高中物理第5章核能与社会5.2裂变及其应用学案沪科版选修3_5.doc

52裂变及其应用学习目标 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.会判断和书写核裂变方程，能计算核反应释放的能量.3.了解核电站的安全性能及核废料的处理一、核裂变和链式反应导学探究如图1为铀核裂变示意图图11铀核裂变是如何发生的？答案铀核的裂变(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，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应2铀核裂变在自然界中能自发进行吗？答案重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自发地发生，故铀核裂变不会自发地进行要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这些中子继续与其他铀核发生反应，再引起新的裂变，这样就形成了链式反应知识梳理对核裂变和链式反应的理解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：铀核裂变时，通常会放出2到3个中子，这些中子可以作为新的“炮弹”轰击其他的铀核，使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫做链式反应4发生链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于临界体积或发生裂变物质的质量大于等于临界质量即学即用判断下列说法的正误(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)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变()(4)铀核裂变的产物是钡和氪，且固定不变，同时放出三个中子()二、核电站知识梳理核反应堆的结构及核电站的认识1核电站是利用核能发电，它的核心设施是反应堆，主要由以下几部分组成：(1)裂变材料：铀棒；(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子而发生反应，通常用石墨、重水或普通水(也叫轻水)作慢化剂；(3)控制棒：用镉或硼钢制成，用来吸收减速后的中子，控制反应强度；(4)反射层：一般用石墨做材料，阻止中子逃逸；(5)热交换器：利用水循环，把反应堆中的热量传输出去；(6)防护层：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2裂变反应堆的常见类型(1)重水堆：采用重水做慢化剂的反应堆(2)高温气冷堆：采用石墨为慢化剂、氦为冷却剂的反应堆(3)快中子增殖反应堆：以铀235作为主要裂变材料的反应堆其最大特点是可以合理利用有限的铀资源，使核燃料增殖3核电站的工作模式以核反应堆为能源，用它产生高压蒸汽，取代发电厂的锅炉，从而进行发电4核安全性与核废料处理(1)核电站的安全性能：为了防止放射性物质的泄漏，核电站设置了4道安全屏障第一道屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块第二道屏障：锆合金包壳第三道屏障：由反应堆压力容器和冷却回路构成的压力边界第四道屏障：安全壳(2)核废料的处理：我国对核废料采用后处理技术，即先回收铀、钚等，然后处理剩下的放射性废料和其他途径产生的核废料即学即用判断下列说法的正误(1)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度()(2)核反应堆用过的核废料无毒无害()一、重核裂变与其释放核能的计算1常见的裂变方程(1)UnXeSr2n(2)UnBaKr3n2链式反应发生的条件(1)铀块的体积大于或等于临界体积体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核(2)有足够浓度的铀235.(3)有足够数量的慢中子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200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧释放的化学能，裂变时能产生几百万度的高温4铀的同位素中铀235比铀238更容易发生链式反应例1关于重核的裂变，下列说法正确的是()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的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少D重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能答案D解析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错误，D正确；发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于或等于临界体积，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错误；重核裂变时，核子数守恒，C错误重核裂变的实质：(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例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，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mmUmnmBamKr3mn3.5781028 kg，由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为Emc23.5781028(3108)2 J3.220 21011 J.二、核电站1核电站的主要部件及作用如下表：部件 名称项目慢化剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨、重水或普通水(也叫轻水)镉或硼钢水或液态的金属钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染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，所能提供的能量大(3)对环境的污染要比火力发电小例3(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中一种裂变反应是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1(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2一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应的裂变方程为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个，B错误；中子数为140(9238)86个，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，C、D错误3一个铀235吸收一个中子后发生的一种核反应方程是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)c2D(m1m29mM)c2答案C解析铀235裂变时的质量亏损mMmm1m210mMm1m29m，由质能方程可得Emc2(M9mm1m2)c2.一、选择题(16题为单选题，7题为多选题)1链式反应中，重核裂变时放出的可使裂变不断进行下去的粒子是()A质子 B中子 C粒子 D粒子答案B解析在重核的裂变中，铀235需要吸收一个慢中子后才可以发生裂变，所以重核裂变时放出的可使裂变反应不断进行下去的粒子是中子2铀核裂变时，对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发生的中子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的质量无关答案C解析要使铀核裂变产生链式反应铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或临界质量，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，若超过临界体积时则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确3在众多的裂变反应中，有一种反应方程为UnBaKraX，其中X为某种粒子，a为X的个数，则()AX为中子，a2 BX为中子，a3CX为质子，a2 DX为质子，a3答案B解析根据核电荷数守恒可知，X的电荷数为0，X必为中子n，由质量数守恒可知，a3，选项B正确41938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()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答案D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，释放的能量可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5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，我们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.UnSrXe10nB.NaMgeC.NHeOHD.UThHe答案A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6如图1是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是()图1A铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B快中子跟慢化剂的原子核碰撞后的能量减少，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，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D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答案B解析快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟慢化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，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，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，选项C、D都错误7当一个重核裂变时，它所产生的两个核()A含有的质子数比裂变前重核的质子数少B含有的中子数比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可能是多种形式的两个核的组合答案BD解析一个重核裂变时，在产生两个核的同时，也放出中子，所以新产生的两个核的中子数比裂变前重核的要少，选项B正确；裂变时放出的能量主要是反应前后质量亏损而产生的能量，要远大于俘获中子时得到的能量，C项错；重核裂变的产物是多种多样的，D项正确二、非选择题8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的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 4反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u为单位)，已知1 u的质量对应的能量为931.5 MeV，此裂变反应释放出的能量是_ MeV.答案180解析此裂变反应的质量亏损为：(235.043 91.008 7) u(138.917 893.915 431.008 7) u0.193 3 u，由于1 u的质量对应的能量为931.5 MeV，E931.50.193 3 MeV180 MeV.9现有的核电站常用的核反应之一是：UnNdZr3n8e(1)核反应方程中的是反中微子，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)已知铀核的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，钕(Nd)核的质量为142.9