高中物理 4.2 核裂变同步课件 鲁科版选修35.ppt

第2节核裂变 1 知道重核裂变能放出能量 并能计算核能 知道链式反应 2 知道什么是核裂变 3 了解铀核的裂变特点 4 了解核电站的工作原理 一 重核的的裂变 定义 重核用中子轰击 分裂成质量相近的两部分 并释放 的核反应过程叫做核裂变 核裂变释放的能量 称为裂变能 也称为 或 核能 原子能 能量 中子 二 链式反应 链式反应 由重核裂变产生的 使裂变反应一代接一代继续下去的过程 叫做核裂变的链式反应 链式反应的条件 发生裂变物质的体积大于等于 三 裂变反应堆 核反应堆 用人工的方法控制链式反应的速度 能维持和控制 的装置 叫做核反应堆 组成 核反应堆包括 和 等部分 其中堆芯又由 和 组成 临界 体积 核裂变 堆芯 中子反射层 控制系统 防护层 燃料棒 减速剂 冷却剂 中子 1 燃料 2 减速剂 铀235容易捕获慢中子发生反应 采用 和 作减速剂 3 控制棒 为了控制能量释放的速度 就要想办法减少中子的数目 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 铀棒 石墨 重水 普通水 吸收中子强 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 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 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 一 铀核的裂变 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 平均每个核子放出的能量约为1mev 1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤燃烧时释放的能量 裂变时能产生几万度的高温 在天然铀中 主要有两种同位素 99 3 的是铀238 0 7 的是铀235 中子能引起这两种铀核发生裂变 但它们和中子发生作用的情况不同 因此 为了使链式反应容易发生 最好利用纯铀235 核电站的核心设施是核反应堆 反应堆用的核燃料是铀235 它的主要部件列表如下 二 核电站 主要组成 1 在核电站中 核反应堆是热源 如图4 2 1所示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 反应堆工作原理 图4 2 1 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 1 消耗的核燃料少 一座百万千瓦级的核电站 一年只消耗浓缩铀30t左右 而同样功率的火电站每年要消耗250万吨优质煤 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 核电站发电的优点 关于重核的裂变 下列说法正确的是 a 核裂变时释放的能量等于它俘获中子时得到的能量b 重核裂变时释放出大量的能量 产生明显的质量亏损 所以核子数减少c 铀核自发放出 粒子 粒子时要释放能量 核电站利用的就是这一能量d 重核的比结合能小于中等质量核的比结合能 所以重核裂变成中等质量核时 要放出核能 有质量亏损 典例1 对核裂变的理解 解析核电站利用的是裂变链式反应所放出的核能 原子核的衰变以及人工核反应也要释放核能 但天然衰变进行得非常缓慢 放出的能量也很小 人工无法控制 实用价值不大 原子核的人工转变也放出能量 但作为 炮弹 的粒子击中原子核的机会太少 这种做法得不偿失 所以核能的获取主要是通过裂变或聚变的途径 比结合能是核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量 或原子核拆解成核子时每个核子平均吸收的能量 重核的比结合能小于中等质量核的比结合能 即将重核分成核子时比中等质量核分成核子时每个核子平均吸收的能量小些 可见由重核裂变成两个中等质量的核要放出能量 选项d正确 铀核 裂变放出的能量是原子核的核能 而不是中子具有的动能 选项a错误 裂变过程遵守质量数 电荷数守恒规律 b错误 衰变是自发的现象 铀核衰变后的新核仍是重核 而核电站利用的是裂变核能 选项c错误 答案d借题发挥重核发生裂变的条件是 1 要俘获慢中子 2 铀块的体积要大于临界体积 重核裂变放能的原因是 重核核子的平均质量大于中等核核子的平均质量 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 由于重核的核子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 放出核能解析根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知 裂变时因铀核俘获中子而发生核反应 是核能转化为其他形式能的过程 其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量 链式反应是有条件的 即铀块的体积必须大于 变式1 mu 235 0439u mn 1 00867u msr 89 9077u mxe 135 9072u 质量亏损为 m mu mn msr mxe 10mn 0 15097u 可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的 核子数是不会减少的 因此选项a b c均错 重核裂变为中等质量的原子核时 由于平均质量减小 会发生质量亏损 从而释放出核能 综上所述 选项d正确 答案d 原子反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置 它主要由四部分组成 a 原子燃料 减速剂 冷却系统 控制调节系统b 原子燃料 减速剂 发热系统 传热系统c 原子燃料 减速剂 碰撞系统 传热系统d 原子燃料 中子源 原子能储存系统 输送系统解析原子反应堆里用的核燃料是用浓缩铀 铀235占3 4 制成的铀棒 铀235易俘获慢中子 不易俘获快中子 必须使用减速剂 如石墨 重水 普通水 让快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少 变成慢中子 控制 典例2 核电站及组成部分的功能 调节系统是用于调节中子的数目以控制反应速度 它是由镉做成的置放在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组成 冷却系统靠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 同时使反应堆冷却 保证安全 答案a借题发挥核电站的核心是核反应堆 对反应堆的原理和组成应记牢是解好此类题目的核心 d 虽然核电站能提供很大的能量 但它对环境的污染比火电站严重 变式2 答案b 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 1 写出核反应方程并计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 2 计算1kg铀完全裂变可释放出的能量 其相当于多少热值为2 93 107j kg的煤完全燃烧时放出的热量 解析计算重核裂变释放的核能 首先写出正确的裂变方程式 计算出裂变前后的质量亏损 m 然后将 m代入爱因斯坦质能方程 e mc2 计算出裂变释放的核能 典例3 计算裂变反应中释放的核能 1 核反应方程为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 2 1kg铀中含有的铀核数为1kg铀完全裂变共释放的能量为e n e 2 562 1024 179 4mev 4 60 1026mev 相当于完全燃烧的煤的质量为 答案见解析借题发挥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 e mc2 铀的物质的量为235g mol 1mol铀含6 02 1023个铀核 1kg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 a m m1 m2 c2b m m m1 m2 c2c m m1 m2 9m c2d m1 m2 9m m c2解析铀235裂变时的质量亏损为 m m m m1 m2 10m m m1 m2 9m由质能方程可得 e mc2 m m1 m2 9m c2 答案c 变式3 铀核裂变时 关于产生链式反应的重要因素 下列说法中正确的是 a 铀块的质量是重要因素 与体积无关b 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c 若铀235的体积超过它的临界体积 裂变的链式反应就能够发生d 能否发生链式反应与铀块的质量无关 对核裂变的理解 1 解析要使铀核裂变产生链式反应 铀块的体积必须大于临界体积或铀块的质量大于临界质量 只要组成铀块的体积小于临界体积 或质量小于临界质量就不会产生链式反应 裂变反应中产生的中子为快中子 这些快中子不能直接引发新的裂变 如果铀块的质量大 则其体积大 若超过临界体积则能够发生链式反应 由此知a b d错误 c正确 答案c 潮汐能属于无污染能源 但能量的转化率较低 相比之下 核能是一种高效的能源 1 在核电站中 为了防止放射性物质泄漏 核反应堆有三道防护屏障 燃料包壳 压力壳和安全壳见图4 2 2 1 结合图4 2 2 2 可知 安全壳应当选用的材料是 2 核反应堆中的核废料具有很强的放射性 目前常用的处理方法是将其装入特制的容器中 然后 a 沉入海底b 放至沙漠c 运到月球d 深埋地下 核电站及组成部分的功能 2 图4 2 2 3 图4 2 2 3 是用来监测工作人员受到辐射情况的胸章 通过照相底片被射线感光的区域 可以判断工作人员受到何种辐射 当胸章上1mm铝片和3mm铝片下的照相底片被感光 而铅片下的照相底片未被感光时 结合图4 2 2 2 分析可知工作人员受到了 射线的辐射 当所有照相底片被感光时 工作人员受到了 射线的辐射 答案 1 混凝土 2 d 3 或 和 各个核和中子的质量如下 mu 390 3139 10 27kg mn 1 6749 10 27kg mba 234 0016 10 27kg mkr 152 6047 10 27kg 试写出核反