教科版高中物理选修3-5：《核裂变》课件1-新版

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 ．
一、重核的裂变及链式反应 定义：使重核分裂成质量较小的核的反应叫重核的裂变． 铀核裂变：1938年德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰 击铀核时，发现了铀核的裂变，铀核裂变的产物是多种多样的， 有时裂变为氙(Xe)和锶(Sr)，有时裂变为钡(Ba)和氪(Kr)，有时 裂变为锑(Sb)和铌(Nb)，产物不同，释放的能量和中子数也不 尽相同．
因此1 kg铀235完全裂变产生的能量约为 E＝n·Δm×931.5 MeV ＝2.56×1024×0.212×931.5 MeV ＝5.06×1026 MeV. 答案 (1)40 90 (2)5.06×1026 MeV
【变式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，
它主要有哪四部分组成
当中子动，使核变成不规则的形状，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，
这就是链式反应，如
贫铀穿甲弹比目前其他远程炮弹能在更远的距离射穿更厚、 更硬的装甲或建筑物，就像用一把火红热刀切牛油般容易．究其 原因，是由于贫铀具有高密度、高硬度、高韧性等物理特性，贫 铀的密度为 19.3×103 kg/m3，是铅的密度的 1.7 倍，制成相同体 积的弹丸时质量大，根据能量守恒定律，在同等火药的情况下， 弹丸获得的动能相同．而一个物体的动量 p 和动能 Ek 的关系为 p ＝ 2mEk，可见弹丸在动能相同的情况下，其动量和质量 m 的平 方根成正比，
组成部分材料作用裂变材料核燃料浓缩铀23592提供核燃料慢化剂减速剂石墨重水和普通水使裂变产生的快中子减速控制棒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产生高温蒸气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a
5 核裂变
1．知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量； 2．知道什么是链式反应； 3．会计算重核裂变过程中释放出的能量； 4．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
的能力很强 这一特性，就可以容易地控制链式反应的速度．
工作原理：核燃料 裂变 释放的能量，使反应区温度升高．
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．
核污染的处理：为避免 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的放射性污染，在反应堆的外面需
图3-5-1所示．
图3-5-1
链式反应的条件： (1)利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂过程中，又会放出更 多中子，这些中子再去轰击更多铀核，产生更多中子，形成了 链式反应． (2)临界体积： 原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大， 中子在铀块中通过时，就有可能碰不到铀核而跑到铀块外面去， 链式反应不能继续．只有当铀块足够大 时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个铀核，使链式反 应进行下去．能够发生链式反应的最小体积，叫做它的临界体 积．
二、核电站——核反应堆 原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来．如图 3-5-2核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平 利用，因此核电站是可控的链式反应．现在世界上已有不少国 家建有核电站，我国已建成使用和正在建设的核电站必将为现 代化的建设提供能源保障．
图3-5-2
核反应堆——核电站的心脏 裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装 置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作 原理如下表：
解析 依据核电荷数守恒和质量数守恒定律可判断 X 为中子(01n)， 且 a＝3.据爱因斯坦的质能方程 ΔE＝Δmc2，即 ΔE＝[mU－(mBa＋ mKr＋2mn)]·c2 答案：中子 3 [mU－(mBa＋mKr＋2mn)]·c2
了解核电站及核能发电
【典例 2】 现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是： 29325U＋10n→16403Nd＋Zr＋310n＋8－10e＋^γ (1)核反应方程中的 γ 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 u ＝1.660 6×10－27kg，试计算 1 kg 铀 235 大约能产生的能量是 多少？
而根据动量定理，弹丸穿甲时的平均穿透力 F，穿甲时间 Δt 和弹 丸动量 p 有这样的关系： F ＝Δpt＝ 2ΔmtEk，因此弹丸的穿透力和 弹丸的质量的平方根成正比，这就是贫铀穿甲弹穿甲性能很强的 主要原因，其次贫铀的高硬度也是重要因素．又由于贫铀容易氧 化燃烧，高速穿甲时产生高温化学反应，可形成较大的后破坏作 用；另一方面，贫铀的坚硬属性，亦令它适宜用于强化坦克的装 甲保护，如美国生产的新式 M1A1 坦克就采用了贫铀装甲，大大 提高了坦克的防护能力．
【变式 1】 核反应方程式29325U＋10n→15461Ba＋9326Kr＋aX 是反应堆中发生的 许多核反应中的一种，n 为中子，X 为待求粒子，a 为 X 的个 数，则 X 为__________，a＝__________.mU、mBa、mKr 分别 表示29325U、15461Ba、9326Kr 的核的质量，mn、mp 分别表示中子、 质子的质量，c 为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过 程中放出的核能 ΔE＝____________.
二、核电站
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)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用
重水 和 普通水 作慢化剂；
石墨 、
(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
对核裂变和链式反应的理解
【典例1】 为使链式反应平稳进行，可采用下列的办法( )． A．铀块可制成任何的体积 B. 铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核 C．通过慢化剂将产生的中子减速 D．用镉棒可作为慢化剂使中子减速
解析 由于使铀块发生链式反应的体积应大于临界体积，故A错 误，铀核裂变释放出的为快中子，不能直接再去轰击铀核，必须 用慢化剂减速，而镉棒是用于控制中子数量的，故C正确，B、D 错误． 答案 C
( )．
A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统
B．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统
C．原子燃料、调速剂、碰撞系统和控制调节系统
D．原子燃料、减速剂、原子能聚存系统和输送系统
解析 目前核反应堆组成有：原子燃料、减速剂、控制调节
系统与冷却系统．
答案 A
贫铀弹 天然铀中，含有238U、235U和234U三种同位素，其中235U仅占 0.72%,238U占绝对优势，而只有235U才能用于核裂变反应，因此制 造核武器和核电站燃料的天然铀必须加工处理成富含235U的浓缩 铀，获取浓缩铀后剩余的轴中235U含量更低，这种235U含量比天然 铀更低的铀叫贫铀．
组成部分 材料
作用
裂变材料 浓缩铀(29325
(核燃料)
U)
提供核燃料
慢化剂 石墨、重水 使裂变产生的快
(减速剂) 和普通水 中子减速
控制棒 反射层 热交换器
防护层
吸收减速后的中子，控 镉
制反应速度 石墨 阻止中子逃逸
产生高温蒸气，推动汽 水
轮发电机发电 金属套和钢 防止射线对人体及其他 筋混凝土 生物体的侵害
解析 (1)锆的电荷数 Z＝92－60＋8＝40，质量数 A＝236－146 ＝90；核反应方程中应用符号9400Zr 表示． (2)1 kg 铀 235 的铀核数为 n＝1203050×6.02×1023＝2.56×1024(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 Δm＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn ＝0.212 u
站及核能发电的优缺点．
一、核裂变 定义：重核分裂为 质量较小 的核，释放出 核能 的反应，称 为核裂变． 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29325U＋ 01n →15446Ba＋8396Kr＋ 310n .
链式反应：由重核裂变产生的 中子 使裂变反应一代接一代继续 下去的过程，叫做核裂变的链式反应． 链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于 临界体积 或裂 变物质的质量大于等于 临界质量 ．