2018_2019高中物理第十九章原子核第六节核裂变学案新人教版

第六节 核裂变
学 习 目 标
知 识 导 图
知识点1 重核的裂变
1．定义
使重核分裂成__中等质量__的原子核的核反应叫重核的裂变。

2．核反应类型
重核的裂变只发生在__人为控制__的核反应中，自然界不会自发的产生。

3．一种典型的铀核裂变
235
92U ＋10n ―→144 56Ba ＋8936Kr ＋__31
0n__。

知识点2 链式反应 1．定义 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链式反应。

2．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__。

知识点3 核电站
1．核电站的工作原理
核电站的核心是__核反应堆__，其简化示意图如图所示。

各部分作用如下：
(1)核燃料：反应堆使用浓缩铀(铀235占3%～4%)制成__铀棒__作为核燃料，释放__核
能__。

(2)减速剂：用__石墨、重水和普通水__，使裂变中产生的中子减速，以便被铀235吸收。

(3)控制棒：由吸收中子能力很强的__镉__制成，用以控制__反应速度__。

(4)水泥防护层：反应堆外层是很厚的__水泥壁__，可防止射线辐射出去。

(5)热交换器：靠__水__和__液态金属钠__在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去。

2．核电站与火电站相比有何优缺点
(1)优点：①核电站消耗的燃料__很少__。

②作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量__很大__。

③火电站烧煤要放出很多污染物，而核电站放出的污染物要__少得多__。

(2)缺点：①一旦核泄漏会造成严重的__核污染__。

②核废料处理__比较困难__。

预习反馈
『判一判』
(1)只要铀块的体积大于临界体积，就可以发生链式反应。

(×)
(2)中子从铀块中通过时，一定发生链式反应。

(×)
(3)重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小。

(×)
(4)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。

(√)
(5)核反应堆用过的核废料无毒无害。

(×)
『选一选』
山东荣成石岛湾核电站总装机规模400万千瓦。

核电站与火电站相比较，下列说法错误的是( B )
A．核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量
B．就可采储量来说，地球上核燃料资源远大于煤炭
C．在经济效益方面核电与火电不相上下
D．核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理
解析：核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量，A正确；就可采储量所提供的能量来说，远大于煤炭所能提供的能量，而不是采储量，B错误；在经济效益方面核电与火电不相上下，C正确；核电站是有污染的，核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理，D正确。

『想一想』
如图为核裂变示意图。

(1)重核裂变是一种天然现象吗？
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
答案：(1)不是 (2)不能
解析：重核的裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，只有达到链式反应的条件时，才会发生重核的裂变。

探究一 重核的裂变及链式反应
S 思考讨论i kao tao lun 1
1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于
1.8万吨TNT 炸药。

爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400m 的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1600m 范围内所有动植物全部死亡
(1)巨大的核能是从哪里来的？
(2)在利用重核裂变制成的原子弹中，需不需要用镉制成的控制棒？
提示：(1)铀核的裂变
(2)不需要
G 归纳总结ui na zong jie
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式。

(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，裂变就会不断进行下去，释放出越来越多的核能。

(3)常见的裂变方程：
①235 92U ＋10n ―→139 54Xe ＋9538Sr ＋210n
②235 92U ＋10n ―→144 56Ba ＋8936Kr ＋310n
2．链式反应的条件
(1)要有足够浓度的235U
(2)要有足够数量的慢中子
(3)铀块的体积要大于临界体积
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200MeV 估算，1kg 铀235全部裂变放出的能量相当于2800t 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。

D 典例剖析ian li pou xi
典例1 关于重核裂变，下列说法正确的是( D )
A ．重核裂变成中等核要吸收能量
B ．中子进入铀块中时，一定能发生链式反应
C ．重核裂变过程中质量数减少
D ．较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出核能 解题指导：裂变反应特点―→规律―→发生条件
解析：中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定。

如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出能量。

由此知A 错误，D 正确；当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子如果能引起其他铀核裂变，链式反应才能进行，B 错误；核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，C 错误。

,
〔对点训练1〕 (多选)(河北省邯郸市2017～2018学年高三模拟)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中一种裂变反应式是235 92U ＋10n→144 56Ba ＋89 36Kr ＋31
0n 。

下列说法正确的有( AC )
A ．上述裂变反应中伴随着中子放出
B ．铀块体积对链式反应的发生无影响
C ．铀核的链式反应可人工控制
D ．铀核的半衰期会受到环境温度的影响
解析：裂变反应式中的10n 为中子，铀块只有体积大于临界体积，才能发生链式反应，且
铀核的链式反应是可控的，A 、C 对B 错；放射性元素的半衰期不受外界压强、温度的影响，D 错。

探究二 核电站
S 思考讨论i kao tao lun 2
如图所示为核电站工作流程示意图
(1)核电站的核心设施是什么？
(2)核电站是如何实现能量的转化与转移的？
提示：(1)核电站的核心设施是核反应堆。

(2)通过热交换器将核反应中产生的热量输送出来，推动汽轮机工作。

G 归纳总结ui na zong jie
核反应堆 原子核的链式反应可以在人工控制下进行，使核能较平缓地释放出来，这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务，裂变反应堆的结构和工作原理如下表所示：
特别提醒：在利用核反应堆发电时，一定要注意安全防护，历史上曾经有过核电站泄漏事故。

D 典例剖析ian li pou xi
典例 2 (多选)如图是慢中子反应堆的示意图，对核反应堆的下列说法中正确
的是( BC )
A．铀235容易吸收快中子发生裂变反应
B．快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D．若要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
解题指导：深入理解核反应堆的工作原理，是处理该类问题的关键。

解析：根据铀235的特点，它更容易吸收慢中子而发生裂变，A错误；在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量从而更易让铀235吸收裂变，B正确；链式反应的剧烈程度取决于裂变释放出的中子总数，镉控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反应的快慢，即插入的深，吸收的多，反应将变慢，反之将加快，C正确，D错误。

,
〔对点训练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，它主要由四部分组成，它们是( A )
A．原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统
B．原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统
C．原子燃料、慢化剂、碰撞系统和传热系统
D．原子燃料、中子源、原子能存聚系统和输送系统
解析：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，它主要由原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统四部分组成，故A正确。

核能的利用与计算
1．核能的应用
原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来。

核电站是利用缓慢释放的核能来发电，这是核能的和平利用。

2．核能的计算
(1)若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2
(2)若以原子单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×931.5MeV
(3)两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1MeV ＝1×106×1.6×10
－19J ＝1.6×10－13J
案例 山东烟台海阳核电站项目，一期工程和2号常规岛正在进行设备安装，一
期工程规划建设两台125万千瓦AP1000核电机组，预计2016年并网发电。

如果铀235在中子的轰击下裂变为9038Sr 和136
54Xe ，质量m U ＝235.0439u ，m n ＝1.0087u ，m Sr ＝89.9077u ，m Xe ＝135.9072u 。

(1)写出裂变方程；
(2)求出一个铀核裂变放出的能量；
(3)若铀矿石的浓度为3%，一期工程建成后，一年将消耗多少吨铀矿石？
解析：(2)裂变过程的质量亏损Δm ＝m U ＋m n －m Sr －m Xe －10m n ＝0.1507u
释放的能量ΔE ＝Δmc 2
＝0.1507×931MeV≈140.3MeV
(3)核电站一年的发电量E ＝Pt ＝2×125×107×365×24×60×60J＝7.884×1016J
由E ＝N ΔE ＝m ·3%M N A ΔE ，得m ＝EM 3%·N A ΔE ＝ 7.884×1016×2353%×6.02×1023×140.3×106×1.6×10－19g≈4.57×107
g ＝45.7t
答案：(1)235 92U ＋10n ―→9038Sr ＋136 54Xe ＋1010n (2)140.3MeV (3)45.7t
1．(安徽省池州市2018届高三上学期期末)前不久，新华社评出2017年国际十大新闻：朝鲜核导试验半岛局势趋紧列第五。

有关核反应方程，下列说法正确的是( A )
A ．238 92U→234 90Th ＋42He 属于α衰变
B ．14 7N ＋42He→17 8O ＋11H 是β衰变
C ． 核反应方程210 84Po →y 82X ＋42He 中的y ＝206，X 的中子个数为128
D ． 铀核裂变的核反应为238 92U→141 36Ba ＋9236Kr ＋210n
解析：α衰变是重核自发的放出α粒子的天然放射现象，其中α粒子是42He ，故A 正确；14 7N ＋42He→17 8O ＋11H 是发现质子的原子核人工转变，故B 错误；X 的中子个数为206－82＝124，故C 错误；铀核裂变属于重核裂变，不能自发进行，故D 错误。

2．(湖南永州2016～2017学年高三二模)在所有能源中，核能具有能量密度大、区域适应性强的优势。

在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。

核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量的核能。

其中用中子轰击铀核发生裂变是核反应
堆中最常见的反应，请完成此核反应方程235 92U ＋10n ―→141 56Ba ＋9236Kr ＋__31
0n__；在此核反应中，分别用m n 和m p 表示中子和质子的质量，用m U 、m Ba 、m Kr 表示235 92U 、141 56Ba 、9236Kr 的质量，用c 表示真空中的光速，该反应过程中释放的核能为__(m U －m Ba －m Kr －2m n )c 2__。

解析：核反应过程中质量数和电荷数分别守恒；质量亏损等于核反应过程中，反应前的质量减反应后的质量，然后由质能方程求解核能。

3．(山东日照市2016～2017学年高二下学期调研)2015年9月3日，是我国纪念抗日战争和世界反法西斯战争胜利70周年。

1945年7月，为了加速日本军国主义的灭亡，促使日本早日无条件投降，美国在日本的广岛、长崎投下了两枚原子弹。

落在日本广岛的原子弹，其爆炸力相当于2×104t TNT 爆炸的能量(约8.4×1013J)，由此可知该原子弹中铀235的质量是多少千克？(已知裂变的核反应方程235 92U ＋10n→141 56Ba ＋9236Kr ＋310n ＋201 MeV ，阿伏加德罗常数N A ＝6.02×1023)
答案：1.02kg
解析：由核反应方程知，一个铀核裂变能放出201MeV 的能量，1mol 铀核裂变放出的能量为ΔE 1＝6.02×1023×201MeV＝1.936×1013J,1mol 铀核的质量为0.235kg ，则原子弹中铀
核的质量为m ＝E ΔE 1×0.235kg＝8.4×10131.936×1013×0.235kg＝1.02kg 。

基础夯实
一、选择题(1～4题为单选题，5、6题为多选题)
1.235 92U 吸收一个慢中子后，分裂成136 54Xe 和9038Sr ，还放出( C )
A ．1个α粒子
B ．3个中子
C ．10个中子
D ．10个质子 解析：设放出的粒子的质量数为x ，电荷数为y ，核反应过程满足质量数守恒和电荷数守恒。

由题意可知
⎩⎪⎨⎪⎧235＋1＝136＋90＋x 92＝54＋38＋y 则⎩⎪⎨⎪⎧x ＝10y ＝0
由此判定该核反应放出的一定是中子，且个数是10，C 选项正确。

2．中国承诺到2020年碳排放量下降40%～45%。

为了实现负责任大国的承诺，我国将新建核电站项目。

目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是( A )
A ．235 92U ＋10n ―→9038Sr ＋136 54Xe ＋101
0n
B ．2411Na ―→2412Mg ＋ 0－1e
C ．14 7N ＋42He ―→17 8O ＋11H
D ．238 92U ―→234 90Th ＋42He
解析：重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A 是裂变反
应，A正确；B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变。

3．1938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( D )
A．这个实验的核反应方程是23592U＋10n―→14456Ba＋8936Kr＋10n
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不可以用爱因斯坦的质能方程来计算
D．实验中产生的γ射线穿透能力极强
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：23592U＋10n―→14456Ba ＋8936Kr＋310n，选项A不正确；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不正确；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。

4．在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是( C )
A．使用浓缩铀
B．改变铀块的临界体积
C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以改变参与反应的中子数
D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
解析：在核反应中，使用的浓缩铀达到临界条件才能发生链式反应；在反应中石墨作为“慢化剂”使快中子减速为慢中子，使铀核能进一步反应，故它们都不是用来控制核反应速度的方法，A、B、D错误。

调节中子数目是控制反应速度的方法，镉棒具有很强的吸收中子的能力，C正确。

5．(重庆一中2015～2016学年高二下学期期中)下列说法正确的是( AC )
A．卢瑟福通过实验发现了质子的核反应方程为42H e＋147N→178O＋11H
B．铀核裂变的核反应是23592U→14156Ba＋9236Kr＋210n
C．已知质子、中子、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，那么，2个质子和2个中子结合成一个α粒子，释放的能量是(2m1＋2m2－m3)c2
D．铀(23892U)经过多次α、β衰变形成稳定的铅(20682Pb)的过程中，有4个中子转变成质子
解析：根据物理学史知选项A正确；铀核裂变必须吸收慢中子，B错误；根据爱因斯坦质能方程，知C正确；23892U→20682Pb＋842He＋60－1e，有6个中子转变或原子，故D错误。

6．关于原子核反应堆，下列说法正确的是( ABD )
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．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能
解析：铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，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制反应速度，即控制反应堆功率，B 正确；慢中子最容易引发核裂变，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，C 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，D 正确。

二、非选择题
7．一个铀235核裂变时释放出196MeV 的能量，则1kg 铀235完全裂变时所放出的能量为多少？它相当于多少吨优质煤完全燃烧时放出的能量。

(煤的热值为3.36×106
J/kg)
答案：8.03×1013J 2.39×104t
解析：根据一个铀235原子核裂变后释放的能量为ΔE ＝196MeV 。

1kg 铀235中含原子核的个数为 N ＝m M U N A ＝1000235
×6.02×1023≈2.56×1024 则1kg 铀235原子核发生裂变时释放的总能量
ΔE N ＝N ΔE ＝2.56×1024×196MeV≈5.02×1026MeV ＝8.03×1013J ；
令q ＝3.36×106J/kg 为煤的热值，设m 为煤的质量，
则有ΔE N ＝qm ，
所以m ＝ΔE N q ＝8.03×10133.36×106kg ＝2.39×107kg ＝2.39×104t 。

能力提升
一、选择题(1～2题为单选题，3、4题为多选题)
1．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，所以核子数要减小
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
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即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程。

其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量，链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生。

在裂变反应中核子数是不会减小的，如235 92U 裂变为9038Sr 和136 54Xe 的核反应，其核反应方程为
235
92U ＋10n ―→9038Sr ＋136 54Xe ＋101
0n ， 其中各粒子质量分别为
m U＝235.0439u，m n＝1.00867u，
m Sr＝89.9077u，m Xe＝135.9072u，
质量亏损为
Δm＝(m U＋m n)－(m Sr＋m Xe＋10m n)＝0.1510u
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，因此选项A、B、C均错。

重核裂变为中等质量的原子核时，由于核子平均质量小，会发生质量亏损，从而释放出核能。

综上所述，选项D正确。

2．我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于23592 U的裂变，现有四种说法：
①23592U原子核中有92个质子，143个中子；
②23592U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程为23592U＋10n→13954Xe＋9538Sr ＋210n；
③23592U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短；
④一个23592U裂变能放出200MeV的能量，合3.2×10－11J。

以个说法中完全正确的是( D )
A．①②③B．②③④
C．①③④D．①②④
解析：由23592U的质量数和电荷数关系易知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；通过计算知④正确，故答案为D。

3．下面是铀核裂变反应中的一个：23592U＋10n―→13654Xe＋9038Sr＋1010n
已知铀235的质量为235.0439u，中子质量为1.0087u，锶90的质量为89.9077 u，氙136的质量为135.9072u，则此核反应中( BD )
A．质量亏损为Δm＝235.0439u＋1.0087u－89.9077 u－135.9072u
B．质量亏损为Δm＝(235.0439＋1.0087－89.9077－135.9072－10×1.0087)u
C．释放的总能量为ΔE＝(235.0439＋1.0087－89.9077－135.9072－10×1.0087)×(3×108)2J
D．释放的总能量为ΔE＝(235.0439＋1.0087－89.9077－135.9072－10×1.0087)×931.5MeV
解析：计算亏损质量时要用反应前的总质量减去反应后的总质量，二者之差可用“u”或“kg”作单位，故A错误，B正确；质量单位为“u”时，可直接用“1u的亏损放出能量931.5MeV”计算总能量，故D正确，当质量单位为“kg”时直接乘以(3.0×108)2，总能量单位才是焦耳，故C错误。

4．2011年3月由9.0级地震引发的海啸摧毁了日本福岛第一核电站的冷却系统，导致
大量13153I泄露在大气中，13153I是一种放射性物质，会发生β衰变而变成Xe元素。

下列说法中正确的是( BC )
A．福岛第一核电站是利用原子核衰变时释放的核能来发电
B．13153I发生β衰变的方程式为13153I→13154Xe＋0－1e
C．13153I原子核内有53个质子，78个中子
D．如果将碘131的温度降低到0度以下，可以延缓其衰变速度
解析：核电站是利用核裂变来发电，A错；根据原子核的结构和方程式书写规则可判BC 正确；衰变与物质所处的物理、化学状态无关，D错。

二、非选择题
5．(湖北省部分重点中学2015～2016学年高二下学期期中)在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。

核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量的核能。

(1)核反应方程23592U＋10n→14156Ba＋9236Kr＋a X是反应堆中发生的许多核反应中的一种，则a 的值为多少，X表示哪一种核？
(2)有一座核能发电站，发电能力P＝1×106kW，核能转化为电能的效率η＝45%，设反应堆中发生的裂变反应全是(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11J，铀核的质量m U＝3.9×10－25kg，求每年需要消耗的铀的质量。

(结果保留2位有效数字)
答案：(1)3 中子(2)0.98t
解析：(1)根据质量数和核电荷数守恒可得：
X的电荷数为0，质量数为1，X为中子，a＝3。

(2)该核能发电站一年发出的电能为：W1＝Pt＝1×109×365×24×3600J＝3.1536×1016J
需要核反应产生的能量为：W＝W1
η
＝7.008×1016J
这么多核能需要燃烧的铀核质量为m＝Wm U
2.78×10－11代入数据，解得：m＝980kg＝0.98t。