高中物理 第19章 第6节 重核的裂变同步辅导与检测课件 新人教版选修35.ppt

第6节重核的裂变 原子核 核武器利用原子核的裂变和聚变原理制成的原子弹 氢弹和中子弹等均称为核武器 原子弹是根据原子核裂变链式反应的原理而制成的炸弹 以纯铀235或纯钚239做核燃料 或称炸药 将它们做成半球形的两块 每一块的体积小于临界体积 因此单块存在不能引起核裂变的链式反应 但当两块合成一块时 将大于临界体积 链式反应将开始 并非常激烈地进行 将这两块半球形的核燃料 分开安装在炸弹中 其中一块被固定 另一块后面装上普通炸药和引爆装置 当引爆装置引起普通炸弹爆炸时 就把两块炸药迅速压在一起 成为一个整块 这时核裂变开始并发生激烈的链式反应 大量能量在极短的时间内放出 因而形成剧烈爆炸 这就是原子弹爆炸的原理 氢弹是根据原子核聚变的热核反应原理制成的炸弹 它是使氢核发生不可控的热核反应 而产生巨大能量的炸弹 氢弹的结构很复杂 它是靠原子弹爆炸产生的极高温度 使氢原子核发生不可控的聚变而释放巨大能量的 它的威力要比原子弹大很多倍 我们知道 原子弹的起爆 是靠普通炸弹把两块均不足临界体积的核燃料堆在一起 发生裂变链式反应而引起原子弹爆炸 由此可见 在一颗氢弹中 包含着普通炸弹 原子弹 它们共同完成氢弹的引爆工作 原子弹与氢弹是杀伤力极大的核武器 其杀伤力主要表现在以下五个方面 一是光辐射 剧烈的核辐射产生可见光和红外辐射 这种辐射以光速传播 爆炸点附近首先受到这种非常强烈的光照射 足以灼伤离爆炸点非常远的人员或引起火灾 甚至人看到辐射光就能灼伤视网膜 二是冲击波 爆炸时产生的内能使周围的温度急剧升高 造成周围的空气急剧膨胀 形成高强度的冲击波 足以摧毁地面上的军事设施和建筑物 造成间接杀伤 三是放射性辐射 核裂变过程产生大量的 射线 射线辐射会对人体造成伤害 四是放射性污染 裂变产生的碎片绝大部分具有放射性同位素 同时在核爆炸中产生的巨大数量的中子与周围和高空中的原子核作用 又会产生很多的放射性同位素 这些具有放射性的原子大多呈气态 它们随大气流动到各地大气中或落在地面上形成放射性污染物 使动物和人类通过呼吸 进食或接触等渠道被身体吸收 潜伏在身体的各组织器官 通过不断放射各种射线而损伤各种器官 并致病死亡 五是核电磁脉冲 核武器以其瞬时性 毁灭性和潜伏性对人类造成无法估量的损害 1945年8月6日美军在日本广岛投下的原子弹使广岛居民死亡79150人 受伤和失踪51408人 使广岛无辜居民蒙受极大灾难 禁止使用核武器 和平利用原子能既是全世界人民的要求 更是人类发展进步的标志 1 裂变核物理学中把重核分裂成质量较小的核 核能的反应 用中子轰击铀核时 铀核发生了裂变 裂变产物 一种典型的裂变反应是生成钡和氪 同时放出3个 核反应方程 2 链式反应一般来说 铀核裂变时总要释放2 3个中子 当一个 引起一个铀核裂变后 裂变中放出的 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 临界体积 链式反应能否进行的一个重要因素就是铀块的体积 通常把裂变物质能够发生链式反应的 叫临界体积 答案 1 放出多种多样中子2 中子中子链式反应最小体积 3 核电站利用核能发电 其核心是 1 反应堆 以慢中子反应堆为例 它包括核燃料 慢化剂 和水泥防护层 核燃料 其中铀235占2 4 制成的 慢化剂 使 变成为慢中子 易被铀235俘获引起裂变 常用的慢化剂有 重水和普通水 控制棒 用来吸收中子 以控制裂变的速度 通常用 制成 水泥防护层 屏蔽裂变产物放出的各种 2 核电站工作原理 核裂变产生的巨大能量 大部分转化为内能 使反应区温度升高 循环 或 等流体把热量传输出去用于发电 同时使 冷却 答案 核反应堆 1 控制棒铀棒快中子石墨镉射线 2 水核反应液态金属钠反应堆 一 核裂变1 定义 重核分裂成质量较小的核 释放出核能的反应 称为原子核的裂变 2 链式反应 当一个中子引起一个铀核裂变后 裂变中放出的中子再引起其他铀核的裂变 且能不断继续下去 这种反应叫做核裂变的链式反应 注 铀核裂变的产物多种多样 其中较典型的产物是钡和氪 其核反应方程是3 临界体积 裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积 4 铀核的裂变和链式反应 1 发现 1938年12月 德国物理学家哈恩与斯特拉曼利用中子轰击铀核时 发现了铀核的裂变 向核能和利用迈进了第一步 2 对铀235裂变的解释 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 使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状 这样就分裂成几块 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 这就叫链式反应 如右图所示 重核裂变有质量亏损 所以放出能量 注 铀235裂变需要一定的条件 要有足够浓度的铀235 要有足够数量的慢中子 铀块的体积要大于临界体积 双选 关于铀核裂变 下述说法正确的是 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原子核b 铀核裂变的同时将释放2 3个中子c 为了使裂变的链式反应更容易进行 最好用铀235d 铀块的体积对产生链式反应无影响解析 铀核受到中子的轰击 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较多 也有的分裂成多块 放出几个中子 铀235受中子轰击时 裂变的概率大 且可以俘获各种能量的中子而引起裂变 而铀238只有俘获能量在1mev以上的高能量中子才引起裂变 且裂变的概率较小 要引起链式反应必须使铀块的体积大于临界体积 选项b c正确 答案 bc 变式迁移 1 原子核反应有广泛的应用 如用于核电站等 在下列核反应中 属于核裂变反应的是 解析 由链式反应特点知 反应过程中由一个中子引发裂变 放出2 3个中子促成链式反应 故d正确 答案 d 二 核电站1 核电站的核心设施是核反应堆 核反应堆主要由以下几部分组成 1 燃料 浓缩铀235 2 减速剂 铀235容易捕获慢中子发生反应 采用石墨 重水或普通水作减速剂 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 利用镉吸收中子能力很强的特性 就可以容易地控制链式反应的速度 2 核电站的工作原理在核电站中 核反应堆是热源 如图为简化的核反应堆的示意图 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 或重水 为减速剂 使反应生成的快速中子变为慢中子 便于铀235吸收 发生裂变 减速剂附在铀棒周围 镉棒的作用是吸收中子 控制反应速度 所以也叫控制棒 控制棒插入深些 吸收中子多 反应速度变慢 插浅一些 吸收中子少 反应速度加快 采用电子仪器自动地调节控制棒的升降 就能使反应堆安全正常地工作 核反应释放的能量大部分转化为内能 这时通过水或液态钠作冷却剂 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 很厚的混凝土防护层可以防止辐射线射到外面 铀核裂变的许多可能的核反应中的一个是 1 试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量 的质量分别为235 0439u 140 9139u 91 8973u 1 0087u 2 1kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能 它相当于燃烧多少煤释放的能量 煤的热值为2 94 107j kg 解析 1 裂变反应的质量亏损为 m 235 0439 1 0087 140 9139 91 8973 3 1 0087 u 0 2153u 一个铀235原子核裂变后释放的能量为 e mc2 0 2153 931 5mev 200 6mev 2 1kg铀235中含原子核的个数为n 2 56 1024 1kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量 en n e 2 56 1024 200 6mev 5 14 1026mev 设q为煤的热值 m为煤的质量 有 en qm 所以m kg 2800t 答案 1 200 6mev 2 5 14 1026mev相当于燃烧2800t煤 变式迁移 2 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 写出核反应方程并算出一个铀核裂变时释放的核能 已知mu 235 0439u mxe 138 91844u msr 93 91557u mn 1 008665u 2 1kg铀完全裂变可释放出的能量 相当于多少燃烧值为2 93 107j kg的煤完全燃烧时放出的热量 解析 1 核反应方程为 反应中的质量亏损为 m mu mn mxe msr 3mn 235 04394 1 008665 u 138 91844 93 91547 3 1 008665 u 0 1927u 所以 一个铀核裂变释放的核能为 e 0 1927 931 5mev 180mev 2 1kg铀中含有的铀核数为 n n0 6 02 1023 2 562 1024 个 1kg铀完全裂变共释放的能量为 e n e 2 526 1024 180mev 4 61 1026mev 相当于煤的质量为 m kg 2 52 106kg 答案 1 180mev 2 2520t点评 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 铀的摩尔质量为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 燃烧值 煤的质量 煤释出的总能量 基础巩固 1 现已建成的核电站的能量来自于