2019-2020學(xué)年高中物理 第19章 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(biāo)]　1.知道重核的裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．(重點(diǎn))2.會(huì)計(jì)算核裂變釋放的能量．(難點(diǎn))3.了解原子彈的原理.4.知道核電站的工作模式及核能發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)． 一、核裂變 1．核裂變 重核被中子轟擊后分裂成兩個(gè)質(zhì)量差不多的新原子核，并放出核能的過(guò)程． 2．鈾核裂變 用中子轟擊鈾核時(shí)，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．鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 當(dāng)一個(gè)中子引起一個(gè)重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且能不斷繼續(xù)下去，這種反應(yīng)叫核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)． 4．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件 發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于臨界體積或裂變物質(zhì)的質(zhì)量大于臨

2、界質(zhì)量． 二、核電站 1．核能釋放的控制 通過(guò)可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核能釋放的裝置稱為核反應(yīng)堆． 2．慢化劑 反應(yīng)堆中，為了使裂變產(chǎn)生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，常用的慢化劑有石墨、重水和普通水． 3．控制棒 為了控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒，它吸收中子的能力很強(qiáng)，反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí)，可將其插入深一些，多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些，這種鎘棒叫做控制棒． 4．能量輸出 核燃料裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電． 1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”) (1)

3、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(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)才能不停地進(jìn)行下去． (√) (3)鈾核裂變時(shí)能釋放出多個(gè)中子． (√) (4)控制棒是通過(guò)吸收中子多少來(lái)控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度的． (√) (5)核電廢料難以處理，對(duì)環(huán)境的污染比火電大． (×) 2．(多選)關(guān)于重核的裂變，以下說(shuō)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(guò)時(shí)，一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，但核子數(shù)不變 D．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時(shí)，放出核能 [解析]　核裂變釋放的能量來(lái)源于裂變過(guò)程的質(zhì)量虧損，是核能轉(zhuǎn)化為

4、其他形式能的過(guò)程，其能量遠(yuǎn)大于俘獲中子時(shí)吸收的能量，A錯(cuò)誤，D正確；發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有條件的，鈾塊的體積必須大于其臨界體積，否則中子從鈾塊中穿過(guò)時(shí)，可能碰不到原子核，則不會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，B錯(cuò)誤；重核裂變時(shí)，核子數(shù)守恒，C正確． [答案]　CD 3．(多選)關(guān)于核反應(yīng)堆，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．鈾棒是核燃料，裂變時(shí)釋放核能 B．鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率 C．鈾棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率 D．石墨的作用是吸收中子 [解析]　鈾棒是核燃料，裂變時(shí)可放出能量，故A正確；鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)，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，C錯(cuò)誤；慢中子最容易引發(fā)鈾

5、核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進(jìn)行減速，石墨的作用是使中子減速，故D錯(cuò)誤． [答案]　AB 對(duì)核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的分析 1．鈾核的裂變和裂變方程 (1)核子受激發(fā)：當(dāng)中子進(jìn)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(yùn)動(dòng)，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(shí)放出2或3個(gè)中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會(huì)不斷地進(jìn)行下去，釋放出越來(lái)越多的核能． (3)常見的裂變方程： ①n＋U→Ba＋Kr＋3n ②U＋n→Sr＋Xe＋10n 2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件 (

6、1)鈾塊的體積大于臨界體積． (2)鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量． 以上兩個(gè)條件滿足一個(gè)即可。 【例1】　(多選)2017年11月17日，“中國(guó)核潛艇之父”——黃旭華獲評(píng)全國(guó)道德模范，頒獎(jiǎng)典禮上，習(xí)總書記為他“讓座”的場(chǎng)景感人肺腑，下列有關(guān)核反應(yīng)的說(shuō)法錯(cuò)誤的是(　　) A．目前核潛艇是利用重核裂變提供動(dòng)力 B．重核裂變反應(yīng)前后一定有質(zhì)量虧損 C．U＋n→U＋Sr＋dn式中d＝1 D．鈾核裂變后的新核比鈾核的比結(jié)合能小 [解析]　目前核潛艇是利用重核裂變提供動(dòng)力，選項(xiàng)A正確；重核裂變要釋放核能，則反應(yīng)前后一定有質(zhì)量虧損，選項(xiàng)B正確；根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，該核反應(yīng)中的d＝2，選項(xiàng)C

7、錯(cuò)誤；鈾核不如裂變后生成的新核穩(wěn)定，可知鈾核的比結(jié)合能比裂變后生成的新核的比結(jié)合能小，選項(xiàng)D錯(cuò)誤． [答案]　CD 對(duì)重核裂變的兩點(diǎn)理解 (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(shí)釋放大量的能量，放出更多的中子的過(guò)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(guò)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． 1．下列核反應(yīng)中，表示核裂變的是(　　) A．U→Th＋He B．C→N＋e C．U＋n→Ba＋Kr＋3n

8、 D．Be＋He→C＋n [解析]　U→Th＋He是α衰變，C→N＋e是β衰變，Be＋He→C＋n是人工轉(zhuǎn)變，只有選項(xiàng)C是重核裂變． [答案]　C 核電站 1.核電站的主要組成 核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆 ，反應(yīng)堆用的核燃料是鈾235，它的主要部件列表如下： 部件名稱 慢化劑 控制棒 熱循環(huán)介質(zhì) 保護(hù)層 采用的材料 石墨、重水或普通水(也叫輕水) 鎘 水或液態(tài)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.反應(yīng)堆工作原理 (1)熱源：在核電站中，核反

9、應(yīng)堆是熱源，如圖為簡(jiǎn)化的核反應(yīng)堆示意圖：鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2～4%)制成，石墨、重水或普通水為慢化劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶樱阌阝?35的吸收，發(fā)生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍． 反應(yīng)堆示意圖 (2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反應(yīng)速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應(yīng)速度加快，采用電子儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應(yīng)的劇烈程度． (3)冷卻劑：核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時(shí)通過(guò)水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動(dòng)蒸汽機(jī)，使發(fā)電機(jī)發(fā)電． 發(fā)

10、生裂變反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些有危險(xiǎn)的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護(hù)層可以防止射線輻射到外面． 3．核電站發(fā)電的優(yōu)點(diǎn) (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(chǔ)量大． (3)對(duì)環(huán)境的污染要比火力發(fā)電?。? 【例2】　每晝夜消耗220 g鈾235的原子能發(fā)電站，如果效率為25%，它能產(chǎn)生的電功率為多大？(每個(gè)鈾核裂變時(shí)放出的能量是200 MeV) [解析]　一晝夜消耗的鈾所能產(chǎn)生的核能為： ΔE＝200××6.02×1023×106×1.6×10－19 J＝1.8×1013 J 電功率P＝η＝ W＝5.2×107 W. [答案]　5.2×107 W 2．在核反應(yīng)

11、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(guò)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(lái)改變中子的速度 [解析]　利用控制系統(tǒng)吸收慢中子，控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，C選項(xiàng)正確． [答案]　C 課 堂 小 結(jié) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.核裂變：重核分裂為質(zhì)量較小的核，釋放出核能的反應(yīng)． 2．鏈?zhǔn)椒磻?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(guò)程． 3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于臨界體積，或裂變物質(zhì)的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量. 1．(多選)當(dāng)一個(gè)重核裂變時(shí)，它能產(chǎn)生的兩個(gè)核(　　)

12、 A．一定是穩(wěn)定的 B．含有的中子數(shù)較裂變前重核的中子數(shù)少 C．裂變時(shí)釋放的能量等于俘獲中子時(shí)得到的能量 D．可以是多種形式的兩個(gè)核的組合 [解析]　重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)中等質(zhì)量的核時(shí)平均要放出2個(gè)或3個(gè)中子，裂變釋放的能量比俘獲中子的能量大，C錯(cuò)誤；質(zhì)子數(shù)不變，中子數(shù)會(huì)減少，故B正確；重核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，故A錯(cuò)誤，D正確． [答案]　BD 2．在下列四個(gè)方程中，X1、X2、X3、X4各代表某種粒子，判斷正確的是(　　) ①U＋n→Sr＋Xe＋3X1 ②H＋X2→He＋n ③U→Th＋X3 ④Mg＋He→Al＋X4 A．X1是中子　　　　　 B．X2是質(zhì)子 C．X3

13、是氘核 D．X4是氚核 [解析]　根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可得X1的電荷數(shù)為0，質(zhì)量數(shù)為1，因此確定X1為中子，A對(duì)；根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可得X2的電荷數(shù)為1，質(zhì)量數(shù)為2，因此確定X2為氘核，B錯(cuò)；根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可得X3的電荷數(shù)為2，質(zhì)量數(shù)為4，因此確定X3為α粒子，C錯(cuò)；根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可得X4的電荷數(shù)為1，質(zhì)量數(shù)為1，因此確定X4為質(zhì)子，D錯(cuò)． [答案]　A 3．(多選)關(guān)于鈾核裂變，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，但只能裂變成兩種不同的核 B．鈾核裂變時(shí)還能同時(shí)釋放2～3個(gè)中子 C．為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易進(jìn)行，最好用鈾235而不用鈾2

14、38 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，放出2～3個(gè)中子，裂變的產(chǎn)物是多樣的，具有極大的偶然性，只是裂變成兩塊的情況多，也有的分裂成多塊，A錯(cuò)誤，B正確；鈾235受慢中子的轟擊時(shí)，裂變的概率大，而鈾238只有俘獲能量在1 MeV以上的中子才能引起裂變，且裂變的幾率小，C正確；而要引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，需使鈾塊體積超過(guò)臨界體積，故D錯(cuò)誤． [答案]　BC 4．(多選)用中子(n)轟擊鈾核(U)發(fā)生裂變反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生鋇核(Ba)和氪(Kr)并釋放中子(n)，當(dāng)達(dá)到某些條件時(shí)可發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，一個(gè)鈾核(U)裂變時(shí)，釋放的能量約為200 MeV(1 eV＝1.6×10－19J)．以下說(shuō)法正確的是(　　) A．U的裂變方程為U→Ba＋Kr＋n B．U的裂變方程為U＋n→Ba＋Kr＋3n C．U發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件與鈾塊的體積有關(guān) D．一個(gè)U裂變時(shí)，質(zhì)量虧損約為3.6×10－28 kg [解析]　U的裂變方程為U＋n→Ba＋Kr＋3n，故A錯(cuò)誤，B正確；當(dāng)鈾塊體積大于臨界體積時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)才會(huì)發(fā)生，C正確；1 u＝1.66×10－27 kg，又1 u相當(dāng)于931.56 MeV，則200 MeV相當(dāng)于0.214 7 u，故質(zhì)量虧損約為3.6×10－28 kg，故D正確． [答案]　BCD - 7 -