2019年高中物理第4章第2节核裂变学案鲁科版.docx

核裂变1.核裂变是指重核分裂为质量较小的核并释放出能量的反应，这个放出的能量称为裂变能、核能或原子能。2链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去且不断加强的过程。3链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于临界体积。4核反应堆是能维持和控制核裂变的装置。包括堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分。堆芯又由燃料棒、减速剂和冷却剂组成。1重核的裂变定义用中子轰击铀核，发现铀核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量，这种核反应过程叫做核裂变裂变能核裂变释放出的能量称为裂变能，也称核能或原子能典型裂变反应nUSrXe2nnUBaKr3n2.链式反应(1)定义：当中子轰击U核使其裂变释放出巨大能量的同时，释放出的中子继续轰击U，使之发生裂变，这样不断继续下去，中子会不断增加，裂变反应就会不断加强，就形成了裂变的链式反应。(2)临界体积：能够发生链式反应的铀块的最小体积。3核反应堆核反应堆是用人工的方法控制链式反应的速度，维持和控制核裂变的装置。包含堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分。(1)堆芯：由燃料棒、减速剂和冷却剂组成。(2)中子反射层：反射核裂变中产生的中子，进一步参加链式反应。(3)控制系统：控制棒用能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度。中子强度检测器：当反应太强时，控制棒能自动插入，多吸收中子；反应较弱时，控制棒能自动抽出一些，少吸收中子。(4)防护层：用厚厚的水泥墙制成，防止放射线的外泄。4核反应堆主要组成部分的原料及其作用原料作用核燃料浓缩铀(铀棒)释放核能减速剂石墨或重水变快中子为慢中子控制棒镉棒或硼钢棒吸收中子，控制反应速度保护层厚水泥壁防止辐射热交换器(冷却系统)水(或液体金属钠、空气)冷却和输出热能1自主思考判一判(1)原子核释放粒子的过程也是核裂变的过程。()(2)用中子轰击重核使之分裂实现核裂变。()(3)利用不可控的快中子轰击超过临界体积的铀块产生链式反应制成原子弹。()(4)核反应堆可以人工控制核反应速度。()(5)减速剂的作用使快中子减速变成慢中子。()(6)链式反应一旦形成无法进行人工控制。()2合作探究议一议(1)重核裂变反应是否满足电荷数守恒？是否满足质量数守恒？提示：重核裂变反应属于核反应，满足电荷数守恒，质量数守恒。(2)核反应堆中的防护层的构造和作用是什么？提示：核反应堆中的防护层一般由金属套、防止中子外逸的水层以及12 m厚的钢筋混凝土构成，可以有效地防止射线对人体及其他生命的侵害。重核的裂变的理解1裂变的解释(1)核子受激发：当中子进入U后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出23个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能。(3)能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量。一般说来，裂变时能产生几万摄氏度的高温。2重核裂变的条件(1)有慢中子轰击。(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。(以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足)3常见的裂变方程(1)UnXeSr2n。(2)UnBaKr3n。例1关于重核的裂变，以下说法正确的是()A核裂变释放的能量等于它俘获中子时吸收的能量B铀核裂变在自然界中会自发地产生C重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少D由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能思路点拨根据核裂变反应的特点及核能产生的原因分析判断。解析根据重核发生裂变的条件和裂变释放能量的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，因而释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量；重核裂变只能发生在人为核反应中；在裂变反应中核子数是不会减少的，因此A、B、C错误。重核裂变为中等质量的原子核时，由于核子平均质量减小，必然发生质量亏损，从而释放出核能，所以D正确。答案D重核裂变时重核吸收中子后变成中等质量的核反应，其释放能量的原因是重核的平均结合能要比中等质量核的平均结合能小。 1关于重核裂变的说法正确的是()A重核裂变为两个中等质量的核时，重核的核子数要比裂变后的两个中等质量核的核子数少B只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应C为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子D裂变过程中没有质量亏损，不释放能量解析：选C重核裂变为两个中等质量的核时，会产生23个中子，因而分裂后的核子数减少，A错；链式反应的发生是有条件的，铀块的体积必须大于其发生链式反应的临界体积，链式反应一旦发生，中子轰击铀核裂变产生的中子再次引起其他铀核的裂变，且能不断继续下去，B错，C对；重核裂变时质量发生亏损，要对外释放能量，D错。2多选关于铀核裂变，下列说法正确的是()A铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B铀核裂变还能同时释放23个中子C为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235D铀块的体积对产生链式反应无影响解析：选BC铀核裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两个核的情况较多，也会分裂成多个核，并放出几个中子。铀235被中子轰击时，裂变的概率大，且可以俘获各种能量的中子引起裂变，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能发生裂变，且裂变的机率小，而要引起链式反应，必须使铀块的体积大于临界体积。故选项B、C正确。裂变反应中核能的计算1核反应方程(1)U裂变为氙和锶，核反应方程为nUSrXe2n。(2)U裂变为钡和氪，核反应方程为nUBaKr3n。2核能的计算裂变过程中质量数守恒、电荷数守恒。由爱因斯坦质能方程得释放的核能Emc2。铀的物质的量为235 g/mol，1 mol铀含6.021023个铀核，1 kg铀完全裂变可释放的能量，等于各个铀核所释放能量的总和。例2现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：UnNdZr3n8e(1)核反应方程中的是中微子，它不带电，质量数为零。试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；(2)已知铀(U)核的质量为235.049 3 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u。又知1 u1.660 61027 kg，试计算，1 kg铀235大约能产生的能量是多少？(1 u对应931.5 MeV的能量，1 eV1.61019 J)思路点拨根据核反应前后质量数和电荷数守恒确定锆(Zr)的质量数和电荷数，先求一个U裂变释放出的能量，再求1 kg U的原子核数，最后求出1 kg U裂变释放的能量。解析(1)根据电荷数和质量数守恒，可得Zr的电荷数Z9260840，质量数A2361433190。(2)方法一：质量亏损m(mUmn)(mNdmZr3mn)0.217 4 u。一个铀核裂变释放能量Em931.5 MeV0.217 4931.5 MeV202.5 MeV1 kg铀核含有的原子核数为n6.021023个2.5621024个1 kg铀核产生的能量E总nE2.562202.51024 MeV5.21026 MeV5.210261061.61019 J8.31013 J。方法二：m(mUmn)(mNdmZr3mn)0.217 4 u0.217 41.660 61027 kg3.61028 kgEmc23.61028(3108)2 J3.241011 Jn6.021023个2.5621024个E总nE2.56210243.241011 J8.31013 J。答案(1)4090(2)8.31013 J计算重核裂变释放核能的两个角度(1)根据Emc2计算，其中质量亏损(m)的单位用kg，核能(E)的单位用J。(2)利用原子质量单位计算，1 u对应着931.5 MeV的能量，用质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即Em931.5 MeV，此时m的单位是u，E的单位是MeV。 1一个铀235吸收一个中子后的核反应是UnXeSr10n，放出的能量为E，铀235核的质量为M，中子的质量为m，氙136核的质量为m1，锶90核的质量为m2，真空中光速为c，则释放的能量E等于()A(Mm1m2)c2B(Mmm1m2)c2C(Mm1m29m)c2 D(m1m29mM)c2解析：选C铀235裂变时的质量亏损mMmm1m210mMm1m29m。由质能方程可得Emc2(Mm1m29m)c2，故选项C正确。2裂变反应是目前核能利用中常用的反应。以原子核U为燃料的反应堆中，当U俘获一个慢中子后发生裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为Un XeSr3n235043 91.008 7138.917 893.915 43.026 1反应方程下方的数字是中子及有关