山东省专用2018-2019学年高中物理第十九章原子核第6节核裂变讲义含解析新人教版选修3 .doc

第6节 核裂变1.核裂变：重核分裂为质量较小的核，释放出核能的反应。2链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。3链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于临界体积，或裂变物质的质量大于临界质量。一、核裂变1核裂变重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程。2铀核裂变用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是UnBaKr3n。3链式反应当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应。4临界体积和临界质量把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。5链式反应的条件发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量。二、核电站1核能释放的控制通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆。2慢化剂反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水和普通水。3控制棒为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫做控制棒。4能量输出核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。5核能发电的效益(1)一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗30吨左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要烧煤250万吨。(2)核电技术已经成熟，在经济效益方面也跟火力发电不相上下。(3)作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量所能提供的能量，比煤、石油等所提供的能量大15倍左右，核电对环境的污染比火电小。6核污染的处理为阻止射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染，在反应堆外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制容器，深埋地下。1自主思考判一判(1)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。()(2)铀核裂变时能释放出多个中子。()(3)控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的。()(4)核裂变释放的大量核能是通过在反应堆内外循环流动的液体传输出去的。()(5)核电废料难以处理，对环境的污染比火电大。()2合作探究议一议(1)铀核的裂变是一种天然放射现象吗？提示：不是。铀核在受到中子轰击后才发生裂变，不是天然放射现象，属于核反应。(2)铀核裂变的核反应方程是唯一的吗？提示：不是。铀核裂变的生成物并不确定，所以其核反应方程不是唯一的。(3)慢化剂的作用是什么？是为了减慢裂变速度吗？提示：慢化剂的作用是使快中子减速，以便于中子与铀核作用发生链式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率。对铀核裂变和链式反应的分析1铀核的裂变和裂变方程(1)核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2或3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能。(3)常见的裂变方程：UnXeSr2n。UnBaKr3n。2链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积。(2)铀块的质量大于临界质量。以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足。3裂变反应的能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温。4铀235比铀238更易发生链式反应在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是铀238，0.7%的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同。(1)铀235：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大。(2)铀238：只有俘获能量大于1 MeV的中子才能发生裂变，且裂变的几率小。能量低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变。因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235。典例1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些射线。下列关于这个实验的说法中正确的是()A这个实验的核反应方程是UnBaKrnB这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和C这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算D实验中产生的射线穿透能力极强思路点拨(1)核反应方程必须满足质量数守恒和核电荷数守恒。(2)核反应为放能反应时反应前粒子的质量之和一定大于反应后粒子的质量之和。解析根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：UnBaKr3n，选项A不正确；铀核裂变过程中产生射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B、C不正确；核反应中产生的射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项D正确。答案D对重核裂变的两点理解(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。1链式反应中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是()A质子B中子C粒子 D粒子解析：选B重核裂变链式反应发生依靠中子不断地轰击原子核使得裂变不断进行下去，故选项B正确。2多选关于铀核裂变，下列说法正确的是()A铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B铀核裂变时还能同时释放23个中子C为了使裂变的链式反应容易进行，最好用铀235而不用铀238D铀块的体积对产生链式反应无影响解析：选BC铀核受到中子的轰击，会引起裂变，放出23个中子，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性，只是裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，A错误，B正确。铀235受慢中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的概率小，C正确。 而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故D错误。3核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，U是核电站常用的核燃料。U受一个中子轰击后裂变成Ba和Kr两部分，并产生_个中子。要使链式反应发生，裂变物质的体积要_(选填“大于”或“小于”)它的临界体积。解析：核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒，且该核反应方程为：92Un56BaKr3n，即产生3个中子。临界体积是发生链式反应的最小体积，要使链式反应发生，裂变物质的体积要大于它的临界体积。答案：3大于核电站的工作原理及核力发电的优点1反应堆工作原理(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图所示为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%4%)制成，石墨(重水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围。(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电。发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。2核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少。(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大。(3)对环境的污染要比火力发电小。典例利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站。核电站消耗的“燃料”很少，但功率却很大，目前，核能发电技术已经成熟，我国已经具备了发展核电的基本条件。(1)核反应堆中的“燃料”是U，完成下面的核反应方程式，UnXeSr10n。(2)一座100万千瓦的核电站，每年需要多少浓缩铀？已知铀核的质量为235.043 9 u，氙核质量为135.907 2 u，锶核质量为89.907 7 u。1 u1.661027 kg，中子的质量为1.008 7 u，浓缩铀中铀235的含量占2%。(保留两位有效数字，NA6.021023 mol1)解析(1)UnXeSr10n。(2)核电站每年放出的热量QPt1.01093.610324365 J3.151016 J一个U裂变放出的热量Emc2(235.043 989.907 7135.907 291.008 7)1.661027(3108)2 J2.251011 J需要浓缩铀的质量mmU0.235 kg2.7104 kg。答案(1)UnXeSr10n(2)2.7104 kg(1)裂变反应方程满足电荷数和质量数守恒。(2)核电站向外输送的能量是一个个核反应释放核能的累加的结果，核反应次数n是以核能全部转化为电能为前提的。1如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是()A铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些解析：选B快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟减速剂(慢化剂)的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，选项C、D都错误。2原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成()A原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统B原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统C原子燃料、减速剂、碰撞系统和传热系统D原子燃料、中子源、原子能存聚系统和输送系统解析：选A原子反应堆里用的核燃料是用浓缩铀(铀235占2%4%)制成的铀棒；铀235易俘获慢中子，不易俘获快中子，必须使用减速剂(如石墨、重水、普通水)，让快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子；控制调节系统是用于调节中子的数目以控制反应速度，它是由镉做成的置放在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组成；冷却系统靠水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全。3多选为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，核电中长期发展规划中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是()A核能发电对环境的污染比火力发电要小B核能发电对环境的污染比火力发电要大C目前所有核电站都只利用重核裂变释放大量的核能D目前核电站只利用轻核聚变释放大量的核能解析：选AC目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A、C正确，B、D错误。1中国承诺到2020年碳排放量下降40%45%。为了实现负责任大国的承诺，我国将新建核电站项目。目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是()A.UnSrXe10nB.NaMgeC.NHeOHD.UThHe解析：选A重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；B为衰变，C是发现质子的反应，D是衰变。2多选当一个重核裂变时，它能产生的两个核()A一定是稳定的B含有的中子数较裂变前重核的中子数少C裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量D可以是多种形式的两个核的组合解析：选BD重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出2个或3个中子，裂变释放的能量比俘获中子的能量大，C错误。中子数会减少，故B正确。重核裂变的产物是多种多样的，故A错误，D正确。3贫铀炸弹是一种杀伤力很强的武器，贫铀是提炼铀235以后的副产品，其主要成分为铀238，贫铀炸弹不仅有很强的穿甲能力，而且铀238具有放射性，残留物可长期对环境起破坏作用而造成污染。人长期生活在该环境中会受到核辐射而患上皮肤癌和白血病。下列叙述错误的是()A铀238的衰变方程式：UThHeB.U和U互为同位素C人患皮肤癌和白血病是因为核辐射导致了基因突变D贫铀弹的穿甲能力很强，也是因为它的放射性解析：选D铀238具有放射性，放出一个粒子，变成钍234，A正确。铀238和铀235质子数相同，互为同位素，B正确。核辐射能导致基因突变，是皮肤癌和白血病的诱因之一，C正确。贫铀弹的穿甲力很强，是因为它的弹芯是由高密度、高强度、高韧性的铀合金组成，袭击目标时产生高温化学反应，所以其爆炸力、穿透力远远超过一般炸弹，D错。4铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是()A铀块的质量是重要因素，与体积无关B为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子C若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生D能否发生链式反应与铀块的质量无关解析：选C要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积或铀块的质量大于临界质量，只要组成铀块的体积小于临界体积或质量小于临界质量就不会产生链式反应，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变，如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确。5我国秦山核电站第三期工程中有两组60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U的裂变，现有四种说法：U原子核中有92个质子，143个中子；U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核反应方程为 UnXeSr2n；U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短；一个U裂变能放出200 MeV的能量，合3.21011 J。以上说法中完全正确的是()ABC D解析：选D由U的质量数和电荷数关系易知正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知正确；半衰期不受外界因素干扰，故错误；因为200 MeV2001061.61019 J3.21011 J，所以正确，故答案为D。6多选下面是铀核裂变反应中的一个：UnXeSr10n已知铀235的质量为235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，锶90的质量为89.907 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，则此核反应中()A质量亏损为m235.043 9 u1.008 7 u89.907 7 u135.907 2 uB质量亏损为m(235.043 91.008 789.907 7135.907 2101.008 7)uC释放的总能量为E(235.043 91.008 789.907 7135.907 2101.008 7)(3108)2JD释放的总能量为E(235.043 91.008 789.907 7135.907 2101.008 7)931.5 MeV解析：选BD计算亏损质量时要用反应前的总质量减去反应后的总质量，二者之差可用“u”或“kg”作单位，故A错，B对；质量单位为“u”时，可直接用“1 u的亏损放出能量931.5 MeV”计算总能量，故D对；对质量单位为“kg”时直接乘以(3.0108)2，总能量单位才是焦耳，故C错。7一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程式为UnXSr2n，则下列叙述正确的是()AX原子核中含有86个中子BX原子核中含有141个核子C因为裂变时释放能量，根据Emc2，所以裂变后的总质量数增加D因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少解析：选A根据电荷数守恒、质量数守恒可知，X原子核质量数为140，电荷数为54，其中子数为1405486，核子数为140，故A正确，B错误；裂变过程中释放核能，反应前后总质量不同，但质量数守恒，故C、D均错误。8关于重核的裂变，以下说法正确的是()A核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B中子从铀块中通过时，一定发生链式反应C重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少D由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能解析：选D根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量。链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积。如果体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会发生。在裂变反应中由电荷数与质量数守恒得核子数是不会减少的，要发生质量亏损，放出核能，因此选项A、B、C均错，D正确。9已知铀235核裂变时的核反应方程为UnBaKr3n，一个铀235核裂变时，能释放200 MeV的能量，则1 kg铀完全裂变能释放多少能量？相当于多少吨燃烧值为2.94107 J/kg的煤所放出的能量？解析：首先求出1 kg铀235中含有的原子核数，然后即可根据已知求解。1 kg铀235中含有的原子核数6.0210232.5621024(个)。一个铀核裂变能放出200 MeV的能量，则1 kg铀核裂变能释放E2.5621024200 MeV5.1241026 MeV5.12410321.61019 J8.21013 J，设1 kg铀235释放的能量相当于煤的质量为m，则有m kg2.789106 kg2 789 t。答案：8.21013 J2 789 t