物理选修3-519.6《核裂变》ppt课件

为其他形式能的过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A 错，
D 对；发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于其临界体积，
否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反
应，B 错；重核裂变时，核子数守恒，C 错。 答案：D
2．(多选)关于铀核裂变，下列说法正确的是
()
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
4．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。
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。
发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水 泥防护层可以防止射线辐射到外面。
2．核电站发电的优点 (1)消耗的核燃料少。 (2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大。 (3)对环境的污染要比火力发电小。
[典例] 在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的 优点，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，释放出大量核能。
6．核污染的处理 为阻止 射线 对人体的伤害和 放射性物质 对水源、空气和工 作场所造成放射性污染，在反应堆外面需要修建很厚的 水泥层 ， 用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，核废料具有很强的 放射性 ， 需要装入特制容器，深埋地下。
1．自主思考——判一判
(1)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。(√)
(1)核反应方程式29325U＋10n→14516Ba＋9326Kr＋aX 是反应堆中发生 的许多核反应中的一种，10n 为中子，X 为待求粒子，a 为 X 的个数， 则 X 为________，a＝________。以 mU、mBa、mKr 分别表示23952U、 15461Ba、3962Kr 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＝ ________。
(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫 控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅 一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒 插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。
(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、 液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用 于推动蒸汽机，使发电机发电。
(2)铀核裂变时能释放出多个中子。
(√)
(3)控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的。
(√)
(4)核裂变释放的大量核能是通过在反应堆内外循环流动的液体传
输出去的。
(√)
(5)核电废料难以处理，对环境的污染比火电大。
(×)
2．合作探究——议一议 (1)铀核的裂变是一种天然放射现象吗？
提示：不是。铀核在受到中子轰击后才发生裂变，不是天然
[解析] (1)依据电荷数守恒和质量数守恒可判断 X 为01n，a 为 3，由质能方程知释放的能量为
ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2。
(2)因核电站的核能转化效率为 40%，故核电站消耗核能的 功率为 P′＝40P%＝4100%6 kW＝2.5×106 kW。
则核电站每年所需核能为 E＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J。 产生这些能量消耗的铀核的数目： n＝ΔEE＝72..87785××1100－1116≈2.83×1027(个) 故每年消耗29325U 的质量为 M＝nmU＝2.83×1027×390×10－27 kg＝1 103.7 kg。 [答案] (1)01n 3 (mU－mBa－mKr－2mn)c2
3．控制棒 为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收 中__子__的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入 深 一些，多吸收 一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫做控制棒。
4．能量输出 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，用 于 发电 。
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，故 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，故 B 正确；慢中子最容易引发铀核裂变，
(3)常见的裂变方程： ①29329325U＋10n→15464Ba＋3869Kr＋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，则另一个条件自动满足。 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。
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，C 正确。 而要引起链式反应，
需使铀块体积超过临界体积，故 D 错误。 答案：BC
3．核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，29325U 是 核电站常用的核燃料。23952U 受一个中子轰击后裂变成15464Ba 和8396 Kr 两部分，并产生______个中子。要使链式反应发生，裂变物 质的体积要______(选填“大于”或“小于”)它的临界体积。 解析：核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒，且该核反应方 程为：23952U＋10n→14546Ba＋8396Kr＋301n，即产生 3 个中子。临界体积 是发生链式反应的最小体积，要使链式反应发生，裂变物质的体 积要大于它的临界体积。 答案：3 大于
[典例] 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
()
A．这个实验的核反应方程是29325U＋01n→15464Ba＋8396Kr＋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
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，所以核子
数要减少
D．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：核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化
5．核能发电的效益 (1)一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗 30 吨 左右的浓缩铀， 而同样功率的火电站，每年要烧煤 250 万吨 。 (2)核电技术已经成熟，在经济效益方面也跟火力发电不相上下 。 (3)作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量所能提供的能量， 比煤、石油等所提供的能量大15 倍 左右，核电对环境的污染比火电小。
第6节
核裂变
1．核裂变：重核分裂为质量较小的核， 释放出核能的反应。
2．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。
3．链式反应的条件：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。
一、核裂变 1．核裂变 重核被 中子 轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并 放出 核能 的过程。 2．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＋10n→14546Ba＋8396Kr＋ 310n 。
(2)有一座发电能力为 P＝1.00×106 kW 的核电站，核能转 化为电能的效率 η＝40%。假定反应堆中发生的裂变反应全是本 题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能 ΔE＝ 2.78×10－11 J，铀核的质量 mU＝390×10－27 kg，求每年(1 年＝ 3.15×107 s)消耗的29325U 的质量。
3．链式反应 当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引 起其他重核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的 _链__式__反__应__。 4．链式反应的条件 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 。
二、核电站 1．核能释放的控制 通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为 核反应堆 。 2．慢化剂 反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放 “慢化剂”，常用的慢化剂有石墨 、重水 和 普通水。
(2)1 103.7 kg
(1)裂变核反应方程满足电荷数和质量数守恒。 (2)核电站向外输送的能量是一个个核反应释放核能累加 的结果，故 n＝ΔEE，M＝n·mU。
1．(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是
()
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
放射现象，属于核反应。 (2)铀核裂变的核反应方程是唯一的吗？
提示：不是。铀核裂变的生成物并不确定，所以其核反应方
程不是唯一的。
(3)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。
来计算
D．实验中产生的 γ 射线穿透能力极强
[思路点拨] (1)核反应方程必须满足质量数守恒和核电荷数守恒。 (2)核反应为放能反应时反应前粒子的质量之和一定大于反 应后粒子的质量之和。 [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：23952U＋10n―→15464Ba＋8396Kr＋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。 [答案] D
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，最好用铀 235 而不用铀 238
D．铀块的体积对产生链式反应无影响 解析：铀核受到中子的轰击，会引起裂变，放出 2～3 个中子，裂
变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性，只是裂变成两块的情
况多，也有的分裂成多块，A 错误，B 正确。铀 235 受慢中子的轰
核电站的工作原理及核力发电的优点 1．反应堆工作原理
图 19-6-1 (1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图 19-6-1 所示为简 化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀 235 的含 量占 2%～4%)制成，石墨(重水)为慢化剂，使反应生成的快中子变 为慢中子，便于铀 235 的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围。
对铀核裂变和链式反应的分析
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。