高中物理第三章原子核第5节核裂变教学案教科选修3-5

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