高中物理 第十九章 原子核 6 核裂变学案 新人教版选修3-5(同名9686)

1、6核裂变学 习 目 标知 识 脉 络1.知道裂变反应，了解裂变反应堆的工作原理及常用的裂变反应堆的类型2知道什么是链式反应及其发生的条件3了解原子弹的原理4知道核电站的工作模式及核能发电的优缺点.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重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，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临界体积或裂变物质的质量大于临界质量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铀核裂变时能释放出多个中子()1铀核的裂变是一种天然放射现象吗？【提示】不是铀核在受到中子轰击后才发生裂变，不是天然放射现象，属于核反应2铀核裂变的核反应方程是唯一的吗？【提示】不是铀核裂变的生成物并不确定，所以其核反应方程不是唯一的原子弹一般应该由两部分组成，一是常规炸药部分，一是核部分，核部分是由分成几块的裂变核材料组成，每一块都在

2、临界体积以下，引爆时，借助常规炸药在极短时间内，将这几块核材料合成一体，使总体积超过临界体积，从而发生链式反应探讨1：为什么铀块的体积小于临界体积时不能发生链式反应？【提示】如果每次裂变放出的中子平均有一个能再度引起裂变反应，或者说每一代裂变产生的中子数不少于上一代的中子数，裂变反应就能维持下去当铀块的体积过小时，裂变产生的中子有的可能从裂变物质中漏出去，有的可能被杂质吸收，所以链式反应未必能持续下去探讨2：裂变反应发生后，裂变反应物的质量增加还是减小？为什么？【提示】减小裂变反应释放大量的能量，所以发生质量亏损，反应后的质量减小1铀核的裂变和裂变方程(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2或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(3)常见的裂变方程：UnXeSr2n.UnBaKr3n.2链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积(2)铀块的质量大于临界质量以

3、上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足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标准煤完全燃烧时释放的能量，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更易发生链式反应在天然铀中，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(1)铀235：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大(2)铀238：只有俘获能量大小1 MeV的中子才能发生裂变，且裂变的几率小能量低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235.1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，但核子数不变D重核裂变为中等质量的核时，放出核能E核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损【解析】核裂变释放的能

4、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、E正确发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于其临界体积，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正确【答案】CDE2铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应：UnXeSr2n，则A_，Z_.【解析】根据核反应中的质量数、电荷数守恒可知，A94，B38.【答案】9438对重核裂变的两点理解(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，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比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核 电 站1核能释放的控制通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆2慢化剂反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水和普通水3控制棒为了控制反应速度，还需要在铀棒之

5、间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫做控制棒4能量输出核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电5核能发电的效益(1)一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗30吨左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要烧煤250万吨(2)核电技术已经成熟，在经济效益方面也跟火力发电.(3)作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量所能提供的能量，比煤、石油等所提供的能量大15倍左右核电对环境的污染比火电小6核污染的处理为阻止射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染，在反应堆外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制容器，深埋地下1控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的()2核裂变释放的大量核能是通过在反应堆外循环流动的液体传输出去的()3核电废料难以处理，对环境的污染比火电大()1核反应堆中的控制棒是由什么制成的？控制棒起什么作用？【提示】控制棒由镉棒制成，镉吸收中子的能

6、力很强，在铀棒之间插进一些镉棒，可以控制链式反应的速度2慢化剂的作用是什么？是为了减慢裂变速度吗？【提示】慢化剂的作用是使快中子减速，以便于中子与铀核作用发生链式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率核电站的核心设施是核反应堆，所用的核燃料为铀235，为控制核能的释放速度，反应堆中用到了慢化剂和控制棒探讨1：原子弹和核电站都利用了重核的裂变，两者有何不同？【提示】原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短的时间内释放出来；而核电站是在人工控制下利用核能来发电，这是核能的和平利用探讨2：核电站是如何控制反应速度的？【提示】利用镉棒插入深浅控制中子的数量而达到控制反应速度的目的1核电站的主要组成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：部件名称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)镉水或液态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.反应堆工作原理(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图1961为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天

7、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1961反应堆示意图(2)控制棒：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插入深度，就能控制核反应的剧烈程度(3)冷却剂：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3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(3)对环境的污染要比火力发电小3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铀棒的作用是控制反应堆的功率D石墨的作用是吸收中子E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，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

8、制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确C错误；慢中子最容易引发铀核裂变，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D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E正确【答案】ABE4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，即原子燃料、_、_、控制调节系统【解析】核反应堆的主要部分包括燃料，即浓缩铀235；慢化剂，采用石墨、重水和普通水；控制棒，控制链式反应的速度；冷却系统，水或液态钠等流体在反应堆外循环流动，把反应堆的热量传输出去用于发电【答案】减速剂、冷却系统5每昼夜消耗220 g铀235的原子能发电站，如果效率为25%，它能产生的电功率为多大？(每个铀核裂变时放出的能量是200 MeV)【解析】一昼夜消耗的铀所能产生的核能为：E2006.0210231061.61019 J1.81013 J电功率P W5.2107 W.【答案】5.2107 W(1)核电站释放的核能是一个个核反应释放核能积累的结果：EnE，Emc2，nNA.(2)发电站用于发电的能量只占所释放核能的一部分，则E电E.学业分层测评(十七) (建议用时：45分钟) 学业达标1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E含有的质子数与裂变前重核的质子数相等【解析】重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出2个或3个中子，裂变释放的能量比俘获中子的能量大，C错误质子数不变，中子数会减少，故B、E正确重核裂变的产物是多种多样的，故A错误，D正确【答案】BDE2在下列四个方程中，X1、X2、X3、X4各代表某种粒子，判断正确的是()UnSrXe3X1HX2HenU234 90ThX3MgHeAlX4AX1是中子BX2是质子CX3是粒子 DX4是氚核EX4是质子【解析】根据电荷数和质量数守恒可得X1

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