高中物理教科版5第三章原子核核裂變 2023版第3章核裂變

5.核裂變學(xué)習(xí)目標(biāo)知識脈絡(luò)1.知道核裂變的概念，知道重核裂變中能釋放出巨大的能量．(重點)2.知道什么是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．(重點)3.會計算重核裂變過程中釋放出的能量．(重點)4.知道什么是核反應(yīng)堆．了解常用裂變反應(yīng)堆的類型．(難點)核裂變與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)eq\o([先填空])1．核裂變重核被中子轟擊后分裂成兩個質(zhì)量差不多的新原子核，并放出核能的過程．2．鈾核裂變用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應(yīng)是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n.3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)當(dāng)一個中子引起一個重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，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)的條件發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于臨界體積或裂變物質(zhì)的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量．eq\o([再判斷])1．鈾核的裂變是一種天然放射現(xiàn)象．(×)2．鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量時鏈?zhǔn)椒磻?yīng)才能不停地進行下去．(√)3．鈾核裂變時能釋放出多個中子．(√)eq\o([后思考])1．鈾核的裂變是一種天然放射現(xiàn)象嗎？【提示】不是．鈾核在受到中子轟擊后才發(fā)生裂變，不是天然放射現(xiàn)象，屬于核反應(yīng)．2．鈾核裂變的核反應(yīng)方程是唯一的嗎？【提示】不是．鈾核裂變的生成物并不確定，所以其核反應(yīng)方程不是唯一的．1．鈾核的裂變和裂變方程(1)核子受激發(fā)：當(dāng)中子進入鈾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動，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，同時放出2或3個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進行下去，釋放出越來越多的核能．(3)常見的裂變方程①eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n.②eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n.2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件(1)有慢中子轟擊．(2)鈾塊的體積大于臨界體積，或鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量．以上兩個條件滿足一個，則另一個條件自動滿足．3．裂變反應(yīng)的能量：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．一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變放出的能量相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產(chǎn)生幾百萬度的高溫．1．(多選)關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是()A．核裂變釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時得到的能量B．鈾核裂變在自然界中會自發(fā)地產(chǎn)生C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少D．由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能【解析】根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變釋放能量的原理分析可知，裂變時因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程，因而釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時吸收的能量；重核裂變只能發(fā)生在人為核反應(yīng)中；在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會減少的，因此A正確，B、C錯誤．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時，由于平均質(zhì)量減小，必然發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能，所以D正確．【答案】AD2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，重核裂變時放出的可使裂變不斷進行下去的粒子是________.【導(dǎo)學(xué)號：22482048】【解析】重核的裂變需要中子的轟擊，在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，不斷放出高速的中子使裂變可以不斷進行下去．【答案】中子3．現(xiàn)有的核電站比較廣泛采用的核反應(yīng)之一是：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(143,60)Nd＋Zr＋3eq\o\al(1,0)n＋8eq\o\al(0,－1)e＋ν(1)核反應(yīng)方程中的ν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)；(2)已知鈾(U)核的質(zhì)量為3u，中子質(zhì)量為7u，釹(Nd)核質(zhì)量為8u，鋯核質(zhì)量為7u．又知1u＝6×10－27kg，試計算，1kg鈾235大約能產(chǎn)生的能量是多少？【解析】(1)根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，可得Zr的電荷數(shù)Z＝92－60＋8＝40質(zhì)量數(shù)A＝236－143－3×1＝90.(2)方法一：質(zhì)量虧損Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝4u.一個鈾核裂變釋放能量ΔE＝Δm×MeV＝4×MeV≈MeV1kg鈾核含有的原子核數(shù)為n＝eq\f(1000,235)××1023個≈×1024個1kg鈾核產(chǎn)生的能量E總＝n·ΔE＝××1024MeV≈×1026MeV＝×1026×106××10－19J≈×1013J.方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝4u＝4×6×10－27kg≈×10－28kgΔE＝Δmc2＝×10－28×(3×108)2J＝×10－11Jn＝eq\f(1000,235)××1023個≈×1024個E總＝nΔE＝×1024××10－11J≈×1013J.【答案】(1)4090(2)×1013J重核裂變核能計算的方法解答這類問題，一般是先根據(jù)核反應(yīng)方程求出一個重核裂變時發(fā)生的質(zhì)量虧損，由質(zhì)能方程計算出釋放的能量，然后用阿伏伽德羅常數(shù)把核能與重核質(zhì)量聯(lián)系起來；另外，在計算過程中要注意單位的統(tǒng)一．核電站eq\o([先填空])1．核能釋放的控制通過可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實現(xiàn)核能釋放的裝置稱為核反應(yīng)堆．2．減速劑反應(yīng)堆中，為了使裂變產(chǎn)生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“減速劑”，常用的慢化劑有石墨、重水和普通水．3．控制棒為了控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒，它吸收中子的能力很強，反應(yīng)過于激烈時，可將其插入深一些，多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會慢一些，這種鎘棒叫做控制棒．4．能量輸出核燃料裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電．5．核污染及防護核廢料具有強烈的放射性，并且持續(xù)時間非常長．為保證核電站的安全，新建的核電站設(shè)有核燃料芯塊的密封包殼、回路系統(tǒng)的密封設(shè)施及核電站的安全殼．eq\o([再判斷])1．核反應(yīng)堆可以人工控制核反應(yīng)速度．(√)2．減速劑的作用使快中子減速變成慢中子．(√)3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)一旦形成無法進行人工控制．(×)eq\o([后思考])1．核反應(yīng)堆中的控制棒是由什么制成的？控制棒起什么作用？【提示】控制棒由鎘棒制成，鎘吸收中子的能力很強，在鈾棒之間插進一些鎘棒，可以控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度．2．減速劑的作用是什么？是為了減慢裂變速度嗎？【提示】減速劑的作用是使快中子減速，以便于中子與鈾核作用發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，不是為了減慢裂變速度，而是為了提高中子的利用率．1．核電站的主要組成核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆，反應(yīng)堆用的核燃料是鈾235，它的主要部件列表如下：部件名稱減速劑控制棒熱循環(huán)介質(zhì)保護層采用的材料石墨、重水或普通水(也叫輕水)鎘水或液態(tài)鈉很厚的水泥外殼作用降低中子速度，便于鈾235吸收吸收中子，控制反應(yīng)速度把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去屏蔽射線，防止放射性污染2.核反應(yīng)堆與原子彈爆炸的比較原子彈爆炸時鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度是無法控制的，為了用人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使核能比較平緩地釋放出來，人們制成了核反應(yīng)堆(核電站的核心設(shè)施)．核反應(yīng)堆是人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置．4．(多選)關(guān)于核反應(yīng)堆，下列說法正確的是()A．鈾棒是核燃料，裂變時釋放核能B．鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率C．鈾棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率D．石墨的作用是吸收中子【解析】鈾棒是核燃料，裂變時可放出能量，故A正確；鎘棒吸收中子的能力很強，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，C錯誤；慢中子最容易引發(fā)鈾核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進行減速，石墨的作用是使中子減速，故D錯誤．【答案】AB5．原子反應(yīng)堆是實現(xiàn)可控制的重核裂變的一種裝置，它主要由四部分組成，即原子燃料、________、________、控制調(diào)節(jié)系統(tǒng).【導(dǎo)學(xué)號：22482049】【解析】核反應(yīng)堆的主要部分包括①燃料，即濃縮鈾235；②減速劑，采用石墨、重水和普通水；③控制棒，控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度；④冷卻系統(tǒng)，水或液態(tài)鈉等流體在反應(yīng)堆外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆的熱量傳輸出去用于發(fā)電．【答案】減速劑冷卻系統(tǒng)6．每晝夜消耗220g鈾235的原子能發(fā)電站，如果效率為25%，它能產(chǎn)生的電功率為多大？(每個鈾核裂變時放出的能量是200MeV)【解析】一晝夜消耗的鈾所能產(chǎn)生的核能為：ΔE＝200×eq