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

5核裂變.2.知道什么是鏈?zhǔn)剑勰繕?biāo)定位］1.2.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) .用習(xí)導(dǎo)學(xué)I' m蜷型灌震(謝a』流撥一、核裂變.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..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235 1 144 89 1反應(yīng)92U+0n 56Ba+36Kr+30n..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)..鏈?zhǔn)椒磻?yīng)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.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(2)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.(3)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)椒磻?yīng)的速度..工作原理：核燃料裂變釋放的能量,使反應(yīng)區(qū)溫度升高..能量輸出：利用水或液態(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..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，核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器,深埋地下或海底.疑堆問(wèn)題卡片預(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律堂訓(xùn)義律堂訓(xùn)義問(wèn)題1問(wèn)題2問(wèn)題3、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)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2?3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1MeV，1kg鈾235全部裂變放出的能量相當(dāng)于 2800t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：TOC\o"1-5"\h\z235 1 144 89 192U+0n 56Ba+36Kr+3on;235 1 136 90 192U+0n 54Xe+38Sr+100n【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“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)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．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?。栽谥睾朔纸鉃閮蓚€(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 （ ）A.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 2?3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1MeV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.首先算出裂變反應(yīng)中發(fā)生的質(zhì)量虧損 Am.根據(jù)AE=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故單位，1u相當(dāng)于931.5MeV的能量..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 1 143 — 1 092U+0n-60Nd+Zr+30n+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，試確定生成物錯(cuò)（Zr）的電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù).（2）已知鈾（U）核的質(zhì)量為235.0439u,中子質(zhì)量為1.0087u,鉉（Nd）核質(zhì)量為142.9098u,錯(cuò)核質(zhì)量為89.9047u;又知1u=1.6606*10-27kg,試計(jì)算1kg鈾235大約能產(chǎn)生的能量是多少？答案（1）40 90（2）5.06X1026MeV解析（1）錯(cuò)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.（2）1kg鈾235的鈾核數(shù)為n=1^00X6.02X1023=2.56X1024（個(gè)）235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=nu+m—nNd-mr—3m=0.212u因此1kg鈾235完全裂變產(chǎn)生的能量約為E=n?ArrK931.5MeV=2.56X1024X0.212X931.5MeV=5.06X1026MeV.針對(duì)訓(xùn)練2用中子轟擊鈾核（$U）,其中的一個(gè)可能反應(yīng)是分裂成根 （^Ba）和氟（36Kr）兩部分，放出3個(gè)中子.各個(gè)核和中子的質(zhì)量如下：nu=390.3139X1027kg,m=1.6749X1027kg；nBa=234.0016X1027kg,mKr=152.6047x1027kg.試寫(xiě)出核反應(yīng)方程，求出反應(yīng)中釋放的核能.答案in+235UI~~>1561Ba+92Kr+30n3.2202X1011J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.11?--rr~t、r1 235.. 141__ 92_,入1鈾核裂變方程為cn+92UI—>56Ba+36Kr+3cn,則核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為, 八 八八?__c “一27,Am=m）+m—nBa—mv—3m=0.3578X10kg.由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程可得釋放的核能為AE=AmC=0.3578X1027X（3X108）2J=3.2202X1011J.對(duì)點(diǎn)練習(xí)I .由-M噫二觀固步應(yīng)用:,反雄對(duì)核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的理解.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AC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..（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) 235UI+1n-15?Ba+89Kr+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)的發(fā)生有影響，B錯(cuò)；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.如圖1所示，鎘棒在核反應(yīng)堆中的作用是( )岫悻根后鹿堆桀構(gòu)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)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+0n—>156Xe+90Sr+100n已知鈾235的質(zhì)量為235.0439u,中子質(zhì)量為1.0087u,鋸90的質(zhì)量為89.9077u,氤136的質(zhì)量為135.9072u,則此核反應(yīng)中（ ）A.質(zhì)量虧損為Am^235.0439u+1.0087u-89.9077u-135.9072uB.質(zhì)量虧損為Am^=(235.0439+1.0087-89.9077-135.9072—10X1.0087)uC.釋放的總能量為 A E= (235.0439 +1.0087-89.9077 -135.9072 —10X1.0087)X(3X108)2JD.釋放的總能量為 A E= (235.0439 +1.0087-89.9077 -135.9072 —10X1.0087)X931.5MeV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)量單位為“u”時(shí)，可直接用“1u的質(zhì)量虧損放出能量931.5MeV”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).(時(shí)間：60分鐘)題組一對(duì)核裂變的理解．(多選)當(dāng)一個(gè)重核裂變時(shí)，它能產(chǎn)生的兩個(gè)核 ( )一定是穩(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 2?3個(gè)中子，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．TOC\o"1-5"\h\z2．下列核反應(yīng)中，屬于核裂變反應(yīng)的是 ( )A.105B+：n-7Li+4He238 234 492UH>90Th+2HeC.147N^4He^17881HD.22ui+Onf事Ba+39Kr+31n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 2?3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?zhǔn)椒磻?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．4.292^吸收一個(gè)慢中子后，分裂成159Xe和94Sr,同時(shí)還放出( )A.一個(gè)a粒子 B.一個(gè)笊核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+0n^1539Xe+98Sr+30n,放出的粒子只能是 3個(gè)中子，故C正確．5.一個(gè)235U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 $U+0nX+34Sr＋210n，則下列敘述正確的是 ( )X原子核中含有86個(gè)中子X(jué)原子核中含有141個(gè)核子C.因?yàn)榱炎儠r(shí)釋放能量，根據(jù) E=m（2,所以裂變后的總質(zhì)量數(shù)增加D.因?yàn)榱炎儠r(shí)釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少答案A解析X原子核中的核子數(shù)為（235+1）—（94+2）=140,B錯(cuò)誤；中子數(shù)為140—（92—38）=86,故A正確；裂變時(shí)釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，但是其總質(zhì)量數(shù)是不變的，故GD錯(cuò)誤.題組二核反應(yīng)堆、核能的計(jì)算6.（多選）關(guān)于核反應(yīng)堆，下列說(shuō)法正確的是 （ ）A.鈾棒是核燃料，裂變時(shí)釋放核能B.鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率C.石墨的作用是吸收中子D.冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱能答案ABD解析鈾棒是核燃料，裂變時(shí)可放出能量，故A正確；鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)， 作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，即控制反應(yīng)堆功率， 故B正確；慢中子最容易引發(fā)核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進(jìn)行減速， 石墨的作用是使中子減速，故C錯(cuò)誤；水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)， 把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去， 用于發(fā)電，同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻，控制溫度，故D正確.個(gè)鈾235吸收1個(gè)中子發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，大約放出 196MeV的能量，則1g純鈾235完全發(fā)生核反應(yīng)放出的能量為（N為阿伏加德羅常數(shù)）（ ）A.MX196MeVB.235NAX196MeVc NAC.235X196MeVD.235x196MeV答案D解析1g純235u含有二XM個(gè)235U.因此1g235u吸收中子完全發(fā)生核反應(yīng)可以釋放出 裊235 235X196MeV能量..當(dāng)前，發(fā)電站溫室氣體排放問(wèn)題引起了越來(lái)越多的關(guān)注，相比煤炭等傳統(tǒng)能源，核電能夠大幅降低二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉塵等物質(zhì)的排放， 已成為世界快速發(fā)展的電力工業(yè).經(jīng)廣大科技工作者的不懈努力， 我國(guó)的核電技術(shù)已進(jìn)入世界的先進(jìn)行列， 世界各地現(xiàn)在正在興建的核電反應(yīng)堆達(dá)到 57座，我國(guó)以20座名列第一.核電站的最核心部分是核反235應(yīng)堆，核反應(yīng)堆中的燃料92U產(chǎn)生裂變，在短時(shí)間內(nèi)釋放出大量的核能可供人類(lèi)利用.核反應(yīng)堆中的鎘棒起作用，核反應(yīng)方程應(yīng)為$U+―92Kr+MBa+30n.若其質(zhì)量分別為mu=390.3139X1027kg,m=1.6749X1027kg,nBa=234.0016X1027kg,抽=152.6047X10—27kg,核反應(yīng)中釋放的能量為 AE=J.答案吸收中子控制核反應(yīng)速度 0n3.22X1011解析控制中子數(shù)可以控制反應(yīng)速度；Am=mu+m—mBa—mKr—3mn=0.3578x1027kg,AE=AmC=3.22X1011J..一個(gè)鈾235原子俘獲一個(gè)中子后，裂變?yōu)殡?139和鋸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 mu=235.04394u,mxe=138.91844u,msr=93.91547u,mn=1.008665u,1u相當(dāng)于931.5MeV.答案235UI+1n-1549Xe+98Sr+薪179.5MeV_l-j-i—■v-->.-ri-t、r235..1 139__ 94 11斛析核反應(yīng)方程為92U+°n-54Xe+38Sr+30n反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為Ami=(mU+m)—(mXe+mSr+3mn)=(235.04394+1.008665)u—(138.91844+93.91547+3X1.008665)u=0.1927u所以，一個(gè)鈾核裂變釋放的核能為AE=0.1927X931.5MeV=179.5MeV.在所有能源中核能具有能量密度大、 區(qū)域適應(yīng)性強(qiáng)的