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____，同時放出3個中子。核反應(yīng)方程式為： U＋______→Ba＋Kr＋3n。 (3)鏈

2、式反應(yīng)：當(dāng)一個中子引發(fā)一個鈾核裂變后，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得到的能量 B．中子從鈾塊中通過時，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，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，碰不到原子核，則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不會發(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)是不會減少的。因此選項(xiàng)A、B、C均錯。重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時，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)大于它俘獲中子時得到的能量。 類型二 裂變反應(yīng)中的核能計算 【例題2】 若U俘獲一個中子裂變成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)能方程計算核能。 解析：(1)U＋n―→Sr＋Xe＋10n。 (2)因?yàn)橐粋€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)計算核能時要注意統(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)煤完全燃燒時放出的能量？(1 kg優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時產(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)是一個吸能反應(yīng) B．核裂變反應(yīng)是一個放能反應(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個鈾235吸收1個中子發(fā)生核反應(yīng)時，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＝個鈾核，這些鈾核全部發(fā)生核反應(yīng)放出的能量E＝NE0＝ MeV。 4