（全国通用版）2018-2019高中物理 第十九章 原子核 第六节 核裂变学案 新人教版选修3-5.doc

第六节核裂变学 习 目 标知道什么是裂变了解铀核的裂变特点知道重核裂变能放出能量，知道链式反应了解核电站的工作原理知 识 导 图知识点1重核的裂变1定义使重核分裂成_中等质量_的原子核的核反应叫重核的裂变。2核反应类型重核的裂变只发生在_人为控制_的核反应中，自然界不会自发的产生。3一种典型的铀核裂变unbakr_3n_。知识点2链式反应1定义重核裂变产生的_中子_使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫链式反应。2条件发生裂变物质的体积大于_临界体积_或裂变物质的质量大于_临界质量_。知识点3核电站1核电站的工作原理核电站的核心是_核反应堆_，其简化示意图如图所示。各部分作用如下：(1)核燃料：反应堆使用浓缩铀(铀235占3%4%)制成_铀棒_作为核燃料，释放_核能_。(2)减速剂：用_石墨、重水和普通水_，使裂变中产生的中子减速，以便被铀235吸收。(3)控制棒：由吸收中子能力很强的_镉_制成，用以控制_反应速度_。(4)水泥防护层：反应堆外层是很厚的_水泥壁_，可防止射线辐射出去。(5)热交换器：靠_水_和_液态金属钠_在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去。2核电站与火电站相比有何优缺点(1)优点：核电站消耗的燃料_很少_。作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量_很大_。火电站烧煤要放出很多污染物，而核电站放出的污染物要_少得多_。(2)缺点：一旦核泄漏会造成严重的_核污染_。核废料处理_比较困难_。 预习反馈判一判(1)只要铀块的体积大于临界体积，就可以发生链式反应。()(2)中子从铀块中通过时，一定发生链式反应。()(3)重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小。()(4)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。()(5)核反应堆用过的核废料无毒无害。()选一选山东荣成石岛湾核电站总装机规模400万千瓦。核电站与火电站相比较，下列说法错误的是(b)a核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量b就可采储量来说，地球上核燃料资源远大于煤炭c在经济效益方面核电与火电不相上下d核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理解析：核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量，a正确；就可采储量所提供的能量来说，远大于煤炭所能提供的能量，而不是采储量，b错误；在经济效益方面核电与火电不相上下，c正确；核电站是有污染的，核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理，d正确。想一想如图为核裂变示意图。(1)重核裂变是一种天然现象吗？(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？答案：(1)不是(2)不能解析：重核的裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，只有达到链式反应的条件时，才会发生重核的裂变。探究一重核的裂变及链式反应s11964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨tnt炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1600m范围内所有动植物全部死亡(1)巨大的核能是从哪里来的？(2)在利用重核裂变制成的原子弹中，需不需要用镉制成的控制棒？提示：(1)铀核的裂变(2)不需要g1铀核的裂变(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式。(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，裂变就会不断进行下去，释放出越来越多的核能。(3)常见的裂变方程：unxesr2nunbakr3n2链式反应的条件(1)要有足够浓度的235u(2)要有足够数量的慢中子(3)铀块的体积要大于临界体积3裂变反应的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。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200mev估算，1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温。d典例1关于重核裂变，下列说法正确的是(d)a重核裂变成中等核要吸收能量b中子进入铀块中时，一定能发生链式反应c重核裂变过程中质量数减少d较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出核能解题指导：解析：中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定。如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出能量。由此知a错误，d正确；当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子如果能引起其他铀核裂变，链式反应才能进行，b错误；核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，c错误。,对点训练1(多选)(河北省邯郸市20172018学年高三模拟)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中一种裂变反应式是unbakr3n。下列说法正确的有(ac)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解析：裂变反应式中的n为中子，铀块只有体积大于临界体积，才能发生链式反应，且铀核的链式反应是可控的，a、c对b错；放射性元素的半衰期不受外界压强、温度的影响，d错。探究二核电站s2如图所示为核电站工作流程示意图(1)核电站的核心设施是什么？(2)核电站是如何实现能量的转化与转移的？提示：(1)核电站的核心设施是核反应堆。(2)通过热交换器将核反应中产生的热量输送出来，推动汽轮机工作。g核反应堆原子核的链式反应可以在人工控制下进行，使核能较平缓地释放出来，这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务，裂变反应堆的结构和工作原理如下表所示：组成部分材料作用裂变材料(核燃料)浓缩铀(u)提供核燃料慢化剂(减速剂)石墨、重水或普通水使裂变产生的快速中子减速控制棒镉吸收减速后的中子，控制反应速度反射层石墨阻止中子逃逸热交换器水产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电防护层金属套和钢筋混凝土防止射线对人体及其他生物体的侵害特别提醒：在利用核反应堆发电时，一定要注意安全防护，历史上曾经有过核电站泄漏事故。d典例2(多选)如图是慢中子反应堆的示意图，对核反应堆的下列说法中正确的是(bc)a铀235容易吸收快中子发生裂变反应b快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应c控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些d若要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些解题指导：深入理解核反应堆的工作原理，是处理该类问题的关键。解析：根据铀235的特点，它更容易吸收慢中子而发生裂变，a错误；在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量从而更易让铀235吸收裂变，b正确；链式反应的剧烈程度取决于裂变释放出的中子总数，镉控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反应的快慢，即插入的深，吸收的多，反应将变慢，反之将加快，c正确，d错误。,对点训练2原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成，它们是(a)a原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统b原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统c原子燃料、慢化剂、碰撞系统和传热系统d原子燃料、中子源、原子能存聚系统和输送系统解析：原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统四部分组成，故a正确。核能的利用与计算1核能的应用原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来。核电站是利用缓慢释放的核能来发电，这是核能的和平利用。2核能的计算(1)若以kg为质量亏损m的单位，则计算时应用公式emc2(2)若以原子单位“u”为质量亏损单位，则em931.5mev(3)两种方法计算的核能的单位分别为“j”和“mev”，1mev11061.61019j1.61013j案例山东烟台海阳核电站项目，一期工程和2号常规岛正在进行设备安装，一期工程规划建设两台125万千瓦ap1000核电机组，预计2016年并网发电。如果铀235在中子的轰击下裂变为sr和xe，质量mu235.0439u，mn1.0087u，msr89.9077u，mxe135.9072u。(1)写出裂变方程；(2)求出一个铀核裂变放出的能量；(3)若铀矿石的浓度为3%，一期工程建成后，一年将消耗多少吨铀矿石？解析：(2)裂变过程的质量亏损mmumnmsrmxe10mn0.1507u释放的能量emc20.1507931mev140.3mev(3)核电站一年的发电量ept2125107365246060j7.8841016j由enenae，得mg4.57107g45.7t答案：(1)unsrxe10n(2)140.3mev(3)45.7t1(安徽省池州市2018届高三上学期期末)前不久，新华社评出2017年国际十大新闻：朝鲜核导试验半岛局势趋紧列第五。有关核反应方程，下列说法正确的是(a)authhe属于衰变bnheoh是衰变c 核反应方程poxhe中的y206，x的中子个数为128d 铀核裂变的核反应为ubakr2n解析：衰变是重核自发的放出粒子的天然放射现象，其中粒子是he，故a正确；nheoh是发现质子的原子核人工转变，故b错误；x的中子个数为20682124，故c错误；铀核裂变属于重核裂变，不能自发进行，故d错误。2(湖南永州20162017学年高三二模)在所有能源中，核能具有能量密度大、区域适应性强的优势。在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量的核能。其中用中子轰击铀核发生裂变是核反应堆中最常见的反应，请完成此核反应方程unbakr_3n_；在此核反应中，分别用mn和mp表示中子和质子的质量，用mu、mba、mkr表示u、ba、kr的质量，用c表示真空中的光速，该反应过程中释放的核能为_(mumbamkr2mn)c2_。解析：核反应过程中质量数和电荷数分别守恒；质量亏损等于核反应过程中，反应前的质量减反应后的质量，然后由质能方程求解核能。3(山东日照市20162017学年高二下学期调研)2015年9月3日，是我国纪念抗日战争和世界反法西斯战争胜利70周年。1945年7月，为了加速日本军国主义的灭亡，促使日本早日无条件投降，美国在日本的广岛、长崎投下了两枚原子弹。落在日本广岛的原子弹，其爆炸力相当于2104t tnt爆炸的能量(约8.41013j)，由此可知该原子弹中铀235的质量是多少千克？(已知裂变的核反应方程unbakr3n201 mev，阿伏加德罗常数na6.021023)答案：1.02kg解析：由核反应方程知，一个铀核裂变能放出201mev的能量，1mol铀核裂变放出的能量为e16.021023201mev1.9361013j,1mol铀核的质量为0.235kg，则原子弹中铀核的质量为m0.235kg0.235kg1.02kg。 基础夯实 一、选择题(14题为单选题，5、6题为多选题)1.u吸收一个慢中子后，分裂成xe和sr，还放出(c)a1个粒子b3个中子c10个中子 d10个质子解析：设放出的粒子的质量数为x，电荷数为y，核反应过程满足质量数守恒和电荷数守恒。由题意可知则由此判定该核反应放出的一定是中子，且个数是10，c选项正确。2中国承诺到2020年碳排放量下降40%45%。为了实现负责任大国的承诺，我国将新建核电站项目。目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是(a)aunsrxe10nbnamgecnheohduthhe解析：重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，a是裂变反应，a正确；b为衰变，c是发现质子的反应，d是衰变。31938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(ba)、氪(kr)、中子和一些射线。下列关于这个实验的说法中正确的是(d)a这个实验的核反应方程是unbakrnb这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和c这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算d实验中产生的射线穿透能力极强解析：根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：unbakr3n，选项a不正确；铀核裂变过程中产生射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项b、c不正确；核反应中产生的射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项d正确。4在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是(c)a使用浓缩铀b改变铀块的临界体积c通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以改变参与反应的中子数d利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度解析：在核反应中，使用的浓缩铀达到临界条件才能发生链式反应；在反应中石墨作为“慢化剂”使快中子减速为慢中子，使铀核能进一步反应，故它们都不是用来控制核反应速度的方法，a、b、d错误。调节中子数目是控制反应速度的方法，镉棒具有很强的吸收中子的能力，c正确。5(重庆一中20152016学年高二下学期期中)下列说法正确的是(ac)a卢瑟福通过实验发现了质子的核反应方程为henohb铀核裂变的核反应是ubakr2nc已知质子、中子、粒子的质量分别为m1、m2、m3，那么，2个质子和2个中子结合成一个粒子，释放的能量是(2m12m2m3)c2d铀(u)经过多次、衰变形成稳定的铅(pb)的过程中，有4个中子转变成质子解析：根据物理学史知选项a正确；铀核裂变必须吸收慢中子，b错误；根据爱因斯坦质能方程，知c正确；upb8he6e，有6个中子转变或原子，故d错误。6关于原子核反应堆，下列说法正确的是(abd)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：铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，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，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，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，d正确。二、非选择题7一个铀235核裂变时释放出196mev的能量，则1kg铀235完全裂变时所放出的能量为多少？它相当于多少吨优质煤完全燃烧时放出的能量。(煤的热值为3.36106j/kg)答案：8.031013j2.39104t解析：根据一个铀235原子核裂变后释放的能量为e196mev。1kg铀235中含原子核的个数为nna6.0210232.561024则1kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量enne2.561024196mev5.021026mev8.031013j；令q3.36106j/kg为煤的热值，设m为煤的质量，则有enqm，所以mkg2.39107kg2.39104t。 能力提升 一、选择题(12题为单选题，3、4题为多选题)1关于重核的裂变，以下说法正确的是(d)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，所以核子数要减小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即发生核反应，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其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生。在裂变反应中核子数是不会减小的，如u裂变为sr和xe的核反应，其核反应方程为unsrxe10n，其中各粒子质量分别为mu235.0439u，mn1.00867u，msr89.9077u，mxe135.9072u，质量亏损为m(mumn)(msrmxe10mn)0.1510u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，由于核子平均质量小，会发生质量亏损，从而释放出核能。综上所述，选项d正确。2我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于u的裂变，现有四种说法：u原子核中有92个质子，143个中子；u的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程为unxesr2n；u是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短；一个u裂变能放出200mev的能量，合3.21011j。以个说法中完全正确的是(d)a bc d解析：由u的质量数和电荷数关系易知正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知正确；半衰期不受外界因素干扰，故错误；通过计算知正确，故答案为d。3下面是铀核裂变反应中的一个：unxesr10n已知铀235的质量为235.0439u，中子质量为1.0087u，锶90的质量为89.9077 u，氙136的质量为135.9072u，则此核反应中(bd)a质量亏损为m235.0439u1.0087u89.9077 u135.9072ub质量亏损为m(235.04391.008789.9077135.9072101.0087)uc释放的总能量为e(235.04391.008789.9077135.9072101.0087)(3108)2jd释放的总能量为e(235.04391.008789.9077135.9072101.0087)931.5mev解