2017_2018学年高中物理第三章原子核第5节核裂变教学案教科版
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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 92
U +10n ―→144 56Ba +8936Kr +31
0n
[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 92U和239 94Pu(钚)等少数几种重
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] 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 +1
0n→139
54Xe +95
38
Sr +210n
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 5636Kr 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
235
U 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235
U 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 +31
0n ,
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
235
U 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235
U 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
235
U 的摩尔质量
为
M U =0.235 kg/mol ,所以