高中物理 第三章 原子核 3.5 核裂变导学案 教科版选修35.doc

5核裂变目标定位1.知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大能量.2.知道什么是链式反应，知道链式反应发生的条件.3.知道什么是核反应堆，了解常用裂变反应堆的类型，了解核电站及核能发电的优缺点.一、核裂变1核裂变：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程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unbakr3n.3链式反应：当一个中子引起一个铀核裂变后，裂变释放的中子再引起其他铀核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应4链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于临界体积二、核电站1核电站：是利用核能发电，它的核心设施是核反应堆它主要由以下几部分组成：(1)燃料：铀棒(2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，可采用石墨、重水、普通水作减速剂(3)控制棒：为控制能量释放的速度，需控制中子的数目，采用镉棒作为控制棒来控制链式反应的速度2工作原理：核燃料裂变释放的能量，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循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电4核污染的处理：在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下或海底预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中问题1问题2问题3一、对核裂变和链式反应的理解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，形成链式反应3能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量一般来说，平均每个核子放出的能量约为1 mev，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t优质煤燃烧时释放的能量，裂变时能产生几万度的高温4用中子轰击铀核时，铀核裂变的产物是多种多样的，其中两种典型的反应是：unbakr3n；unxesr10n【例1】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重核的平均结合能小于中等质量核的平均结合能，所以重核裂变成中等质量核时，要放出核能，有质量亏损答案d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平均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平均结合能小于中等质量核的平均结合能，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错误借题发挥重核裂变的实质(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，根本原因是重核的平均结合能比中等质量的核的平均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针对训练1(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铀核裂变时还能同时释放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答案bc解析铀核受到中子的冲击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况比较多，也有的分裂成多块，并放出几个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1 mev以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故b、c正确二、裂变过程中核能的分析和计算铀核裂变释放核能的计算1首先算出裂变反应中发生的质量亏损m.2根据emc2计算释放的核能计算时注意m与e单位的对应关系，若m用kg做单位，e用j做单位；m用u做单位，e用mev做单位，1 u相当于931.5 mev的能量3若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核(设为n)，则铀块裂变释放的核能ene.【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235.043 9 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 61027kg，试计算1 kg铀235大约能产生的能量是多少？答案(1)4090(2)5.061026 mev解析(1)锆的电荷数z9260840，质量数a23614690；核反应方程中应用符号zr表示(2)1 kg铀235的铀核数为n6.0210232.561024(个) 不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应发生的质量亏损为mmumnmndmzr3mn0.212 u因此1 kg铀235完全裂变产生的能量约为enm931.5 mev2.5610240.212931.5 mev5.061026 mev.针对训练2用中子轰击铀核(u)，其中的一个可能反应是分裂成钡(ba)和氪(kr)两部分，放出3个中子各个核和中子的质量如下：mu390.313 91027 kg，mn1.674 91027 kg；mba234.001 61027 kg，mkr152.604 71027 kg.试写出核反应方程，求出反应中释放的核能答案nubakr3n3.220 21011 j解析根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒，就可以写出核反应方程根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能铀核裂变方程为nubakr3n，则核反应前后的质量亏损为mmumnmbamkr3mn0.357 81027 kg.由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为emc20.357 81027(3108)2 j3.220 21011 j.对核裂变和链式反应的理解1裂变反应中释放出的能量来自于()a核子消失转化为能量 b原子中电子与原子核的电势能减小c入射的中子消失转化为能量d原子核的平均结合能变大，释放出能量答案d解析发生核反应过程中，核子数保持守恒，中子未消失，故a、c错误，能量来自于原子核内部，因重核在分裂为中等质量的原子核时，平均结合能增加而释放出能量，d正确2(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应unbakr3n，下列说法正确的有()a上述裂变反应中伴随着中子放出b铀块体积对链式反应的发生无影响c铀核的链式反应可人工控制d铀核的半衰期会受到环境温度的影响答案ac解析从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，a对；铀块体积对链式反应的发生有影响，b错；铀核的链式反应可人工控制，c对；铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，d错核电站及裂变产生核能的计算3如图1所示，镉棒在核反应堆中的作用是()图1a使快中子变慢中子b使慢中子变快中子c使反应速度加快d控制反应速度，调节反应速度的快慢答案d解析在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，镉棒起吸收中子、控制反应速度、调节功率大小的作用4(多选)下面是铀核裂变反应中的一个：unxesr10n已知铀235的质量为235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，锶90的质量为89.907 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，则此核反应中()a质量亏损为m235.043 9 u1.008 7 u89.907 7 u135.907 2 ub质量亏损为m(235.043 91.008 789.907 7135.907 2101.008 7)uc释放的总能量为e(235.043 91.008 789.907 7135.907 2101.008 7)(3108)2 jd释放的总能量为e(235.043 91.008 789.907 7135.907 2101.008 7)931.5 mev答案bd解析计算亏损质量时要用反应前的总质量减去反应后的总质量，二者之差可用“u”或“kg”作单位，故a错、b对；质量单位为“u”时，可直接用“1 u的质量亏损放出能量931.5 mev”计算总能量，故d对，当质量单位为“kg”时直接乘以(3.0108)2，总能量单位才是焦耳，故c错(时间：60分钟)题组一对核裂变的理解1(多选)当一个重核裂变时，它能产生的两个核()a一定是稳定的b含有的中子数较裂变前重核的中子数少c裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量d可以是多种形式的两个核的组合答案bd解析重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出23个中子，故中子数会减少，重核裂变的产物是多种多样的，选项b、d正确2下列核反应中，属于核裂变反应的是()a.5bnliheb.uthhec.7nhe8ohd.unbakr3n答案d解析由核裂变反应的特点知，d正确3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答案d解析铀235发生裂变时会生成23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4.u吸收一个慢中子后，分裂成xe和sr，同时还放出()a一个粒子 b一个氘核c三个中子 d两个中子答案c解析该裂变反应的方程为unxesr3n，放出的粒子只能是3个中子，故c正确5一个u核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为unxsr2n，则下列叙述正确的是()ax原子核中含有86个中子bx原子核中含有141个核子c因为裂变时释放能量，根据emc2，所以裂变后的总质量数增加d因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少答案a解析x原子核中的核子数为(2351)(942)140，b错误；中子数为140(9238)86，故a正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，故c、d错误题组二核反应堆、核能的计算6(多选)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答案abd解析铀棒是核燃料，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71个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 mev的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(na为阿伏加德罗常数)()ana196 mev b235na196 mevc235196 mev d.196 mev答案d解析1 g纯 235u含有na个235u.因此1 g 235u吸收中子完全发生核反应可以释放出196 mev能量8当前，发电站温室气体排放问题引起了越来越多的关注，相比煤炭等传统能源，核电能够大幅降低二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉尘等物质的排放，已成为世界快速发展的电力工业经广大科技工作者的不懈努力，我国的核电技术已进入世界的先进行列，世界各地现在正在兴建的核电反应堆达到57座，我国以20座名列第一核电站的最核心部分是核反应堆，核反应堆中的燃料u产生裂变，在短时间内释放出大量的核能可供人类利用核反应堆中的镉棒起_作用，核反应方程应为u_krba3n.若其质量分别为mu390.313 91027 kg，mn1.674 91027 kg，mba234.001 61027 kg，mkr152.604 71027 kg，核反应中释放的能量为e_j.答案吸收中子控制核反应速度n3.221011解析控制中子数可以控制反应速度；mmumnmbamkr3mn0.357 81027 kg，emc23.221011 j.9一个铀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，写出核反应方程并计算一个铀核裂变时释放的核能已知mu235.043 94 u，mxe138.918 44 u，msr93.915 47 u，mn1.008 665 u，1 u相当于931.5 mev.答案unxesr3n179.5 mev解析核反应方程为unxesr3n反应中的质量亏损为m(mumn)(mxemsr3mn)(235.043 941.008 665) u(138.918 4493.915 4731.008 665) u0.192