高中物理第三章原子核5核裂变课件教科选修35教科高中选修35物理课件

总结提能 解答此类题的关键在于如何把已知与所求联系 起来，特别是要能考虑到利用相对原子质量和阿伏加德罗常数 去计算1 kg铀所含的原子核的个数，只要能想到这儿，一切问 题就都迎刃而解了．
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U受中子轰击时会发生裂变，产生
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Ba和
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重难疑点辨析 了解原子弹的原理
原子弹是利用快中子导致链式反应而发生原子爆炸的武 器．在裂变材料的体积大于临界体积时，可以使增殖系数 K>1，这时中子数可逐代倍增，最后引起原子爆炸．对纯 错误！ U，其K＝2.若N0＝1，则到第90代时，中子数已增到N＝280 个，其已大到相当于1 kg铀的原子数，因此1 kg纯错误！U只要经 过80代裂变就可以全部发生裂变．若将1 kg铀做成球状，其直 径不过5 cm，而快中子的速度约为2×107 m·s－1，所以裂变进行 得极其迅猛，其爆炸可在百分之一秒内完成．
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考点二 核电站
1．核心：核电站的核心是核反应堆，其简化示意图如 下：
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各部分的作用如下： (1)铀棒：由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制 成，它是核反应堆的燃料． (2)石墨(或重水)：石墨(或重水)作为减速剂，附着在铀棒 周围，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． (3)镉棒：主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫做 控制棒． (4)混凝土防护层：屏蔽射线防止放射性污染．
的临界体积，相应的质量叫做临界质量．
5．发生链式反应的条件 裂变物质的体积必须 大于或等于 临界体积，或裂变物质 的质量必须 大于或等于 临界质量．
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如图所示为我国于1964年10月16日发射的第一颗原子弹爆 炸成功的图片．同时，我国政府郑重承诺：中国在任何时候、 任何情况下，都不首先使用核武器，不对无核国家或地区使用 或威胁使用核武器．我国研制成功原子弹，极大地增强了我国 的国防力量．
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原子弹的结构形式有许多种，一般是将两块和多块小于临
界体积的
29352U(或
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U、
29349 Pu等)放在一个密封的弹壳内，平时这
几块相隔一定的距离，所以不会爆炸．使用时可通过引爆装置
使它们骤然合为一体，由于其体积超过临界体积，爆炸立刻发
生．
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(3)核能的释放：由于重核的核子的平均质量大于中等质量 原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中等质量的原子 核时，会发生质量亏损，释放核能．
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(4)铀的存在形式
在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是29328U,0.70%的
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其中各粒子质量分别为 mU＝235.043 9 u，mn＝1.008 67 u， mSr＝89.907 7 u，mXe＝135.907 2 u， 质量亏损为 Δm＝(mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn) ≈0.151 0 u 可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子 数是不会减少的，因此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，发生质量亏损，从而释放出核能，故D 正确．故选D.
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解析：根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可 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，而并非中子的能量，故A错误．链式反应是有条件 的，即铀块的体积必须大于或等于其临界体积．如果体积小， 中子进入铀块时，裂变中产生的中子散失到外界，没有足够的 中子，则链式反应就不会发生，故B错误．在裂变反应中核子数 是不会减少的，如29325U＋10n―→9308Sr＋15346Xe＋1010n.
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1．什么是核裂变？ 2．什么是链式反应？ 3．链式反应发生的条件是什么？
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【解析】 铀核受到中子的轰击，会发生裂变，裂变的产 物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两种不同的核 的情况较多，也有的分裂成多种不同的核，并放出2～3个中 子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获 能量较高的中子时才能引起裂变，且裂变的概率小，而要发生 链式反应，需使铀块体积大于或等于临界体积，故选项B、C正 确．
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【典例】 1964年10月16日，我国在新疆罗布泊沙漠成功 地进行了第一颗原子弹试验，结束了中国无核时代．
(1)原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量， 由于裂变物质的体积超过临界体积而爆炸．
①完成下面核裂变反应方程式： 29325U＋10n→(15440Xe)Xe＋9348Sr＋201n＋200 MeV. ②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么？ (2)为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染 环境，需采取哪些措施？(写两种)
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3．链式反应 当一个中子引发一个铀核裂变后，反应释放出的中子又轰击其 他原子核产生裂变，释放出的中子又轰击其他铀原子核……这样的 反应一代接一代进行下去的过程，叫做裂变的 链式 反应．
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4．临界体积和临界质量 通常把裂变物质能够发生链式反应的 最小体积 叫做它
你知道这其中蕴涵的物理知识吗？ 提示：原子弹是利用重核的裂变反应制成的，在极短时间内能 够释放大量核能，发生猛烈爆炸．
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二、核电站 原子核的链式反应可以在人工的控制下进行，从而实现了 核能 的可控释放，实现可控的条件是控制引起链式反应的中子 的数目，方法是在核反应堆中的铀棒之间插入一些镉棒，镉具有 极强的吸收中子的能力，当将镉棒插得深一些时，就能 多吸收 一 些中子，使链式反应的速度慢下来，这种镉棒又叫 控制棒 ．
一个铀235原子核裂变后释放的能量为 ΔE＝Δmc2＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV. (2)1 kg铀235中含有原子核的个数为 N＝213053 ×6.02×1023≈2.56×1024， 1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量 E＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV.
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性污染． 2．核电站发电的优点 (1)消耗的核燃料少：一座百万千瓦级的核电站，一年只消 耗浓缩铀30 t左右，而同样功率的火电站每年要消耗250万吨． (2)污染小：核电对环境的污染比火电小．
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【例2】 铀核裂变的许多可能的核反应中的一个是
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2．链式反应的条件 铀块的体积大于或等于临界体积、质量大于或等于临界质 量，只要满足其中之一即可．

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【例1】 (多选)关于铀核裂变，下述说法正确的是( BC ) A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不 同的核 B．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子 C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235 D．铀块的体积对发生链式反应无影响
Kr，同时放
出200 MeV的能量．现要建设发电能力是50万千瓦的核电站，
用铀235作为原子锅炉的燃料．假设核裂变释放的能量全部被
用来发电，那么一天需要纯铀235的质量为多少？若改用火力
发电，需要燃烧值为2.94×107 J/kg的煤多少吨？阿伏加德罗常
数为6.02×1023 mol－1.
答案：0.527 kg 1.47×103 t
是
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U，虽然中子都能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中
子作用的情况明显不同．
①
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U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
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U只有在俘获的中子的能量大于1
MeV时才能发生核
反应，且裂变的几率较小．对于低于1 MeV的中子只与铀核发
生弹性碰撞，不能引起核反应．
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【解析】 (1)①根据核反应过程质量数、电荷数守恒可 知，29325U裂变为15440Xe.②裂变自动持续下去的反应叫链式反应．
5 核裂变
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一、核裂变 1．裂变 重核被中子轰击后分裂成两块质量差不多的新原子核，称 为 裂变 . 2．铀核裂变 用中子轰击铀核，铀核发生裂变，铀核裂变的产物是多样 的，其中最典型的反应是生成 钡和氪 ，同时放出三个中子．核 反应方程式为：29325U＋ 10n →15464Ba＋8396Kr＋310n.
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总结提能 本题考查了重核裂变的知识．重核裂变是重核 受中子轰击后分裂成中等质量核的反应，其释放能量的原因是 重核的比结合能比中等质量核小．
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关于重核的裂变，以下说法正确的是( D ) A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B．中子进入铀块中时，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，所 以核子数量减小 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
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核能作为一种新型能源，在人类的发展过程中所起的作用 越来越重要．核反应堆中发生着怎样的核反应？
提示：核反应堆中发生的是可控链式反应．
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考点一 重核的裂变及链式反应
1．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．
相当于燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107 J/kg)
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【解析】 (1)铀核裂变的质量亏损为Δm＝(235.0439＋ 1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7)u＝0.215 3 u.
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解析：根据发电功率计算出每天应发电能的总量 E＝24 h×3.6×103×P＝4.32×1013 J. 要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目 n＝2×140.83×2×1.61×01310－19＝1.35×1024(个)． 则对应的质量 m＝Nn·μ＝16..3052××11002243×235×10－3 kg＝0.527 kg. 需要的煤的质量为 m′＝2.94×E107 J/kg＝42..3924××1100173 kg＝1.47×106 kg 12/10/2＝021 1.47×103 t.
29325U＋10n→15461Ba＋9326Kr＋301n.
(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量(
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U、
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Ba、9326Kr、01n的质量分别为235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3
u、1.008 7 u)；
(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？它
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设q为煤的热值，m为煤的质量，有E＝qm，所以 m＝Eq＝5.14×10226×.941×.6×101706×10－19 kg≈2 800 t.
【答案】 (1)200.6 MeV (2)5.14×1026 MeV 2 800 t
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