高中物理原子核核裂變教科選修PPT課件

1、一、核裂變1.1.定義: :重核分裂成幾個(gè)_原子核的現(xiàn)象稱為核裂變。2.2.鈾核 的裂變方程式: :_ 23592U2351144891 920 56360UnBaKr3 n中等質(zhì)量第1頁/共54頁【想一想】在重核裂變過程中, ,核反應(yīng)滿足電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒。鈾裂變的產(chǎn)物是否只有上述一種呢? ?提示提示: :鈾裂變的產(chǎn)物是多種多樣的鈾裂變的產(chǎn)物是多種多樣的, ,一般裂變?yōu)閮刹糠忠话懔炎優(yōu)閮刹糠? ,也可以裂變成三部分或四部分。在不同的裂變中也可以裂變成三部分或四部分。在不同的裂變中, ,釋放釋放的能量也不同。的能量也不同。19471947年我國著名物理學(xué)家錢三強(qiáng)、何年我國著名物理學(xué)家錢三強(qiáng)

2、、何澤慧夫婦首先觀察到中子轟擊鈾核的三分裂現(xiàn)象。澤慧夫婦首先觀察到中子轟擊鈾核的三分裂現(xiàn)象。第2頁/共54頁二、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)1.1.鏈?zhǔn)椒磻?yīng): :如果一個(gè)反應(yīng)過程的產(chǎn)物能夠_引發(fā)這種反應(yīng), ,從而使反應(yīng)一旦開始后就能_延續(xù)下去的反應(yīng)過程。2.2.臨界體積: :能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裂變物質(zhì)的_體積。再次自動(dòng)最小第3頁/共54頁【想一想】重核的裂變能夠自發(fā)地進(jìn)行嗎? ?提示提示: :不能自發(fā)地進(jìn)行不能自發(fā)地進(jìn)行, ,只能發(fā)生在人工控制的核反應(yīng)只能發(fā)生在人工控制的核反應(yīng)中中, ,只有達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件時(shí)只有達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件時(shí), ,才會(huì)發(fā)生重核的裂變。才會(huì)發(fā)生重核的裂變。第4頁/共54頁三、核電站1.1.

3、核電站: :利用核能發(fā)電, ,它的核心設(shè)施是_,_,它主要由以下幾部分組成: :(1)(1)燃料:_:_。(2)(2)減速劑: :鈾235235容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng), ,采用_、重水或普通水作減速劑。核反應(yīng)堆鈾棒石墨第5頁/共54頁(3)(3)控制棒: :為了控制能量釋放的速度, ,就要想辦法調(diào)節(jié)中子的數(shù)目, ,采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法, ,利用鎘_的特性, ,就可以容易地控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度。2.2.工作原理: :核燃料_釋放能量, ,使反應(yīng)區(qū)溫度升高。吸收中子裂變第6頁/共54頁3.3.能量輸出: :核反應(yīng)堆工作時(shí)放出的熱量, ,由一回路系統(tǒng)的_(_(通常是水或液態(tài)的金屬鈉等) )帶出

4、, ,用以產(chǎn)生蒸汽。4.4.核污染的處理: :為了保證核電站的安全, ,新建的核電站設(shè)有核燃料芯塊的_、回路系統(tǒng)的密封設(shè)施以及核電站的_三道屏障。冷卻劑密封包殼安全外殼第7頁/共54頁【判一判】(1)(1)核電站利用的燃料是氫。( () )(2)(2)核電站是把核能直接轉(zhuǎn)化為電能的。( () )(3)(3)核廢料的處理一定不能隨便存放。( () )第8頁/共54頁提示提示: :(1)(1)核電站的燃料是鈾核電站的燃料是鈾,(1),(1)錯(cuò)。錯(cuò)。(2)(2)核電站是利用核反應(yīng)堆中產(chǎn)生的熱量核電站是利用核反應(yīng)堆中產(chǎn)生的熱量, ,來加熱水來加熱水使之變成蒸汽使之變成蒸汽, ,用蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電

5、的用蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電的,(2),(2)錯(cuò)。錯(cuò)。(3)(3)用過的鈾棒仍有強(qiáng)烈的放射性用過的鈾棒仍有強(qiáng)烈的放射性, ,所以核廢料的處理所以核廢料的處理一定要使其不能產(chǎn)生二次污染一定要使其不能產(chǎn)生二次污染, ,要密封后深埋處理要密封后深埋處理, ,(3)(3)對(duì)。對(duì)。第9頁/共54頁知識(shí)點(diǎn)一、重核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)思考探究: :如圖為核裂變示意圖。第10頁/共54頁(1)(1)重核裂變是一種天然現(xiàn)象嗎? ?(2)(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)? ?第11頁/共54頁【歸納總結(jié)】1.1.裂變的發(fā)現(xiàn):1938:1938年, ,德國化學(xué)家、物理學(xué)家哈恩等發(fā)現(xiàn)用中子轟擊鈾核的產(chǎn)物中含有中等質(zhì)

6、量的原子核鋇和氪。第12頁/共54頁2.2.鈾核的裂變: :(1)(1)核子受激發(fā): :中子打進(jìn)鈾235235后, ,形成一個(gè)新的處于激發(fā)態(tài)的核, ,其中的核子發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)。(2)(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 23 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, ,釋放出越來越多的核能。第13頁/共54頁(3)(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。一般說來, ,平均每個(gè)核子放出的能量約為1MeV,1kg1MeV,1kg鈾235

7、235全部裂變放出的能量相當(dāng)于2800t2800t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時(shí)釋放的能量, ,裂變時(shí)能產(chǎn)生幾萬度的高溫。第14頁/共54頁3.3.重核裂變的條件: :如果鈾塊體積不夠大, ,生成的中子從鈾塊中通過時(shí)可能還沒有碰到鈾核就跑到鈾塊外面去了, ,所以發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)時(shí)鈾塊的體積必須大于臨界體積。第15頁/共54頁【特別提醒】(1)(1)重核裂變是人為的核反應(yīng), ,自然界中不會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生裂變。(2)(2)用中子轟擊鈾核時(shí), ,鈾核發(fā)生裂變, ,釋放出更多的中子又引起其他鈾核的裂變, ,這樣不斷繼續(xù)下去, ,中子會(huì)不斷增加, ,裂變反應(yīng)就會(huì)不斷加強(qiáng), ,形成了裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。第16頁/共54頁【典例探究】【

8、典例】( (多選) )關(guān)于重核的裂變, ,以下說法正確的是( () )第17頁/共54頁A.A.核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的B.B.能否發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與鈾塊的體積無關(guān)C.C.重核裂變時(shí), ,產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損, ,所以核子數(shù)要減少D.D.重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時(shí), ,要發(fā)生質(zhì)量虧損, ,放出核能第18頁/共54頁【思路點(diǎn)撥思路點(diǎn)撥】解答本題應(yīng)注意以下三點(diǎn)解答本題應(yīng)注意以下三點(diǎn): :(1)(1)重核裂變時(shí)核能的來源是什么。重核裂變時(shí)核能的來源是什么。(2)(2)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件如何。發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件如何。(3)(3)裂變反應(yīng)遵循哪些規(guī)律。裂變反應(yīng)遵循哪些規(guī)律。第19頁/共54頁【正確解答正確解答】

9、選選A A、D D。鈾核的裂變產(chǎn)物是多種多樣。鈾核的裂變產(chǎn)物是多種多樣的的,A,A正確正確; ;如果鈾塊體積不夠大如果鈾塊體積不夠大, ,生成的中子從鈾塊中生成的中子從鈾塊中通過時(shí)可能還沒有碰到鈾核就跑到鈾塊外面去了通過時(shí)可能還沒有碰到鈾核就跑到鈾塊外面去了, ,能否能否發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與鈾塊體積有關(guān)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與鈾塊體積有關(guān),B,B錯(cuò)錯(cuò); ;重核裂變時(shí)核子數(shù)重核裂變時(shí)核子數(shù)守恒守恒,C,C錯(cuò)錯(cuò); ;核裂變時(shí)釋放的能量來源于裂變過程的質(zhì)量核裂變時(shí)釋放的能量來源于裂變過程的質(zhì)量虧損虧損,D,D正確。正確。第20頁/共54頁【總結(jié)提升】有關(guān)重核裂變的理解(1)(1)反應(yīng)特點(diǎn): :重核裂變成中等質(zhì)量的核

10、。(2)(2)裂變過程滿足質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒。(3)(3)裂變過程中有質(zhì)量虧損, ,放出能量。(4)(4)利用裂變產(chǎn)生的中子轟擊其他原子, ,發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 第21頁/共54頁【過關(guān)訓(xùn)練】1.1.鈾核裂變時(shí), ,對(duì)于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的重要因素, ,下列說法中正確的是( () )第22頁/共54頁A.A.鈾塊的質(zhì)量是重要因素, ,與體積無關(guān)B.B.為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生, ,最好直接利用裂變時(shí)產(chǎn)生的中子C.C.若鈾235235的體積超過它的臨界體積, ,裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就能夠發(fā)生D.D.能否發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與鈾塊的質(zhì)量無關(guān)第23頁/共54頁【解析解析】選選C C。要使鈾核裂變產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。要使鈾核裂

11、變產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng), ,鈾塊的體鈾塊的體積必須大于臨界體積或鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量積必須大于臨界體積或鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量, ,只要只要組成鈾塊的體積小于臨界體積或質(zhì)量小于臨界質(zhì)量就組成鈾塊的體積小于臨界體積或質(zhì)量小于臨界質(zhì)量就不會(huì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的中子為快中子不會(huì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的中子為快中子, ,這些快中子不能直接引發(fā)新的裂變這些快中子不能直接引發(fā)新的裂變, ,如果鈾塊的質(zhì)量大如果鈾塊的質(zhì)量大, ,則其體積大則其體積大, ,若超過臨界體積則發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)若超過臨界體積則發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng), ,由此知由此知A A、B B、D D錯(cuò)誤錯(cuò)誤,C,C正確。正確。第24頁/共54頁2.

12、(2.(多選) )下列核反應(yīng)方程, ,屬于裂變反應(yīng)的有( () )271244130112235114489192056360235190136 1920385402382344 992 20A. AlnNaHeB.UnBaKr3 nC.UnSrXe 10 nD.UThHe第25頁/共54頁【解析解析】選選B B、C C。重核分裂成幾個(gè)中等質(zhì)量原子核的。重核分裂成幾個(gè)中等質(zhì)量原子核的現(xiàn)象稱為核裂變現(xiàn)象稱為核裂變,A,A錯(cuò)錯(cuò);D;D項(xiàng)是項(xiàng)是衰變衰變, ,故選故選B B、C C。第26頁/共54頁知識(shí)點(diǎn)二、對(duì)核電站進(jìn)一步認(rèn)識(shí)思考探究: :目前核電發(fā)電量約占全球總發(fā)電量的16%,16%,其中法國高達(dá)

13、80%80%左右, ,目前全球在建核電機(jī)組6060多臺(tái), ,主要集中在中國、印度、俄羅斯等國家。請(qǐng)思考以下問題: :第27頁/共54頁(1)(1)核電站的核心設(shè)施是什么? ?(2)(2)核反應(yīng)堆的工作原理是什么? ?(3)(3)核能利用帶來的技術(shù)和社會(huì)問題有哪些? ?第28頁/共54頁【歸納總結(jié)】1.1.核電站使原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在人工的控制下進(jìn)行, ,將釋放的核能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能, ,再由汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。2.2.核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆, ,反應(yīng)堆用的核燃料是濃縮鈾235,235,它的主要部件及作用列表如下。第29頁/共54頁部件名部件名稱稱減速劑減速劑控制棒控制棒熱循環(huán)介熱循環(huán)介質(zhì)質(zhì)

14、保護(hù)層保護(hù)層采用的采用的材料材料石墨、重水石墨、重水或普通水或普通水( (有時(shí)叫輕有時(shí)叫輕水水) )鎘鎘水或液態(tài)水或液態(tài)鈉鈉很厚的水很厚的水泥外殼泥外殼作用作用降低中子速降低中子速度度, ,便于鈾便于鈾235235吸收吸收吸收中吸收中子子, ,控制控制反應(yīng)速反應(yīng)速度度進(jìn)行內(nèi)外進(jìn)行內(nèi)外循環(huán)循環(huán), ,把熱把熱量傳輸出量傳輸出去去屏蔽射線屏蔽射線, ,防止放射防止放射性污染性污染第30頁/共54頁3.3.反應(yīng)堆工作原理: :(1)(1)在核電站中, ,核反應(yīng)堆是熱源, ,如圖為簡化的核反應(yīng)堆示意圖: :鈾棒是燃料, ,由天然鈾或濃縮鈾( (鈾235235的含量占3%3%4%)4%)制成, ,石墨(

15、(重水) )為減速劑, ,使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶? ,便于鈾235235的吸收, ,發(fā)生裂變, ,減速劑附在鈾棒周圍。第31頁/共54頁第32頁/共54頁(2)(2)鎘棒的作用是吸收中子, ,控制反應(yīng)速度, ,所以也叫控制棒。控制棒插入深一些, ,吸收中子多, ,反應(yīng)速度變慢, ,插入淺一些, ,吸收中子少, ,反應(yīng)速度加快, ,采用電子儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)控制棒的升降, ,就能使反應(yīng)堆安全正常地工作。第33頁/共54頁(3)(3)核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能, ,這時(shí)通過水、液態(tài)鈉等作冷卻劑, ,在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng), ,把內(nèi)能傳輸出去, ,用于推動(dòng)蒸汽機(jī), ,使發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)

16、, ,會(huì)產(chǎn)生一些有危險(xiǎn)的放射性物質(zhì), ,很厚的水泥防護(hù)層可以防止射線輻射到外面。第34頁/共54頁4.4.核電站發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn): :(1)(1)優(yōu)點(diǎn): :消耗的核燃料少, ,一座百萬千瓦級(jí)的核電站, ,一年只消耗濃縮鈾30t30t左右, ,同樣功率的火電站每年要消耗250250萬噸優(yōu)質(zhì)煤; ;對(duì)環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小。第35頁/共54頁(2)(2)缺點(diǎn): :用過的鈾棒仍然具有強(qiáng)烈的放射性。這些廢料的放射性在幾萬年到幾百萬年內(nèi)仍有潛在的危害, ,因此規(guī)劃核廢料的處理是一個(gè)非常麻煩的問題。第36頁/共54頁【特別提醒】用水( (輕水或重水) )和石墨作為減速材料, ,放在燃料棒四周, ,使中子速度

17、減慢以有助于鈾235235發(fā)生裂變。減速后的中子能量最后都變?yōu)闊崮? ,所以這種速度變慢的中子稱為熱中子。第37頁/共54頁【典例探究】【典例】( (多選) )關(guān)于核反應(yīng)堆, ,下列說法正確的是( () )A.A.鈾棒是核燃料, ,裂變時(shí)釋放核能B.B.鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率C.C.石墨的作用是吸收中子D.D.冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱能第38頁/共54頁【思路點(diǎn)撥思路點(diǎn)撥】解答本題的關(guān)鍵是弄清核反應(yīng)堆的主要解答本題的關(guān)鍵是弄清核反應(yīng)堆的主要結(jié)構(gòu)和各個(gè)部分的作用。結(jié)構(gòu)和各個(gè)部分的作用。第39頁/共54頁【解析解析】選選A A、B B、D D。鈾棒是核燃料。鈾棒是核燃料, ,裂

18、變時(shí)可放出能裂變時(shí)可放出能量量, ,故故A A正確正確; ;鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng), ,作用是調(diào)節(jié)中作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度子數(shù)目以控制反應(yīng)速度, ,即控制反應(yīng)堆功率即控制反應(yīng)堆功率, ,故故B B正確正確; ;慢中子最容易引發(fā)核裂變慢中子最容易引發(fā)核裂變, ,所以在快中子碰到鈾棒前要所以在快中子碰到鈾棒前要進(jìn)行減速進(jìn)行減速, ,石墨的作用是使中子減速石墨的作用是使中子減速, ,故故C C錯(cuò)誤錯(cuò)誤; ;水或液水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)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)的把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去熱量傳輸出去, ,用于發(fā)電用于發(fā)電, ,同

19、時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻, ,控制溫控制溫度度, ,故故D D正確。正確。第40頁/共54頁【過關(guān)訓(xùn)練】在核反應(yīng)堆中, ,為了使快中子減速成為慢中子, ,必須用重水或石墨作減速劑, ,使快中子跟減速劑的原子核相碰撞( (設(shè)這些碰撞為彈性正碰),),以達(dá)到減速的目的。你認(rèn)為用原子量大的作減速劑好, ,還是用原子量小的作減速劑效果好? ?試作相應(yīng)說明和計(jì)算。( (設(shè)減速劑原子核原來是靜止的) )第41頁/共54頁【解析解析】因中子與減速劑原子核發(fā)生彈性碰撞因中子與減速劑原子核發(fā)生彈性碰撞, ,碰撞過碰撞過程中動(dòng)量和能量都守恒。程中動(dòng)量和能量都守恒。設(shè)中子質(zhì)量為設(shè)中子質(zhì)量為m,m,減速劑原

20、子核質(zhì)量為減速劑原子核質(zhì)量為M,M,中子的初速度中子的初速度為為v v0 0, ,有有mvmv0 0=mv=mv1 1+Mv+Mv2 2 解得解得v v1 1= = 222012111mvmvMv ,2220mMv ,mM第42頁/共54頁可見可見, ,當(dāng)當(dāng)M M越接近越接近m m時(shí)時(shí),v,v1 1越小越小, ,即原子量小的減速效果好。即原子量小的減速效果好。答案答案: :見解析見解析第43頁/共54頁【溫馨提升】裂變是重核裂變成中等質(zhì)量的核, ,裂變的產(chǎn)物往往不是唯一的。所有核反應(yīng)的依據(jù)都是實(shí)驗(yàn)事實(shí), ,不能僅憑質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒杜撰裂變反應(yīng)方程式。 第44頁/共54頁【拓展例題】考查內(nèi)容:

21、 :對(duì)裂變反應(yīng)的理解下列核反應(yīng)中, ,表示核裂變的是( () )23823449290214140671235114192192056360941 214260 A.UThHeB. CNeC.UnBaKr3 nD. BeHeCn第45頁/共54頁【思路點(diǎn)撥思路點(diǎn)撥】核裂變是重核分裂成幾個(gè)中等質(zhì)量原子核裂變是重核分裂成幾個(gè)中等質(zhì)量原子核的現(xiàn)象核的現(xiàn)象. .第46頁/共54頁【正確解答正確解答】選選 是是衰變衰變是是衰變衰變 是人工轉(zhuǎn)變是人工轉(zhuǎn)變, ,只有只有C C選項(xiàng)是重選項(xiàng)是重核裂變核裂變. .23823449292 0 UThHe14140671CNe941214260BeHeCn第47頁/

22、共54頁裂變問題的分析方法1.1.對(duì)于裂變問題, ,要知道是什么原子核發(fā)生了裂變, ,寫出原子核的裂變方程. .應(yīng)注意裂變方程的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)要守恒; ;更應(yīng)注意的是, ,原子核的裂變方程必須是能夠?qū)嶋H發(fā)生的, ,不能隨意編造。也就是說, ,實(shí)際發(fā)生的核裂變必然是反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒, ,但質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒的核反應(yīng)方程不一定能夠發(fā)生。第48頁/共54頁2.2.計(jì)算反應(yīng)前后原子核的質(zhì)量虧損。根據(jù)質(zhì)能方程E=mcE=mc2 2計(jì)算出一個(gè)原子核裂變時(shí)釋放的能量。3.3.計(jì)算出總的原子核個(gè)數(shù)N,N,則釋放的總能量為E=NEE=NE。第49頁/共54頁【案例展示】一個(gè)鈾235235原子俘獲一個(gè)中子后, ,裂變?yōu)殡?39139和鍶94,94,同時(shí)放出三個(gè)中子, ,寫出核反應(yīng)方程并算出一個(gè)鈾核裂變時(shí)釋放的核能. .已知m mU U= =235.043 94u,m235.043 94u,mXeXe=138.918 4