高中物理人教版5本冊總復習總復習 第19章6核裂變

6核裂變學習目標知識脈絡1.知道裂變反應，了解裂變反應堆的工作原理及常用的裂變反應堆的類型．2．知道什么是鏈式反應及其發(fā)生的條件．3．了解原子彈的原理．4．知道核電站的工作模式及核能發(fā)電的優(yōu)缺點.核裂變eq\a\vs4\al([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．鏈式反應當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，這種反應叫核裂變的鏈式反應．4．鏈式反應的條件發(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\a\vs4\al([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)量時鏈式反應才能不停地進行下去．(√)3．鈾核裂變時能釋放出多個中子．(√)eq\a\vs4\al([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．2．鈾核裂變的核反應方程是唯一的嗎？【提示】不是．鈾核裂變的生成物并不確定，所以其核反應方程不是唯一的．eq\a\vs4\al([合作探討])原子彈一般應該由兩部分組成，一是常規(guī)炸藥部分，一是核部分，核部分是由分成幾塊的裂變核材料組成，每一塊都在臨界體積以下，引爆時，借助常規(guī)炸藥在極短時間內(nèi)，將這幾塊核材料合成一體，使總體積超過臨界體積，從而發(fā)生鏈式反應．探討1：為什么鈾塊的體積小于臨界體積時不能發(fā)生鏈式反應？【提示】如果每次裂變放出的中子平均有一個能再度引起裂變反應，或者說每一代裂變產(chǎn)生的中子數(shù)不少于上一代的中子數(shù)，裂變反應就能維持下去．當鈾塊的體積過小時，裂變產(chǎn)生的中子有的可能從裂變物質(zhì)中漏出去，有的可能被雜質(zhì)吸收，所以鏈式反應未必能持續(xù)下去．探討2：裂變反應發(fā)生后，裂變反應物的質(zhì)量增加還是減??？為什么？【提示】減?。炎兎磻尫糯罅康哪芰浚园l(fā)生質(zhì)量虧損，反應后的質(zhì)量減?。甧q\a\vs4\al([核心點擊])1．鈾核的裂變和裂變方程(1)核子受激發(fā)：當中子進入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復核，復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．鏈式反應的條件(1)鈾塊的體積大于臨界體積．(2)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于2800t標準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．4．鈾的同位素中鈾235比鈾238更易發(fā)生鏈式反應在天然鈾中，主要有兩種同位素，%的是鈾238，%的是鈾235，中子能引起這兩種鈾核發(fā)生裂變，但它們和中子發(fā)生作用的情況不同．(1)鈾235：俘獲各種能量的中子都會發(fā)生裂變，且俘獲低能量的中子發(fā)生裂變的概率大．(2)鈾238：只有俘獲能量大小1MeV的中子才能發(fā)生裂變，且裂變的幾率小．能量低于1MeV的中子只與鈾核發(fā)生彈性碰撞，不引起裂變．因此，為了使鏈式反應容易發(fā)生，最好利用純鈾235.1．關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是()A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量B．中子從鈾塊中通過時，一定發(fā)生鏈式反應C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，但核子數(shù)不變D．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時，放出核能E．核裂變釋放的能量來源于裂變過程的質(zhì)量虧損【解析】核裂變釋放的能量來源于裂變過程的質(zhì)量虧損，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程，其能量遠大于俘獲中子時吸收的能量，A錯誤，D、E正確．發(fā)生鏈式反應是有條件的，鈾塊的體積必須大于其臨界體積，否則中子從鈾塊中穿過時，可能碰不到原子核，則不會發(fā)生鏈式反應，B錯誤．重核裂變時，核子數(shù)守恒，C正確．【答案】CDE2．鈾是常用的一種核燃料，若它的原子核發(fā)生了如下的裂變反應：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(A,Z)Sr＋2eq\o\al(1,0)n，則A＝________，Z＝________.【解析】根據(jù)核反應中的質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒可知，A＝94，B＝38.【答案】9438對重核裂變的兩點理解(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，同時釋放大量的能量，放出更多的中子的過程．(2)重核的裂變是放能核反應，原因是核反應前后質(zhì)量有虧損，根本原因是重核的比結(jié)合能相比中等質(zhì)量的核的比結(jié)合能要?。栽谥睾朔纸鉃閮蓚€中等質(zhì)量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量．核電站eq\a\vs4\al([先填空])1．核能釋放的控制通過可控制的鏈式反應實現(xiàn)核能釋放的裝置稱為核反應堆．2．慢化劑反應堆中，為了使裂變產(chǎn)生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，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，反應過于激烈時，可將其插入深一些，多吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些，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區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應堆外循環(huán)流動，把反應堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電．5．核能發(fā)電的效益(1)一座百萬千瓦級的核電站，每年只消耗30噸左右的濃縮鈾，而同樣功率的火電站，每年要燒煤250萬噸．(2)核電技術(shù)已經(jīng)成熟，在經(jīng)濟效益方面也跟火力發(fā)電eq\a\vs4\al(不相上下).(3)作為核燃料的鈾、釷等在地球上的可采儲量所能提供的能量，比煤、石油等所提供的能量大15倍左右．核電對環(huán)境的污染比火電?。?．核污染的處理為阻止射線對人體的傷害和放射性物質(zhì)對水源、空氣和工作場所造成放射性污染，在反應堆外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線，核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制容器，深埋地下．eq\a\vs4\al([再判斷])1．控制棒是通過吸收中子多少來控制鏈式反應速度的．(√)2．核裂變釋放的大量核能是通過在反應堆外循環(huán)流動的液體傳輸出去的．(√)3．核電廢料難以處理，對環(huán)境的污染比火電大．(×)eq\a\vs4\al([后思考])1．核反應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，可以控制鏈式反應的速度．2．慢化劑的作用是什么？是為了減慢裂變速度嗎？【提示】慢化劑的作用是使快中子減速，以便于中子與鈾核作用發(fā)生鏈式反應，不是為了減慢裂變速度，而是為了提高中子的利用率．eq\a\vs4\al([合作探討])核電站的核心設施是核反應堆，所用的核燃料為鈾235，為控制核能的釋放速度，反應堆中用到了慢化劑和控制棒．探討1：原子彈和核電站都利用了重核的裂變，兩者有何不同？【提示】原子彈殺傷力強大的原因是核能在極短的時間內(nèi)釋放出來；而核電站是在人工控制下利用核能來發(fā)電，這是核能的和平利用．探討2：核電站是如何控制反應速度的？【提示】利用鎘棒插入深淺控制中子的數(shù)量而達到控制反應速度的目的．eq\a\vs4\al([核心點擊])1．核電站的主要組成核電站的核心設施是核反應堆，反應堆用的核燃料是鈾235，它的主要部件列表如下：部件名稱慢化劑控制棒熱循環(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，控制反應速度把反應堆內(nèi)的熱量傳輸出去屏蔽射線，防止放射性污染2.反應堆工作原理(1)熱源：在核電站中，核反應堆是熱源，如圖19-6-1為簡化的核反應堆示意圖：鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)為慢化劑，使反應生成的快中子變?yōu)槁凶樱阌阝?35的吸收，發(fā)生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍．19-6-1反應堆示意圖(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反應速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應速度加快，采用電子儀器自動調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應的劇烈程度．(3)冷卻劑：核反應釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時通過水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反應堆內(nèi)外循環(huán)流動，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動蒸汽機，使發(fā)電機發(fā)電．發(fā)生裂變反應時，會產(chǎn)生一些有危險的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面．3．核電站發(fā)電的優(yōu)點(1)消耗的核燃料少．(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大．(3)對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電?。?．關(guān)于核反應堆，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堆的功率C．鈾棒的作用是控制反應堆的功率D．石墨的作用是吸收中子E．冷卻劑的作用是控制反應堆的溫度和輸出熱能【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)目以控制反應速度，即控制反應堆功率，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；水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應堆冷卻，控制溫度，故E正確．【答案】ABE4．原子反應堆是實現(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)．【解析】核反應堆的主要部分包括①燃料，即濃縮鈾235；②慢化劑，采用石墨、重水和普通水；③控制棒，控制鏈式反應的速度；④冷卻系統(tǒng)，水或液態(tài)鈉等流體在反應堆外循環(huán)流動，把反應堆的熱量傳輸出去用于發(fā)電．【答案】減速劑、冷卻系統(tǒng)5．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\f(220,235)××1023×106××10－19J＝×1013J電功率P＝ηeq\f(ΔE,t)＝eq\f×1013×25%,24×3600)W＝×107W.【答案】×107W1核電站釋放的核能是一個個核反應釋放核能積累的結(jié)果：E＝n·ΔE，ΔE＝Δmc2，n＝eq\f(m,Mmol)·NA.2發(fā)電站用于發(fā)電的能量只占所釋放核能的一部分，則E電＝ηE.學業(yè)分層測評(十七)(建議用時：45分鐘)[學業(yè)達標]1．當一個重核裂變時，它能產(chǎn)生的兩個核()A．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．裂變時釋放的能量等于俘獲中子時得到的能量D．可以是多種形式的兩個核的組合E．含有的質(zhì)子數(shù)與裂變前重核的質(zhì)子數(shù)相等【解析】重核裂變?yōu)閮蓚€中等質(zhì)量的核時平均要放出2個或3個中子，裂變釋放的能量比俘獲中子的能量大，C錯誤．質(zhì)子數(shù)不變，中子數(shù)會減少，故B、E正確．重核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，故A錯誤，D正確．【答案】BDE2．在下列四個方程中，X1、X2、X3、X4各代表某種粒子，判斷正確的是()①eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(95,38)Sr＋eq\o\al(138,54)Xe＋3X1②eq\o\al(2,1)H＋X2→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n③eq\o\al(238,92)U→23490Th＋X3④eq\o\al(24,12)Mg＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(27,13)Al＋X4A．X1是中子 B．X2是質(zhì)子C．X3是α粒子 D．X4是氚核E．X4是質(zhì)子【解析】根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可得X1的電荷數(shù)為0，質(zhì)量數(shù)為1，因此確定X1為中子，A對；根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可得X2的電荷數(shù)為1，質(zhì)量數(shù)為2，因此確定X2為氘核，B錯；根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可得X3的電荷數(shù)為2，質(zhì)量數(shù)為4，因此確定X3為α粒子，C對；根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可得X4的電荷數(shù)為1，質(zhì)量數(shù)為1，因此確定X4為質(zhì)子，D錯E正確．【答案】ACE3．關(guān)于鈾核裂變，下列說法正確的是()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．鈾核裂變時還能同時釋放2～3個中子C．為了使裂變的鏈式反應容易進行，最好用鈾235而不用鈾238D．鈾塊的體積對產(chǎn)生鏈式反應無影響E．要產(chǎn)生鏈式反應，應使鈾塊的體積達到或超過臨界體積【解析】鈾核受到中子的轟擊，會引起裂變，放出2～3個中子，裂變的產(chǎn)物是各種各樣的，具有極大的偶然性，只是裂變成兩塊的情況多，也有的分裂成多塊，A錯誤，B正確．鈾235受慢中子的轟擊時，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，C正確．而要引起鏈式反應，需使鈾塊體積超過臨界體積，故D錯誤E正確．【答案】BCE4．一個原子核eq\o\al(235,92)U在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應，其裂變方程為eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→X＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n，則下列敘述正確的是()A．X原子核中含有140個核子B．X原子核中含有86個中子C．因為裂變時釋放能量，所以裂變后粒子的總質(zhì)量數(shù)增加D．因為裂變時釋放能量，所以裂變后粒子的總質(zhì)量數(shù)減少E．因為裂變時釋放能量，所以裂變過程一定有質(zhì)量虧損【解析】由核反應方程的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知：X原子核中含有92－38＝54個質(zhì)子，235＋1－94－2－54＝86個中子.86＋54＝140個核子；故A正確，B正確；據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程可知，質(zhì)量虧損時釋放能量不是質(zhì)量變成了能量，而是虧損的質(zhì)量以能量的形式釋放，但質(zhì)量數(shù)依然守恒，故C錯誤，D錯誤E正確．【答案】ABE5．鏈式反應中，重核裂變時放出的可使裂變不斷進行下去的粒子是________．【解析】重核的裂變需要中子的轟擊，在鏈式反應中，不斷放出高速的中子使裂變可以不斷進行下去．【答案】中子6．1個鈾235核吸收1個中子發(fā)生核反應時，大約放出196MeV的能量，則1g純鈾235完全發(fā)生核反應放出的能量為________MeV.【解析】1g純鈾235有eq\f(1,235)×NA個鈾235核．因此1g純鈾235吸收中子完全發(fā)生核反應可以釋放出eq\f(NA,235)×196MeV能量＝×1023MeV.【答案】×10237．(2023·江蘇高考)核電站利用原子核鏈式反應放出的巨大能量進行發(fā)電，eq\o\al(235,92)U是核電站常用的核燃料.eq\o\al(235,92)U受一個中子轟擊后裂變成eq\o\al(144,56)Ba和eq\o\al(89,36)Kr兩部分，并產(chǎn)生________個中子．要使鏈式反應發(fā)生，裂變物質(zhì)的體積要________(選填“大于”或“小于”)它的臨界體積．【解析】核反應方程遵守質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，且該核反應方程為：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，即產(chǎn)生3個中子．臨界體積是發(fā)生鏈式反應的最小體積，要使鏈式反應發(fā)生，裂變物質(zhì)的體積要大于它的臨界體積．【答案】3大于8．在核反應中，控制鈾235核裂變反應速度的方法是什么？【解析】控制鈾235核裂變反應速度的方法是控制中子的數(shù)量，其有效方法是用吸收中子能力很強的鎘棒插入鈾燃料周圍，鎘棒插入的深度不同，就會控制中子的數(shù)目，達到控制核反應的目的．【答案】通過自動控制裝置，改變鎘棒插入的深度，以改變中子數(shù)[能力提升]9．1938年哈恩用中子轟擊鈾核，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中有原子核鋇(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射線．下列關(guān)于這個實驗的說法中正確的是()A．這個實驗的核反應方程是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)nB．這是一個核裂變過程，反應后粒子質(zhì)量之和大于反應前粒子質(zhì)量之和C．這個反應中釋放出的能量可以用愛因斯坦的光電效應方程來計算D．實驗中產(chǎn)生的γ射線，其穿透能力極強E．實驗中產(chǎn)生的γ射線的頻率很高【解析】根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，鈾核裂變的核反應方程應為：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，選項A正確；鈾核裂變過程中，產(chǎn)生γ射線，放出能量，發(fā)生質(zhì)量虧損，釋放的能量根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程計算，選項B、C不正確；核反應中產(chǎn)生的γ射線頻率很高，穿透能力極強，是能量極高的光子，選項D、E正確．【答案】ADE10．我國秦山核電站第三期工程中有兩組60萬千瓦的發(fā)電機組，發(fā)電站的核能來源于eq\o\al(235,92)U的裂變，下列說法正確的是()\o\al(235,92)U原子核中有92個質(zhì)子，143個中子；\o\al(235,92)U的一種可能裂變是變成兩個中等質(zhì)量的原子核，反應方程為eq\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；\o\al(235,92)U是天然放射性元素，常溫下它的半衰期約為45億年，升高溫度半衰期縮短；D．一個eq\o\al(235,92)U裂變能放出200MeV的能量，合×10－11J.E．通過改變半衰期來控制鏈式反應的速度【解析】由eq\o\al(235,92)U的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)關(guān)系易知A正確；由核反應方程中電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒知B正確；半衰期不受外界因素干擾，故C、E錯誤；因為200MeV＝200×106××10－19J＝×10－11J，所以D正確．【答案】ABD11．已知eq\o\al(235,92)U(質(zhì)量為9u)裂變后生成eq\o\al(141,56)Ba(質(zhì)量為9u)和eq\o\al(92,36)Kr(質(zhì)量為3u)，同時放出3個中子(每個中子質(zhì)量為7u)，則1kg鈾全部裂變所放出的能量相當于多少千克優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時放出的能量？(1kg優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時產(chǎn)生×107J的熱量)【導學號：66390057】【解