燃燒) 濃縮鈾(U) 提供核燃料 慢化劑(減速劑) 石墨、重水或普通水 使裂變產(chǎn)生的快中子減速 控制棒 鎘 吸收慢中子，控制反應(yīng)速度 類型一 重核裂變的概念 【例題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(shí)得到的能量 B．中子從鈾塊中通過時(shí)，一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) C．重核裂變釋

5、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．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時(shí)，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能 解析：根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變放能的原理分析可知，裂變時(shí)鈾核俘獲中子即發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程。其釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時(shí)吸收的能量。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有條件的，即鈾塊的體積必須大于其臨界體積，如果體積小，中子從鈾塊中穿過時(shí)，碰不到原子核，則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不會(huì)發(fā)生。在裂變反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)均守恒，即核子數(shù)守恒，所以核子數(shù)是不會(huì)減少的。因此選項(xiàng)A、B、C均錯(cuò)。重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)，發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能，故選D。 答案：D 題后反思：重核的裂變是放能核反

6、應(yīng)，原因是核反應(yīng)前后質(zhì)量有了虧損，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)合能要小。所以在重核分解為兩個(gè)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(shí)得到的能量。 類型二 裂變反應(yīng)中的核能計(jì)算 【例題2】 若U俘獲一個(gè)中子裂變成Sr及Xe兩種新核，且三種原子核的質(zhì)量分別為235.043 9 u、89.907 7 u和135.907 2 u，中子質(zhì)量為1.008 7 u(1 u＝1.660 6×10－27 kg，1 u相當(dāng)于931.50 MeV) (1)寫出鈾核裂變的核反應(yīng)方程； (2)求9.2 kg純鈾235完全裂變所釋放的能量是多少？(取兩位有效數(shù)字) 點(diǎn)撥

7、：利用反應(yīng)規(guī)律書寫核反應(yīng)方程，利用質(zhì)能方程計(jì)算核能。 解析：(1)U＋n―→Sr＋Xe＋10n。 (2)因?yàn)橐粋€(gè)鈾核裂變的質(zhì)量虧損 Δm＝(235.043 9 u＋1.008 7 u)－(89.907 7 u＋135.907 2 u＋10×1.008 7 u)＝0.150 7 u， 故9.2 kg的鈾裂變后總的質(zhì)量虧損為 Δm′＝ u＝3.55×1024 u， 所以ΔE′＝3.55×1024×931.50 MeV＝3.3×1027 MeV。 答案：(1)U＋n―→Sr＋Xe＋10n (2)3.3×1027 MeV 題后反思：(1)利用裂變方程和質(zhì)能方程求得的是一個(gè)鈾核裂變釋放

8、的核能。 (2)求一定質(zhì)量的純鈾裂變釋放的核能要先求出鈾核的數(shù)目。 (3)計(jì)算核能時(shí)要注意統(tǒng)一單位。 觸類旁通：例題2(2)中釋放的核能相當(dāng)于多少千克優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)放出的能量？(1 kg優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)產(chǎn)生3.4×107 J的熱量) 觸類旁通 答案：1.6×107 1．下列核反應(yīng)中屬于裂變反應(yīng)的是(　　)。 A. B. C. D. 2．利用重核裂變釋放核能時(shí)選鈾235，主要原因是(　　)。 A．它裂變放出核能比其他重核裂變多 B．它可能分裂成三部分或四部分 C．它能自動(dòng)裂變，與體積無關(guān) D．它比較容易形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 3．下列關(guān)于重核裂

9、變的說法中，正確的是(　　)。 A．核裂變反應(yīng)是一個(gè)吸能反應(yīng) B．核裂變反應(yīng)是一個(gè)放能反應(yīng) C．核裂變反應(yīng)的過程質(zhì)量虧損 D．核裂變反應(yīng)的過程質(zhì)量增加 4．在核反應(yīng)中，控制鈾235核裂變反應(yīng)速度的方法是(　　)。 A．使用濃縮鈾 B．改變鈾塊的臨界體積 C．通過自動(dòng)控制裝置，改變鎘棒插入的深度，以控制反應(yīng)速度 D．利用石墨與中子的碰撞來改變中子的速度 5．1個(gè)鈾235吸收1個(gè)中子發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，大約放出196 MeV的能量，則1 g純鈾235完全發(fā)生核反應(yīng)放出的能量為(NA為阿伏加德羅常數(shù))(　　)。 A．NA×196 MeV B．235 NA×196 MeV C．235×196 MeV D. 答案：1．C　核反應(yīng)中有四種不同類型的核反應(yīng)，它們分別是衰變、人工轉(zhuǎn)變、重核裂變、輕核聚變，其中衰變有α衰變、β衰變等，選項(xiàng)A為α衰變，選項(xiàng)B為β衰變，選項(xiàng)C為鈾核裂變，選項(xiàng)D為人工轉(zhuǎn)變，故選項(xiàng)C正確。 2．D　鈾235易于吸收慢中子，容易形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 3．BC 4．C　利用控制系統(tǒng)改變裂變反應(yīng)速度，C選項(xiàng)正確。 5．D　一克純鈾中含有N＝個(gè)鈾核，這些鈾核全部發(fā)生核反應(yīng)放出的能量E＝NE0＝ MeV。 4