2018版高中物理第三章原子核3.5核裂變導(dǎo)學(xué)案教科版選修3-5

1、5 核裂變目標(biāo)定位1.知道核裂變的概念，知道重核裂變中能釋放出巨大能量2 知道什么是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，知道鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件 3 知道什么是核反應(yīng)堆，了解常用裂變反應(yīng)堆的類(lèi)型，了 解核電站及核能發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn) 預(yù)習(xí)尋學(xué)梳弁漢記點(diǎn)復(fù)一、 核裂變1 核裂變：重核被中子轟擊后分裂成兩個(gè)質(zhì)量差不多的新原子核，并放出核能的過(guò)程.2.鈾核裂變：用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的2351144891反應(yīng)是92 U+ on 56Ba+36Kr + 3on.3鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：當(dāng)一個(gè)中子引起一個(gè)鈾核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他鈾核裂變，且能不斷繼續(xù)下去，這種反應(yīng)叫核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng).4.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

2、的條件：發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于等于臨界體積.二、 核電站1 核電站：是利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆它主要由以下幾部分組成：(1)燃料：鈾棒減速劑：鈾 235 容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng)，可采用石墨、重水、普通水作減速劑.控制棒：為控制能量釋放的速度，需控制中子的數(shù)目，采用鎘棒作為控制棒來(lái)控制鏈?zhǔn)?反應(yīng)的速度.2工作原理：核燃料裂變釋放的能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高.3能量輸出：禾 U 用水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳 輸出去，用于發(fā)電.4核污染的處理：在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層屏蔽裂變反應(yīng)放出的各種 射線(xiàn)，核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地

3、_疑難問(wèn)題卡片卜預(yù)習(xí)完成后，請(qǐng)把你疑惑的問(wèn)題記錄在下面的表格中問(wèn)題 1問(wèn)題 2問(wèn)題 3猱童餅興丨一、對(duì)核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的理解 1核子受激發(fā)：當(dāng)中子進(jìn)入鈾 235 后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)2核，復(fù)核中由于核子的 激烈運(yùn)動(dòng)，使核變成不規(guī)則的形狀2核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用 而分裂成幾塊，同時(shí)放出 23 個(gè)中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會(huì)不 斷地進(jìn)行下去，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)3能量：鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量一般來(lái)說(shuō)，平均 每個(gè)核子放出的能量約為 1 MeV， 1 kg 鈾 235 全部裂變放出的能量相當(dāng)于 2

4、 800 t 優(yōu)質(zhì)煤燃 燒時(shí)釋放的能量，裂變時(shí)能產(chǎn)生幾萬(wàn)度的高溫4用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，其中兩種典型的反應(yīng)是：235114489192U+on56Ba+36Kr + 3n;235113690192U+on54Xe+38Sr + 1Oon【例 1】 關(guān)于重核的裂變，下列說(shuō)法正確的是 ()A. 核裂變時(shí)釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量B. 重核裂變時(shí)釋放出大量的能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)減少C. 鈾核自發(fā)放出a粒子、3粒子時(shí)要釋放能量，核電站利用的就是這一能量D. 重核的平均結(jié)合能小于中等質(zhì)量核的平均結(jié)合能，所以重核裂變成中等質(zhì)量核時(shí)，要放 出核能，有質(zhì)量虧損

5、答案 D解析 核電站利用的是裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所放出的核能 原子核的衰變以及人工核反應(yīng)也要釋放 核能，但天然衰變進(jìn)行得非常緩慢，放出的能量也很小，人工無(wú)法控制，實(shí)用價(jià)值不大，原 子核的人工轉(zhuǎn)變也放出能量， 但作為“炮彈”的粒子擊中原子核的機(jī)會(huì)太少， 這種做法得不 償失所以核能的獲取主要是通過(guò)裂變或聚變的途徑 平均結(jié)合能是核子結(jié)合成原子核時(shí)每 個(gè)核子平均放出的能量， 或原子核拆解成核子時(shí)每個(gè)核子平均吸收的能量 重核的平均結(jié)合 能小于中等質(zhì)量核的平均結(jié)合能， 即將重核分成核子時(shí)比中等質(zhì)量核分成核子時(shí)每個(gè)核子平 均吸收的能量小些， 可見(jiàn)由重核裂變成兩個(gè)中等質(zhì)量的核要放出能量，選項(xiàng) D 正確；鈾核裂變放出的

6、能量是原子核的核能，而不是中子具有的動(dòng)能， 選項(xiàng) A 錯(cuò)誤；裂變過(guò)程遵守質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒規(guī)律， B 錯(cuò)誤；衰變是自發(fā)的現(xiàn)象，鈾核衰變后的新核仍是重核，而核電站利用 的是裂變核能，選項(xiàng) C 錯(cuò)誤借題發(fā)揮 重核裂變的實(shí)質(zhì)(1) 重核裂變是中子轟擊質(zhì)量數(shù)較大的原子核，使之分裂成中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)釋放大 量的能量，放出更多的中子的過(guò)程(2) 重核的裂變是放能核反應(yīng)，原因是核反應(yīng)前后質(zhì)量有虧損，根本原因是重核的平均結(jié)合 能比中等質(zhì)量的核的平均結(jié)合能要小 所以在重核分解為兩個(gè)中等質(zhì)量核的過(guò)程中要釋放能 量，而且釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時(shí)得到的能量針對(duì)訓(xùn)練 1 （多選）關(guān)于鈾核裂變，下列說(shuō)法正確的是

7、（）3A. 鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，但只能裂變成兩種不同的核B.鈾核裂變時(shí)還能同時(shí)釋放23 個(gè)中子C.為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易進(jìn)行，最好用純鈾235D. 鈾塊的體積對(duì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無(wú)影響 答案 BC解析 鈾核受到中子的沖擊，會(huì)引起裂變，裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，具有極大的偶然性，但裂變成兩塊的情況比較多，也有的分裂成多塊，并放出幾個(gè)中子，鈾 235 受中子的轟擊時(shí)，裂變的概率大，而鈾 238 只有俘獲能量在 1 MeV 以上的中子才能引起裂變，且裂變的幾率小， 而要引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，需使鈾塊體積超過(guò)臨界體積，故B、C 正確.二、裂變過(guò)程中核能的分析和計(jì)算鈾核裂變釋放核能的計(jì)算1.首先算出裂變反應(yīng)中

8、發(fā)生的質(zhì)量虧損 m2根據(jù)E=AmC計(jì)算釋放的核能計(jì)算時(shí)注意Am與AE單位的對(duì)應(yīng)關(guān)系，若Am用 kg 做單位，AE用 J 做單位；Am用 u 做單位，AE用 MeV 做單位，1 u 相當(dāng)于 931.5 MeV 的能量.3若計(jì)算一定質(zhì)量的鈾塊完全裂變時(shí)放出的核能，應(yīng)先算出鈾塊中有多少個(gè)鈾核（設(shè)為n） ,則鈾塊裂變釋放的核能E=nAE【例 2】 現(xiàn)有的核電站比較廣泛采用的核反應(yīng)之一是：235. 11431092U+on6oNd+ Zr + 3on + 81e+ 丫（1）核反應(yīng)方程中的丫是中微子，它不帶電，質(zhì)量數(shù)為零，試確定生成物鋯（Zr）的電荷數(shù)與 質(zhì)量數(shù).已知鈾（U）核的質(zhì)量為 235.043 9

9、 u,中子質(zhì)量為 1.008 7 u,釹（Nd）核質(zhì)量為 142.909 8 u,鋯核質(zhì)量為 89.904 7 u ;又知 1 u = 1.660 6X1027kg，試計(jì)算 1 kg 鈾 235 大約能產(chǎn)生 的能量是多少？26答案 （1）4090（2）5.06X10 MeV解析（1）鋯的電荷數(shù)Z= 92 60 + 8= 40,質(zhì)量數(shù)A= 236 146 = 90;核反應(yīng)方程中應(yīng)用符號(hào)40Zr 表示.1 00023 24(2)1 kg 鈾 235 的鈾核數(shù)為n= _23 才X6.02X10 = 2.56X10 (個(gè))不考慮核反應(yīng)中生成的電子質(zhì)量，一個(gè)鈾核反應(yīng)發(fā)生的質(zhì)量虧損為Am= m+mnNdm

10、 3m= 0.212 u因此 1 kg 鈾 235 完全裂變產(chǎn)生的能量約為E=n AmX931.5 MeV=2.56X1024X0.212X931.5 MeV=5.06X1026MeV.4針對(duì)訓(xùn)練 2 用中子轟擊鈾核（1?U），其中的一個(gè)可能反應(yīng)是分裂成鋇（1561Ba）和氟（96Kr）兩部分，放出 3 個(gè)中子.各個(gè)核和中子的質(zhì)量如下：nu=390.313 9X10-27kg,m=1.674 9X10-27kg;2727na=234.001 6X10 kg,nkr=152.604 7X10 kg.試寫(xiě)出核反應(yīng)方程，求出反應(yīng)中釋放的核能.答案in + 雰一1Ba+32Kr + 30n 3.220

11、 2X1011J解析根據(jù)反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒和反應(yīng)中的能量守恒，就可以寫(xiě)出核反應(yīng)方程. 根據(jù)核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損，用愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程就可求出釋放的核能.鈾核裂變方程為0n+O2U15eBa+36Kr + 30n,則核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為27 .m=nu+nmanKr3m=0.357 8X10 kg.由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程可得釋放的核能為227Q 2E= me=0.357 8X10X（3X10 ） J=3.220 2X1011J.對(duì)慮竦習(xí)丨-Hh：-應(yīng)小對(duì)核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的理解1.裂變反應(yīng)中釋放出的能量來(lái)自于（）A. 核子消失轉(zhuǎn)化為能量B. 原子中電子與原子核的電勢(shì)能減小C. 入射的中子消

12、失轉(zhuǎn)化為能量D. 原子核的平均結(jié)合能變大，釋放出能量答案 D解析發(fā)生核反應(yīng)過(guò)程中，核子數(shù)保持守恒，中子未消失，故A、C 錯(cuò)誤，能量來(lái)自于原子核內(nèi)部，因重核在分裂為中等質(zhì)量的原子核時(shí)，平均結(jié)合能增加而釋放出能量，D 正確.2.（多選）鈾核裂變是核電站核能的重要來(lái)源，其一種裂變反應(yīng)1?U+ 0n15?Ba+36Kr + 30n,下列說(shuō)法正確的有（）A. 上述裂變反應(yīng)中伴隨著中子放出B. 鈾塊體積對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生無(wú)影響C. 鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可人工控制D. 鈾核的半衰期會(huì)受到環(huán)境溫度的影響5答案 AC解析從裂變反應(yīng)方程式可以看出裂變反應(yīng)中伴隨著中子放出，A 對(duì)；鈾塊體積對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)6的發(fā)生有影響，B 錯(cuò)；

13、鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可人工控制，C 對(duì)；鈾核的半衰期不會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，D 錯(cuò).核電站及裂變產(chǎn)生核能的計(jì)算3如圖 1 所示，鎘棒在核反應(yīng)堆中的作用是（）圖 1A. 使快中子變慢中子B. 使慢中子變快中子C. 使反應(yīng)速度加快D. 控制反應(yīng)速度，調(diào)節(jié)反應(yīng)速度的快慢答案 D節(jié)功率大小的作用.4.（多選）下面是鈾核裂變反應(yīng)中的一個(gè)：235U+0n154Xe+30Sr + 1O0n 已知鈾 235 的質(zhì)量為 235.043 9 u,中子質(zhì)量為 1.008 7 u，鍶 90 的質(zhì)量為 89.9077 u,氙 136 的質(zhì)量為 135.9072 u,則此核反應(yīng)中()A.質(zhì)量虧損為 m 235.043 9 u

14、+ 1.008 7 u 89.907 7 u 135.907 2 uB.質(zhì)量虧損為 m (235.043 9 + 1.008 7 89.907 7 135.907 2 10X1.008 7)uC.釋放的總能量為8 27)X(3X10 ) JE= (235.043 9+ 1.008 789.907 7135.907 210X1.008D.釋放的總能量為E= (235.043 9+ 1.008 789.907 7135.907 210X1.0087)X931 .5 MeV答案 BD解析計(jì)算虧損質(zhì)量時(shí)要用反應(yīng)前的總質(zhì)量減去反應(yīng)后的總質(zhì)量，二者之差可用“u”或“kg”作單位，故 A 錯(cuò)、B 對(duì)；質(zhì)量單

15、位為“時(shí)，可直接用“ 1 u 的質(zhì)量虧損放出能量 931.5 MeV”計(jì)算總能量，故 D 對(duì)，當(dāng)質(zhì)量單位為“ kg”時(shí)直接乘以（3.0X108）2,總能量單 位才是焦耳，故 C錯(cuò).解析 在核反應(yīng)堆中石墨起變快中子為慢中子的作用,鎘棒起吸收中子、控制反應(yīng)速度、調(diào)鈾俸扱反腕堆結(jié)構(gòu)7題組訓(xùn)練新處辱總測(cè)（ 時(shí)間： 60 分鐘 ）題組一 對(duì)核裂變的理解1（ 多選）當(dāng)一個(gè)重核裂變時(shí)，它能產(chǎn)生的兩個(gè)核（ ）A. 定是穩(wěn)定的B. 含有的中子數(shù)較裂變前重核的中子數(shù)少C. 裂變時(shí)釋放的能量等于俘獲中子時(shí)得到的能量D. 可以是多種形式的兩個(gè)核的組合答案 BD解析 重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)中等質(zhì)量的核時(shí)平均要放出23 個(gè)中子，

16、故中子數(shù)會(huì)減少，重核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，選項(xiàng)B D 正確.2下列核反應(yīng)中，屬于核裂變反應(yīng)的是（）A.105B+0ni3Li+；HeB.29fUR29；Th+2He144171C. 7N2He 83iH2351144891D.92U+on56Ba+36Kr + 3n答案 D解析 由核裂變反應(yīng)的特點(diǎn)知，D 正確.3利用重核裂變釋放核能時(shí)選鈾235，主要原因是 （）A. 它裂變放出核能比其他重核裂變放出的核能多B. 它可能分裂成三部分或四部分C. 它能自動(dòng)裂變，與體積無(wú)關(guān)D. 它比較容易形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)答案 D解析 鈾 235 發(fā)生裂變時(shí)會(huì)生成 23 個(gè)中子，中子再去轟擊鈾核發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，但發(fā)生鏈

17、式反應(yīng)還必須要使鈾塊體積大于臨界體積，所以選項(xiàng)A、B C 錯(cuò)誤，選項(xiàng) D 正確.4.29；U 吸收一個(gè)慢中子后，分裂成15?Xe 和9；Sr，同時(shí)還放出（）A. 個(gè)a粒子B. 個(gè)氘核C.三個(gè)中子D.兩個(gè)中子答案 C解析 該裂變反應(yīng)的方程為235U+0nT；JXe+38Sr + 3：n,放出的粒子只能是 3 個(gè)中子，故 C 正 確5.一個(gè)2925U 核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應(yīng)，其裂變方程為235U+站一 X+38sr+ 2：n,則下列敘述正確的是（）A. X 原子核中含有 86 個(gè)中子8B. X 原子核中含有 141 個(gè)核子C.因?yàn)榱炎儠r(shí)釋放能量，根據(jù)E=mC,所以裂變后的總質(zhì)量數(shù)增

18、加D. 因?yàn)榱炎儠r(shí)釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少答案 A解析 X 原子核中的核子數(shù)為（235 + 1） （94 + 2） = 140, B 錯(cuò)誤；中子數(shù)為 140 （92 38）=86，故 A 正確；裂變時(shí)釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，但是其總質(zhì)量數(shù)是不變的，故C D 錯(cuò)誤.題組二核反應(yīng)堆、核能的計(jì)算6.（多選）關(guān)于核反應(yīng)堆，下列說(shuō)法正確的是（）A. 鈾棒是核燃料，裂變時(shí)釋放核能B. 鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率C. 石墨的作用是吸收中子D. 冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱能答案 ABD解析 鈾棒是核燃料，裂變時(shí)可放出能量，故A 正確；鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)，作用是調(diào)節(jié)中子

19、數(shù)目以控制反應(yīng)速度，即控制反應(yīng)堆功率，故 B 正確；慢中子最容易引發(fā)核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進(jìn)行減速，石墨的作用是使中子減速，故 C 錯(cuò)誤；水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻，控制溫度，故 D 正確.7.1 個(gè)鈾 235 吸收 1 個(gè)中子發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，大約放出196 MeV 的能量，貝 U 1 g 純鈾 235 完全發(fā)生核反應(yīng)放出的能量為（2 為阿伏加德羅常數(shù)）（）A.NAX196 MeV B.235NAX196 MeVC. 235X196 MeV D.衛(wèi)x196 MeV235答案 D1解析1g 純235U 含有 215xM

20、 個(gè)235u.因此1g235U 吸收中子完全發(fā)生核反應(yīng)可以釋放出x196 MeV 能量.&當(dāng)前，發(fā)電站溫室氣體排放問(wèn)題引起了越來(lái)越多的關(guān)注，相比煤炭等傳統(tǒng)能源，核電能夠大幅降低二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉塵等物質(zhì)的排放，已成為世界快速發(fā)展的電力工業(yè).經(jīng)廣大科技工作者的不懈努力，我國(guó)的核電技術(shù)已進(jìn)入世界的先進(jìn)行列，世界各地現(xiàn)在正在興建的核電反應(yīng)堆達(dá)到57 座，我國(guó)以 20 座名列第一.核電站的最核心部分是核反2359235應(yīng)堆，核反應(yīng)堆中的燃料92U 產(chǎn)生裂變，在短時(shí)間內(nèi)釋放出大量的核能可供人類(lèi)利用核反應(yīng)堆中的鎘棒起 _作用，核反應(yīng)方程應(yīng)為 囂 U+_ 一92Kr +1561Ba+

21、30n.若其質(zhì)量分別為RU=390.313 9x1027kg ,m= 1.674 9x1027kg ,nBa= 234.001 6x1027kg ,一27=152.604 7X10 kg，核反應(yīng)中釋放的能量為E=_J.答案吸收中子控制核反應(yīng)速度On 3.22X10一11解析控制中子數(shù)可以控制反應(yīng)速度； m=m+mmamv 3mn= 0.357 8X10一27kg, E211=mc=3.22X10 J.9一個(gè)鈾 235 原子俘獲一個(gè)中子后，裂變?yōu)殡?39 和鍶 94,同時(shí)放出三個(gè)中子，寫(xiě)出核反應(yīng)方程并計(jì)算一個(gè)鈾核裂變時(shí)釋放的核能.已知nu= 235.043 94 u,nxe= 138.918 44 u,nsr=93.915 47 u ,m= 1.008 665 u , 1 u 相當(dāng)于 931.5 MeV.答案雰 11+0n1J?Xe+3；Sr + 30n 179.5 MeV解析核反應(yīng)方程為92U+ni54Xe+38Sr + 3n反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為m=(m+rm) ( me+mv+ 3m)=(235.043 94+1.008 665) u(138.918 44+93.915 47+3X1.008 665) u=0.192 7 u 所以，一個(gè)鈾核裂變釋放的