高中物理 19.6 核裂变课件 新人教版选修35.pptVIP

6核裂变 1 知道重核的裂变反应和链式反应的发生条件 2 了解原子弹的原理以及常用的裂变反应堆的类型 3 知道核电站的工作模式 重点 1 裂变和链式反应及裂变方程的书写 2 了解核反应堆和核能的应用 难点 临界质量和链式反应速度的控制 一 核裂变1 核裂变 重核被 轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核 并放出 的过程 2 铀核裂变 用中子轰击铀核时 铀核发生裂变 其产物是多种多样的 其中一种典型的反应是23592u 10n 14456ba 8936kr 中子 核能 310n 3 链式反应 当一个中子引起一个重核裂变后 裂变释放的中子再引起其他重核裂变 且能不断继续下去 这种反应叫核裂变的 4 链式反应的条件 发生裂变物质的体积大于 或裂变物质的质量大于 链式反应 临界体积 临界质量 判一判 1 铀核的裂变是一种天然放射现象 2 铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去 3 铀核裂变时会吸收大量的能量 提示 1 铀核在中子轰击后才发生裂变 1 错 2 链式反应的条件是铀核的质量大于临界质量 2 正确 3 铀核裂变时放出大量的能量 3 错 二 核电站1 核电站 利用核能发电 它的核心设施是 它主要由以下几部分组成 1 燃料 2 慢化剂 铀235容易捕获慢中子发生反应 采用 重水或普通水作慢化剂 3 控制棒 为了控制能量释放的速度 就要想办法调节中子的数目 采用在反应堆中插入镉棒的方法 利用镉 的特性 就可以容易地控制链式反应的速度 反应堆 铀棒 石墨 吸收中子 2 工作原理 核燃料 释放能量 使反应区温度升高 3 能量输出 利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外 把反应堆内的热量传输出去 用于发电 4 核污染的处理 为避免射线对人体的伤害和 物质对水源 空气和工作场所造成的放射性污染 在反应堆的外面需要修建很厚的 用来屏蔽裂变反应放出的各种射线 核废料具有很强的 需要装入特制的容器 深埋地下 裂变 循环流动 放射性 水泥层 放射性 想一想 核反应堆中的控制棒是由什么制成的 控制棒起什么作用 提示 控制棒由镉棒制成 镉吸收中子的能力很强 在铀棒之间插进一些镉棒 可以控制链式反应的速度 对重核裂变和链式反应进一步分析 探究导引 观察图片思考以下问题 1 原子弹爆炸时发生了什么样的核反应 2 一个铀235核裂变时大约释放多少mev的能量 要点整合 1 铀核的裂变和裂变方程 1 核子受激发 当中子进入铀235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2或3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 常见的裂变方程 23592u 10n 13954xe 9538sr 210n 23592u 10n 14156ba 9236kr 310n2 链式反应的条件 1 铀块的体积大于临界体积 2 铀块的质量大于临界质量 以上两个条件满足一个即可 特别提醒 1 23592u俘获各种能量的中子都会发生裂变 且俘获低能量的中子发生裂变的概率大 2 23892u只有在俘获的中子的能量大于1mev时才能发生核反应 且裂变的几率较小 对于能量低于1mev的中子只与铀核发生弹性碰撞 不能引起核反应 典例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得到的能量b 中子从铀块中通过时 一定发生链式反应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 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 解答本题应注意以下三点 关键点 1 重核裂变时核能的来源是什么 2 发生链式反应的条件如何 3 裂变反应遵循哪些规律 规范解答 选d 核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损 是核能转化为其他形式能的过程 其能量远大于俘获中子时吸收的能量 a错 d对 发生链式反应是有条件的 铀块的体积必须大于其临界体积 否则中子从铀块中穿过时 可能碰不到原子核 则不会发生链式反应 b错 重核裂变时 核子数守恒 c错 总结提升 重核裂变的实质 1 重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核 使之分裂成中等质量的原子核 同时释放大量的能量 放出更多的中子的过程 2 重核的裂变是放能核反应 原因是核反应前后质量有亏损 根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小 所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量 而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量 变式训练 2012 苏州高二检测 利用重核裂变释放核能时选铀235 主要原因是 a 它裂变放出核能比其他重核裂变放出的核能多b 它可能分裂成三部分或四部分c 它能自动裂变 与体积无关d 它比较容易形成链式反应 解析 选d 铀235发生裂变时会生成2或3个中子 中子再去轰击铀核发生链式反应 但发生链式反应还必须要使铀块体积大于临界体积 所以选项a b c错误 选项d正确 探究核电站的核心设施和工作原理 探究导引 如图是核电站的反应堆示意图 看图思考以下问题 1 核反应堆是怎样组成的 2 核反应堆为什么不会像原子弹那样爆炸 3 核电站发电的主要原理是什么 要点整合 1 反应堆工作原理 1 在核电站中 核反应堆是热源 如图为简化的核反应堆示意图 铀棒是燃料 由天然铀或浓缩铀 铀235的含量占2 4 制成 石墨 重水 为慢化剂 使反应生成的快中子变为慢中子 便于铀235的吸收 发生裂变 慢化剂附在铀棒周围 2 镉棒的作用是吸收中子 控制反应速度 所以也叫控制棒 控制棒插入深一些 吸收中子多 反应速度变慢 插入浅一些 吸收中子少 反应速度加快 采用电子仪器自动调节控制棒的升降 就能使反应堆安全正常地工作 3 核反应释放的能量大部分转化为内能 这时通过水 液态钠等作冷却剂 在反应堆内外循环流动 把内能传输出去 用于推动蒸汽机 使发电机发电 发生裂变反应时 会产生一些有危险的放射性物质 很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面 2 核电站发电的优点 1 消耗的核燃料少 2 作为核燃料的铀 钍等在地球上可采储量大 3 对环境的污染要比火力发电小 特别提醒 用水 轻水或重水 和石墨作为减速材料 放在燃料棒四周 使中子速度减慢以有助于铀235发生裂变 减速后的中子能量最后都变为热能 所以这种速度变慢的中子称为热中子 典例2 关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理 下列说法正确的是 a 镉棒能释放中子 依靠释放的多少控制反应速度b 用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量c 利用镉棒对中子吸收能力强的特点 依靠插入的多少控制中子数量d 镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用 利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度 思路点拨 解答本题时应熟悉核反应堆中各组成的作用 重点区分镉棒和减速剂的作用 规范解答 选c 镉棒不是离子源不会释放中子 a错误 也不是减速剂 不能使快中子变为慢中子 b d错误 镉棒对中子有吸收作用 通过中子强度检测器检测 当反应太强时 控制棒能自动插入 多吸收中子 反之 自动抽出少吸收中子 故c正确 变式训练 现已建成的核电站的能量来自于 a 天然放射性元素衰变放出的能量b 人工放射性同位素放出的能量c 重核裂变放出的能量d 化学反应放出的能量 解析 选c 核电站的核心设施就是核反应堆 核反应堆的核心技术就是用人工的方法控制重核裂变链式反应的速度 所以核电站的能量来自于重核裂变放出的能量 变式备选 关于核反应堆 下列说法正确的是 a 铀棒是核燃料 裂变时释放核能b 镉棒的作用是控制反应堆的功率c 石墨的作用是吸收中子d 冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能 解析 选a b d 铀棒是核燃料 裂变时可放出能量 故a正确 镉棒吸收中子的能力很强 作用是调节中子数目以控制反应速度 即控制反应堆功率 故b正确 慢中子最容易引发核裂变 所以在快中子碰到铀棒前要进行减速 石墨的作用是使中子减速 故c错误 水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动 把反应堆内的热量传输出去 用于发电 同时也使反应堆冷却 控制温度 故d正确 温馨提示 重核裂变过程中要释放大量的能量 核能的计算是高考的热点 常结合裂变方程 质量亏损等知识进行考查 典例 一个铀235原子俘获一个中子后 裂变为氙139和锶94 同时放出三个中子 写出核反应方程并算出一个铀核裂变时释放的核能 已知mu 235 04394u mxe 138 91844u msr 93 91557u mn 1 008665u 1u相当于931 5mev 思路点拨 解答此题应把握以下三点 关键点 1 根据质量数和电荷数守恒 写出裂变方程 2 计算出裂变前后质量亏损 m 3 根据质能方程 e mc2计算出裂变释放的核能 规范解答 核反应方程为23592u 10n 13954xe 9438sr 310n该反应的质量亏损为 m mu mn mxe msr 3mn 235 04394 1 008665 u 138 91844 93 91557 3 1 008665 u 0 1926u 所以一个铀核裂变释放的核能为 e 0 1926 931 5mev 179 4mev 核反应中动量和能量相结合的问题在衰变 裂变等核反应中 经常用到动量守恒定律和能量守恒定律 解决动量能量相结合的核反应问题 需注意以下三点 1 根据不同类型的核反应建立碰撞 反冲运动等物理模型 2 应用动量守恒定律 注意碰撞前后各矢量的方向和变化 3 应用能量守恒定律 一般只涉及动能之间的转化 案例展示 在可控核反应堆中需要给快中子减速 轻水 重水和石墨等常用作减速剂 中子在重水中可与21h核碰撞减速 在石墨中与126c核碰撞减速 上述碰撞可简化为弹性碰撞模型 某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰 通过计算说明 仅从一次碰撞考虑 用重水和石墨作减速剂 哪种减速效果更