高中物理教科版选修3-5教学案：第三章 第5节 核裂变 Word版含答案

第5节核_裂_变
(对应学生用书页码P44)
一、核裂变
1．定义
重核分裂为几个中等质量原子核的过程。

2．裂变常见的方程
235
U＋10n―→144 56Ba＋8936Kr＋310n
92
[特别提醒]同一重核发生裂变时，产生的中等核可能不同。

二、链式反应
1．链式反应
一个反应过程的产物能够再次引起这种反应，从而使反应一旦开始就能自动延续下去，这种反应过程就称为链式反应。

2．临界体积
能够发生链式反应的裂变物质的最小体积。

三、核电站
1．核电站
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：燃料、慢化剂、控制棒。

2．工作原理
核燃料裂变释放能量，使反应区温度升高。

3．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。

4．注重核污染的防护
1．判断：
(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)铀核裂变时会吸收大量的能量。

()
(4)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变。

()
(5)核能发电对环境的污染比火力发电要小。

()
答案：(1)×(2)√(3)×(4)×(5)√
2．思考：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。

(对应学生用书页码P45)
对重核裂变和链式反应的分析
1.
(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：
①235 92U＋10n―→139 54Xe＋9538Sr＋210n
②235 92U＋10n―→141 56Ba＋9236Kr＋310n
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。

以上两个条件满足一个即可。

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最易发生链式反应
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。

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，但核子数不会减少
D．所有重核元素用中子轰击均能发生裂变反应
解析：选C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
俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，因此其释放的能量是远大于其俘
获中子时吸收的能量的。

发生链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于临界体积。

如果
体积过小，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
子数是不会减少的，因此选项A、B错误，C正确。

用中子轰击235
U和239 94Pu(钚)等少数几种
92
重元素才能发生裂变反应，D错误。

裂变反应堆
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：
组成部分材料作用
裂变材料
浓缩铀(235 92U)提供核燃料
(核燃料)
慢化剂
石墨、重水或普通水使裂变产生的快中子减速(减速剂)
控制棒镉吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层石墨阻止中子逃逸
热交换器水产生高温蒸气，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
2．铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是()
A．铀块的质量是重要因素，与体积无关
B．为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子
C．若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生
D．裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关
解析：选C要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于临界体积(或临界质量)，故
A、D错，C对，铀235俘获慢中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的几率小，
故B错。

(对应学生用书页码P45)
重核的裂变
[例1] 发电站的核能来源于235
92U 的裂变，现有4种说法：
①235
92U 原子核中有92个质子，有143个中子
②235
92U 的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为：235
92U ＋10n →139
54Xe
＋9538Sr ＋21
0n
③235
92U 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235
92U 裂变能放出200 MeV 的能量，合3.2×10－11
J
以上说法中正确的是( ) A ．①②③ B ．②③④ C ．①③④
D ．①②④
[解析] 由235
92U 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，故正确选项为D 。

[答案] D
裂变核能的计算
[例2] 铀核(235
92 5636 92 5636
以及中子的质量分别是235.043 9 u 、140.913 9 u 、91.897 3 u 和1.008 7 u 。

(1)试写出铀核裂变反应方程，并计算1个235U 核裂变时放出的核能；
(2)我国秦山核电站的装机容量为3.0×105 kW ，假如全部235U 都能够发生这样的裂变，释放核能的1.2%可转化为电能，试由此估算电站1年要消耗多少235
92U?
[解析] (1)根据裂变的生成物及核反应前后质量数守恒，由核电荷数守恒可确定产生中子的数目。

235
92
U ＋10n ―→141
56Ba ＋9236Kr ＋310n ，
核反应中的质量亏损为
Δm ＝235.043 9 u －140.913 9 u －91.897 3 u －2×1.008 7 u ＝0.2153 u 根据质能方程可知每一个235U 核裂变所释放的能量为 ΔE ＝Δmc 2＝0.215 3×1.66×10－27
×(3×108)2 J
＝3.22×10
－11
J 。

(2)电站1年所产生的电能为E ＝Pt ，t ＝365×24×360 0 s 。

每摩尔235U 全部裂变所释放的能量为N A ·ΔE ，N A 为阿伏加德罗常数，而235U 的摩尔质
量为
M U＝0.235 kg/mol，所以
m＝Pt
ηN AΔE M U
＝3×108×365×24×360 0×0.235 1.2%×3.22×10－11×6×1023
kg
＝9.6×103 kg。

[答案]见解析
(对应学生用书页码P46) 1．下列说法正确的是()
A．α粒子大角度散射表明α粒子很难进入原子内部
B．氢原子跃迁发出的光从空气射入水时可能发生全反射
C．裂变反应有质量亏损，质量数不守恒
D．γ射线是一种波长很短的电磁波
解析：选Dα粒子大角度散射现象说明原子中原子核很小，原子内部十分“空旷”，
A错误；发生全反射的条件之一是光由光密介质向光疏介质中传播，故光从空气射入水中，不可能发生全反射，B错误；所有的核反应都遵循电荷数与质量数守恒，反应过程中，质量有亏损，C错误；γ射线是一种电磁波，且频率很高，波长很短，D正确。

2．关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是()
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
解析：选C镉棒并不能释放中子，也不能使中子减速，对铀核裂变也没有阻碍作用，而是利用其对中子吸收能力强的特点，控制中子数量的多少而控制核反应速度，故C正确。

3．下列核反应中，表示核裂变的是()
A.238 92U→234 90Th＋42He
B.14 6C→14 7N＋0－1e
C.235 92U＋10n→141 56Ba＋9236Kr＋310n
D.94Be＋42He→12 6C＋10n
解析：选C核反应中有四种不同类型的核反应，它们分别是衰变、人工转变、重核裂
变、轻核聚变，其中衰变有α衰变、β衰变等。

238
92
U→234 90Th＋42He是α衰变，14 6C→14 7N＋0－1e 是β衰变，94Be＋42He→12 6C＋10n是人工转变，只有C选项是重核裂变。

4.235 92U吸收一个慢中子后，分裂成139 54Xe和9438Sr，同时还放出()
A．一个α粒子B．一个氘核
C．三个中子D．两个中子
解析：选C该裂变反应的方程为235 92U＋10n→139 54Xe＋9438Sr＋310n，放出的粒子只能是3个中子，故C正确。

5．现已建成的核电站发电的能量来自于()
A．天然放射性元素衰变放出的能量
B．人工放射性同位素放出的能量
C．重核裂变放出的能量
D．化学反应放出的能量
解析：选C现在核电站所用原料主要是铀，利用铀裂变放出的核能发电，故C项正确。

6．关于铀核裂变，下述说法中正确的是()
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．铀块的体积对产生链式反应无影响
解析：选BC铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，并放出几个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小。

而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积。

故上述选项B、C正确。

7．(广东高考)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应式是235 92U＋10n→144 56Ba ＋8936Kr＋310n。

下列说法正确的有()
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：选AC本题考查裂变反应的特点及条件、原子核半衰期的特点，意在考查考生对原子核不同变化形式的区别的掌握。

从铀核裂变方程可以看出，反应中伴随着中子放出，A项正确；铀块的体积必须大于临界体积才能发生链式反应，B项错误；通过控制中子数可以控制链式反应，C项正确；铀核的半衰期与物理、化学状态无关，因此不受环境影响，D 项错误。

8．1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(N A为阿伏加德罗常数)()
A．N A×196 MeV B．235N A×196 MeV
C．235×196 MeV D.N A
235×196 MeV
解析：选D由于1 mol的铀核质量为235 g,1 g铀235的物质的量为1
235mol，因此1 g 铀235释放的能量
E＝N A
235×196 MeV，故D正确。

9．贫铀炸弹是一种杀伤力很强的武器，贫铀是提炼铀235以后的副产品，其主要成分为铀238，贫油炸弹不仅有很强的穿甲能力，而且铀238具有放射性，残留物可长期对环境起破坏作用而造成污染。

人长期生活在该环境中会受到核辐射而患上皮肤癌和白血病。

下列叙述错误的是()
A．铀238的衰变方程式为：238 92U―→234 90Th＋42He
B.235 92U和238 92U互为同位素
C．人患皮肤癌和白血病是因为核辐射导致了基因突变
D．贫铀弹的穿甲能力很强，也是因为它的放射性
解析：选D铀238具有放射性，放出一个α粒子，变成钍234，A正确。

铀238和铀235质子数相同，互为同位素，B正确。

核辐射能导致基因突变，是皮肤癌和白血病的诱因之一，C正确。

贫铀弹的穿甲能力很强，是因为它的弹芯是由高密度、高强度、高韧性的铀合金组成，袭击目标时产生高温化学反应，所以其爆炸力、穿透力远远超过一般炸弹，D错。

10．曾落在日本广岛上的原子弹，相当于2万吨TNT炸药放出的能量。

原子弹放出的能量约8.4×1013 J，试问有多少个235 92U原子核进行分裂？该原子弹中含铀235 92U的质量最小限度为多少千克？(一个铀235 92U原子核分裂时所产生的能量约为200 MeV)
解析：一个235 92U原子核分裂时所产生的能量约为
200 MeV＝200×106 eV＝2.0×108×1.6×10－19 J
＝3.2×10－11 J。

设共有n个235 92U核发生裂变：
n＝8.4×1013
3.2×10－11
个≈2.6×1024个，
铀的质量m＝235×10－3×2.6×1024
6.02×1023
kg≈1.015 kg。

答案：2.6×1024个 1.015 kg
11．若235 92U俘获一个中子裂变成9038Sr及136 54Xe两种新核，且三种原子核的质量分别为235.043 9 u、89.907 7 u和135.907 2 u，中子质量为1.008 7 u(1 u＝1.660 6×10－27 kg,1u·c2相当于931.50 MeV)
(1)写出铀核裂变的核反应方程；
(2)求9.2 kg纯铀235完全裂变所释放的能量是多少？(取两位有效数字)
解析：(1)235 92U＋10n―→9038Sr＋136 54Xe＋1010n。

(2)因为一个铀核裂变的质量亏损
Δm＝(235.043 9 u＋1.008 7 u)－(89.907 7 u＋135.907 2 u＋10×1.008 7 u)＝0.150 7 u，故9.2 kg的铀裂变后总的质量亏损为
ΔM＝6.02×1023×0.150 7×9.2×103/235 u
＝3.55×1024 u，
所以ΔE＝ΔMc2＝3.55×1024×931.50 MeV
＝3.3×1027 MeV。

答案：(1)235 92U＋10n―→9038Sr＋136 54Xe＋1010n
(2)3.3×1027 MeV。