【课堂新坐标】2016-2017学年高中物理沪科版选修3-5课件：第5章 5.2 裂变及其应用

【解析】
根据重核发生裂变的条件和裂变释放能量的原理分析可知，裂变
时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，因而释放的能 量远大于其俘获中子时吸收的能量；重核裂变只能发生在人为核反应中；在裂变 反应中核子数是不会减少的，因此A正确，B、C错误.重核裂变为中等质量的原子 核时，由于平均质量减小，必然发生质量亏损，从而释放出核能，所以D正确.铀 235比铀238易于发生链式反应，可以短时间内放出巨大的核能，因此用铀235制 作原子弹而不用铀238，故E正确.
【答案】 ADE
2.1938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γ射线.下列关于这个实验的说法中正确的是( )
1 144 89 1 A.这个实验的核反应方程是235 U ＋ n ―→ Ba ＋ Kr ＋ 3 92 0 56 36 0n
B.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可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算 D.实验中产生的γ射线穿透能力极强 E.这个反应中释放出的能量可以用爱因斯坦的质能方程来计算
2.链式反应 (1)定义：当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子再引起 其他铀核裂变，且能不断的继续下去，称为 链式反应 .
(2)临界体积：能够发生链式反应的铀块的 最小 体积.
[再判断] 1.原子核释放粒子的过程也是核裂变的过程.( × ) 2.用中子轰击重核使之分裂实现核裂变.( √ ) 3.利用不可控的快中子轰击超过临界体积的铀块产生链式反应制成原子弹.( √ )
铀核的裂变
链式反应
[先填空] 1.铀核的裂变 (1)发现 重核裂变是在20世纪30年代末期用 中子 轰击铀核时发现的. (2)原理 中子打进铀－235核，使该核变成处于 激发状态 不多的两部分，同时 放出 几个中子. 的复核，并分裂成质量差
(3)产物 铀核裂变的产物是多种多样的，一般分裂为中等质量的两部分，但也有三分 裂、四分裂现象.产物不同，释放的 能量 和 中子 数也不尽相同. (4)裂变能 核裂变 释放 的能量，也 139 95 1 ①235 92u＋0n―→ 54Xe＋38Sr＋20n. 1 144 89 1 ②235 u ＋ n ―→ Ba ＋ Kr ＋ 3 92 0 56 36 0n.
2.链式反应的条件 (1)有慢中子轰击. (2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量. 以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足.
1 kg铀核产生的能量 E总＝n·ΔE＝2.562×202.5×1024MeV ≈5.2×1026MeV＝5.2×1026×106×1.6×10－19 J ≈8.3×1013 J. 方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn) ＝0.217 4 u＝0.217 4×1.660 6×10－27 kg ≈3.6×10－28 kg
－27
kg，试计算，1 kg铀
【解析】 (1)根据电荷数和质量数守恒，可得 Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40 质量数A＝236－143－3×1＝90.
(2)方法一：质量亏损 Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.217 4 u. 一个铀核裂变释放能量 ΔE＝Δm×931.5 MeV ＝0.217 4×931.5 MeV≈202.5 MeV 1 kg铀核含有的原子核数为 1 000 n＝ 235 ×6.02×1023个≈2.562×1024个
【答案】 BDE
1 143 1 6.现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是： 235 92 U＋ 0 n→ 60 Nd＋Zr＋3 0 n＋
8－0 1 e ＋ν 【导学号：67080045】 (1)核反应方程中的ν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235.049 3 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 6×10 235大约能产生的能量是多少？
[后思考] 重核裂变反应是否满足电荷数守恒？是否满足质量数守恒？
【提示】 重核裂变反应属于核反应，满足电荷数守恒，质量数守恒.
[核心点击] 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.
2.核反应堆与原子弹爆炸的比较 原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应 的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆(核电站的核心设施). 核反应堆是人工控制链式反应的装置. 3.核电站发电的主要原理 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 内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去.反应堆放出的热使水变成水蒸气，这 些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电.这一部分的工作原理和火力发电相同.
[再判断] 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.链式反应一旦形成无法进行人工控制.( × )
[后思考] 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】 控制棒由镉或硼钢制成，镉吸收中子的能力很强，在铀棒之间插 进一些镉或硼钢棒，可以控制链式反应的速度.
)
E.石墨为慢化剂，使反应生成的快中子减速为慢中子以利于被铀235吸收，发 生裂变
【解析】 核燃料即为用浓缩铀制成的铀棒，铀棒裂变时释放核能；镉棒具 有很强的吸收慢中子的能力，通过控制镉棒插入的深度来控制链式反应的速度， 即可控制反应堆的功率；石墨的作用是使裂变产生的快中子减速成为慢中子；冷 却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热量.则B、D、E正确，A、C错误.
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.
[核心点击] 1.核反应堆的组成 核反应堆由堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分组成.其中控制棒用 能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度.之所以把它叫做“堆”， 是因为世界上第一个核反应堆是用石墨块(用以控制反应速度)和金属铀块(反应燃 料)一层一层交替地“堆”起来而构成的.
4.关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法不正确的是( A.镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度 B.用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量 C.利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量
)
D.镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应 速度 E.镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒
【答案】 ADE
3.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：
A 1 n→140 54Xe＋Z Sr＋20n，则A＝_____________，Z＝________.
235 92
U＋
1 0
【解析】 根据核反应中的质量数、电荷数守恒可知，A＝94，Z＝38. 【答案】 94 38
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.
【解析】 镉棒不是离子源不会释放中子，A错误，也不是减速剂，不能使 快中子变为慢中子，B、D错误，镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检 测，当反应太强，镉棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出，少吸收中 子，故镉棒也叫控制棒，C、E正确.
【答案】 ABD
5.关于原子核反应堆，下面哪种说法是正确的( A.镉棒是核燃料，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量
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：只有俘获能量大于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.
知 识 点 一
5.2
知 识 点 二
裂变及其应用
学 业 分 层 测 评
学 习 目 标 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.(重点) 2.知道什么是链式反应.(重点) 3.会计算重核裂变过程中释放出的能 量.(重点) 4.知道什么是核反应堆.了解常用裂变反 应堆的类型.(难点)
知 识 脉 络
(2)高温气冷堆：采用 石墨 为慢化剂，氦为 冷却剂 .技术上还 不成熟 ，它 具有高效率、高安全性，对环境污染小等优点，有着综合利用的广阔前景. (3)快中子增殖反应堆：又叫 快堆 ，它是以 铀－235 为主要裂变材料，其最
大特点是可以 合理利用 有限的铀资源，使核燃料越“烧” 越多 ，能够将天然铀 资源的利用率由1%～2%提高到 60%～70% .
【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：
235 92
144 89 1 U＋ 1 n ―→ Ba ＋ Kr ＋ 3 0 56 36 0 n，选项A正确；铀核裂变过程中产生γ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错误， E正确；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项D正确.
裂 变 反 应 堆
[先填空] 1.基本结构 裂变材料：一般用浓缩铀(铀－235占3%－4%)，通常做成 棒状 ，置于反应 堆的 中心 部分. 慢化剂(减速剂)：通常用石墨、重水或普通水，使快中子减速成 慢中子 便于铀－235吸收. 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 . ，
1.关于重核的裂变，以下说法正确的是(
)
A.核裂变释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量 B.铀核裂变在自然界中会自发地产生 C.重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少 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 E.美国扔在广岛的第一颗原子弹‘小男孩’是用铀235制成的，之所以不用铀 238，是因其不易发生链式反应
反射层：一般用 石墨 做材料，安放在反应堆 周围，阻止 中子 逃逸. 热交换器：利用水循环，产生 高温高压 的蒸汽，从而推动 蒸汽轮机 带动发电机发电. 防护层：防止射线对 人体 外逸的 水层 及其他生物体的侵害，由 金属套 、防止中子 ，
以及 1～2m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.优点是 中子利用率高 然铀做反应堆燃料.缺点是 重水昂贵 ， 设备要求高 ，投资增加. ，可用天