高中物理第三章原子核3.5核裂变课件教科版选修35教学提纲

1、高中物理第三章原子核高中物理第三章原子核3.5核裂核裂变课件教科版选修变课件教科版选修35【想一想想一想】在重核裂变过程中在重核裂变过程中, ,核反应满足电荷数守恒核反应满足电荷数守恒和质量数守恒。铀裂变的产物是否只有上述一种呢和质量数守恒。铀裂变的产物是否只有上述一种呢? ?提示提示: :铀裂变的产物是多种多样的铀裂变的产物是多种多样的, ,一般裂变为两部分一般裂变为两部分, ,也可以裂变成三部分或四部分。在不同的裂变中也可以裂变成三部分或四部分。在不同的裂变中, ,释放释放的能量也不同。的能量也不同。19471947年我国著名物理学家钱三强、何年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇首先观察到

2、中子轰击铀核的三分裂现象。泽慧夫妇首先观察到中子轰击铀核的三分裂现象。二、链式反应二、链式反应1.1.链式反应链式反应: :如果一个反应过程的产物如果一个反应过程的产物能够能够_引发引发这种反应这种反应, ,从而使反应一旦开始后就能从而使反应一旦开始后就能_延续下去延续下去的反应过程。的反应过程。2.2.临界体积临界体积: :能够发生链式反应的裂变物质的能够发生链式反应的裂变物质的_体体积。积。再次再次自动自动最小最小【想一想想一想】重核的裂变能够自发地进行吗重核的裂变能够自发地进行吗? ?提示提示: :不能自发地进行不能自发地进行, ,只能发生在人工控制的核反应只能发生在人工控制的核反应中中

3、, ,只有达到链式反应的条件时只有达到链式反应的条件时, ,才会发生重核的裂变。才会发生重核的裂变。三、核电站三、核电站1.1.核电站核电站: :利用核能发电利用核能发电, ,它的核心它的核心设施是设施是_,_,它主要由以下几部分组成它主要由以下几部分组成: :(1)(1)燃料燃料:_:_。(2)(2)减速剂减速剂: :铀铀235235容易捕获慢中子发生反应容易捕获慢中子发生反应, ,采用采用_、重水或普通水作减速剂。、重水或普通水作减速剂。核反应堆核反应堆铀棒铀棒石墨石墨(3)(3)控制棒控制棒: :为了为了控制能量释放的速度控制能量释放的速度, ,就要想办法调就要想办法调节中子的数目节中子

4、的数目, ,采用在反应堆中插入镉棒的方法采用在反应堆中插入镉棒的方法, ,利利用镉用镉_的特性的特性, ,就可以容易地控制链式反应就可以容易地控制链式反应的速度。的速度。2.2.工作原理工作原理: :核燃料核燃料_释放释放能量能量, ,使反应区温度升高。使反应区温度升高。吸收中子吸收中子裂变裂变3.3.能量输出能量输出: :核反应堆工作时放出的热量核反应堆工作时放出的热量, ,由一回路由一回路系统系统的的_(_(通常是水或液态的金属钠等通常是水或液态的金属钠等) )带出带出, ,用以产生蒸汽。用以产生蒸汽。4.4.核污染的处理核污染的处理: :为了保证核电站的安全为了保证核电站的安全, ,新建

5、的核新建的核电站设有核燃料芯块的电站设有核燃料芯块的_、回路系统的密封、回路系统的密封设施以及核电站的设施以及核电站的_三道三道屏障。屏障。冷却剂冷却剂密封包壳密封包壳安全外壳安全外壳【判一判判一判】(1)(1)核电站利用的燃料是氢。核电站利用的燃料是氢。( () )(2)(2)核电站是把核能直接转化为电能的。核电站是把核能直接转化为电能的。( () )(3)(3)核废料的处理一定不能随便存放。核废料的处理一定不能随便存放。( () )提示提示: :(1)(1)核电站的燃料是铀核电站的燃料是铀,(1),(1)错。错。(2)(2)核电站是利用核反应堆中产生的热量核电站是利用核反应堆中产生的热量,

6、 ,来加热水来加热水使之变成蒸汽使之变成蒸汽, ,用蒸汽推动汽轮发电机发电的用蒸汽推动汽轮发电机发电的,(2),(2)错。错。(3)(3)用过的铀棒仍有强烈的放射性用过的铀棒仍有强烈的放射性, ,所以核废料的处理所以核废料的处理一定要使其不能产生二次污染一定要使其不能产生二次污染, ,要密封后深埋处理要密封后深埋处理, ,(3)(3)对。对。知识点一、重核裂变和链式反应知识点一、重核裂变和链式反应思考探究思考探究: :如图为核裂变示意图。如图为核裂变示意图。(1)(1)重核裂变是一种天然现象吗重核裂变是一种天然现象吗? ?(2)(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应只要有中子轰击铀块就可以

7、产生链式反应? ?【归纳总结归纳总结】1.1.裂变的发现裂变的发现:1938:1938年年, ,德国化学家、物理学家哈恩等德国化学家、物理学家哈恩等发现用中子轰击铀核的产物中含有中等质量的原子核发现用中子轰击铀核的产物中含有中等质量的原子核钡和氪。钡和氪。2.2.铀核的裂变铀核的裂变: :(1)(1)核子受激发核子受激发: :中子打进铀中子打进铀235235后后, ,形成一个新的处于形成一个新的处于激发态的核激发态的核, ,其中的核子发生剧烈运动。其中的核子发生剧烈运动。(2)(2)核子分裂核子分裂: :核子间的距离增大核子间的距离增大, ,因而核力迅速减弱因而核力迅速减弱, ,使得原子核由于

8、质子间的斥力作用而分裂成几块使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块, ,同时同时放出放出2 23 3个中子个中子, ,这些中子又引起其他铀核裂变这些中子又引起其他铀核裂变, ,这样这样, ,裂变就会不断地进行下去裂变就会不断地进行下去, ,释放出越来越多的核能。释放出越来越多的核能。(3)(3)能量能量: :铀核裂变为中等质量的原子核铀核裂变为中等质量的原子核, ,发生质量亏损发生质量亏损, ,所以放出能量。一般说来所以放出能量。一般说来, ,平均每个核子放出的能量约平均每个核子放出的能量约为为1MeV,1kg1MeV,1kg铀铀235235全部裂变放出的能量相当于全部裂变放出的能量相当于

9、2800t2800t标标准煤燃烧时释放的能量准煤燃烧时释放的能量, ,裂变时能产生几万度的高温。裂变时能产生几万度的高温。3.3.重核裂变的条件重核裂变的条件: :如果铀块体积不够大如果铀块体积不够大, ,生成的中子生成的中子从铀块中通过时可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面从铀块中通过时可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了去了, ,所以发生链式反应时铀块的体积必须大于临界体所以发生链式反应时铀块的体积必须大于临界体积。积。【特别提醒特别提醒】(1)(1)重核裂变是人为的核反应重核裂变是人为的核反应, ,自然界中不会自发地产自然界中不会自发地产生裂变。生裂变。(2)(2)用中子轰击铀核时用中子轰击

10、铀核时, ,铀核发生裂变铀核发生裂变, ,释放出更多的中释放出更多的中子又引起其他铀核的裂变子又引起其他铀核的裂变, ,这样不断继续下去这样不断继续下去, ,中子会中子会不断增加不断增加, ,裂变反应就会不断加强裂变反应就会不断加强, ,形成了裂变的链式形成了裂变的链式反应。反应。【典例探究典例探究】【典例典例】( (多选多选) )关于重核的裂变关于重核的裂变, ,以下说法正确的以下说法正确的是是( () )A.A.核裂变的产物是多种多样的核裂变的产物是多种多样的B.B.能否发生链式反应与铀块的体积无关能否发生链式反应与铀块的体积无关C.C.重核裂变时重核裂变时, ,产生明显的质量亏损产生明显

11、的质量亏损, ,所以核子数要减所以核子数要减少少D.D.重核裂变为中等质量的核时重核裂变为中等质量的核时, ,要发生质量亏损要发生质量亏损, ,放出放出核能核能【思路点拨思路点拨】解答本题应注意以下三点解答本题应注意以下三点: :(1)(1)重核裂变时核能的来源是什么。重核裂变时核能的来源是什么。(2)(2)发生链式反应的条件如何。发生链式反应的条件如何。(3)(3)裂变反应遵循哪些规律。裂变反应遵循哪些规律。【正确解答正确解答】选选A A、D D。铀核的裂变产物是多种多样。铀核的裂变产物是多种多样的的,A,A正确正确; ;如果铀块体积不够大如果铀块体积不够大, ,生成的中子从铀块中生成的中子

12、从铀块中通过时可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了通过时可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了, ,能否能否发生链式反应与铀块体积有关发生链式反应与铀块体积有关,B,B错错; ;重核裂变时核子数重核裂变时核子数守恒守恒,C,C错错; ;核裂变时释放的能量来源于裂变过程的质量核裂变时释放的能量来源于裂变过程的质量亏损亏损,D,D正确。正确。【总结提升总结提升】有关重核裂变的理解有关重核裂变的理解(1)(1)反应特点反应特点: :重核裂变成中等质量的核。重核裂变成中等质量的核。(2)(2)裂变过程满足质量数和电荷数守恒。裂变过程满足质量数和电荷数守恒。(3)(3)裂变过程中有质量亏损裂变过程中有质量

13、亏损, ,放出能量。放出能量。(4)(4)利用裂变产生的中子轰击其他原子利用裂变产生的中子轰击其他原子, ,发生链式反应。发生链式反应。 【过关训练过关训练】1.1.铀核裂变时铀核裂变时, ,对于产生链式反应的重要因素对于产生链式反应的重要因素, ,下列说下列说法中正确的是法中正确的是( () )A.A.铀块的质量是重要因素铀块的质量是重要因素, ,与体积无关与体积无关B.B.为了使裂变的链式反应容易发生为了使裂变的链式反应容易发生, ,最好直接利用裂变最好直接利用裂变时产生的中子时产生的中子C.C.若铀若铀235235的体积超过它的临界体积的体积超过它的临界体积, ,裂变的链式反应裂变的链式

14、反应就能够发生就能够发生D.D.能否发生链式反应与铀块的质量无关能否发生链式反应与铀块的质量无关【解析解析】选选C C。要使铀核裂变产生链式反应。要使铀核裂变产生链式反应, ,铀块的体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积必须大于临界体积或铀块的质量大于临界质量, ,只要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这些快中子不能直接引发新的裂变, ,如果铀块的质量大如果铀块的质量大, ,则其体积大则其体

15、积大, ,若超过临界体积则发生链式反应若超过临界体积则发生链式反应, ,由此知由此知A A、B B、D D错误错误,C,C正确。正确。2.(2.(多选多选) )下列核反应方程下列核反应方程, ,属于裂变反应的有属于裂变反应的有( () )271244130112235114489192056360235190136 1920385402382344 992 20A. AlnNaHeB.UnBaKr3 nC.UnSrXe 10 nD.UThHe【解析解析】选选B B、C C。重核分裂成几个中等质量原子核的。重核分裂成几个中等质量原子核的现象称为核裂变现象称为核裂变,A,A错错;D;D项是项是衰变

16、衰变, ,故选故选B B、C C。知识点二、对核电站进一步认识知识点二、对核电站进一步认识思考探究思考探究: :目前核电发电量约占全球总发电量的目前核电发电量约占全球总发电量的16%,16%,其中法国高其中法国高达达80%80%左右左右, ,目前全球在建核电机组目前全球在建核电机组6060多台多台, ,主要集中在主要集中在中国、印度、俄罗斯等国家。请思考以下问题中国、印度、俄罗斯等国家。请思考以下问题: :(1)(1)核电站的核心设施是什么核电站的核心设施是什么? ?(2)(2)核反应堆的工作原理是什么核反应堆的工作原理是什么? ?(3)(3)核能利用带来的技术和社会问题有哪些核能利用带来的技

17、术和社会问题有哪些? ?【归纳总结归纳总结】1.1.核电站使原子核的链式反应在人工的控制下进行核电站使原子核的链式反应在人工的控制下进行, ,将将释放的核能转化为内能释放的核能转化为内能, ,再由汽轮机带动发电机转化为再由汽轮机带动发电机转化为电能。电能。2.2.核电站的核心设施是核反应堆核电站的核心设施是核反应堆, ,反应堆用的核燃料是反应堆用的核燃料是浓缩铀浓缩铀235,235,它的主要部件及作用列表如下。它的主要部件及作用列表如下。部件名称部件名称减速剂减速剂控制棒控制棒热循环介质热循环介质保护层保护层采用的采用的材料材料石墨、重水或普通石墨、重水或普通水水( (有时叫轻水有时叫轻水)

18、)镉镉水或液态钠水或液态钠很厚的水泥外壳很厚的水泥外壳作用作用降低中子速度降低中子速度, ,便便于铀于铀235235吸收吸收吸收中子吸收中子, ,控控制反应速度制反应速度进行内外循环进行内外循环, ,把把热量传输出去热量传输出去屏蔽射线屏蔽射线, ,防止防止放射性污染放射性污染3.3.反应堆工作原理反应堆工作原理: :(1)(1)在核电站中在核电站中, ,核反应堆是热源核反应堆是热源, ,如图为简化的核反应如图为简化的核反应堆示意图堆示意图: :铀棒是燃料铀棒是燃料, ,由天然铀或浓缩铀由天然铀或浓缩铀( (铀铀235235的含的含量占量占3%3%4%)4%)制成制成, ,石墨石墨( (重水重

19、水) )为减速剂为减速剂, ,使反应生成的使反应生成的快中子变为慢中子快中子变为慢中子, ,便于铀便于铀235235的吸收的吸收, ,发生裂变发生裂变, ,减速减速剂附在铀棒周围。剂附在铀棒周围。(2)(2)镉棒的作用是吸收中子镉棒的作用是吸收中子, ,控制反应速度控制反应速度, ,所以也叫控所以也叫控制棒。控制棒插入深一些制棒。控制棒插入深一些, ,吸收中子多吸收中子多, ,反应速度变慢反应速度变慢, ,插入浅一些插入浅一些, ,吸收中子少吸收中子少, ,反应速度加快反应速度加快, ,采用电子仪器采用电子仪器自动调节控制棒的升降自动调节控制棒的升降, ,就能使反应堆安全正常地工作。就能使反应

20、堆安全正常地工作。(3)(3)核反应释放的能量大部分转化为内能核反应释放的能量大部分转化为内能, ,这时通过水、这时通过水、液态钠等作冷却剂液态钠等作冷却剂, ,在反应堆内外循环流动在反应堆内外循环流动, ,把内能传把内能传输出去输出去, ,用于推动蒸汽机用于推动蒸汽机, ,使发电机发电。发生裂变反使发电机发电。发生裂变反应时应时, ,会产生一些有危险的放射性物质会产生一些有危险的放射性物质, ,很厚的水泥防很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。护层可以防止射线辐射到外面。4.4.核电站发电的优缺点核电站发电的优缺点: :(1)(1)优点优点: :消耗的核燃料少消耗的核燃料少, ,一座百万千

21、瓦级的核电站一座百万千瓦级的核电站, ,一年只消耗浓缩铀一年只消耗浓缩铀30t30t左右左右, ,同样功率的火电站每年要同样功率的火电站每年要消耗消耗250250万吨优质煤万吨优质煤; ;对环境的污染要比火力发电小。对环境的污染要比火力发电小。(2)(2)缺点缺点: :用过的铀棒仍然具有强烈的放射性。这些废用过的铀棒仍然具有强烈的放射性。这些废料的放射性在几万年到几百万年内仍有潜在的危害料的放射性在几万年到几百万年内仍有潜在的危害, ,因因此规划核废料的处理是一个非常麻烦的问题。此规划核废料的处理是一个非常麻烦的问题。【特别提醒特别提醒】用水用水( (轻水或重水轻水或重水) )和石墨作为减速材

22、料和石墨作为减速材料, ,放在燃料棒四周放在燃料棒四周, ,使中子速度减慢以有助于铀使中子速度减慢以有助于铀235235发生发生裂变。减速后的中子能量最后都变为热能裂变。减速后的中子能量最后都变为热能, ,所以这种速所以这种速度变慢的中子称为热中子。度变慢的中子称为热中子。【典例探究典例探究】【典例典例】( (多选多选) )关于核反应堆关于核反应堆, ,下列说法正确的下列说法正确的是是( () )A.A.铀棒是核燃料铀棒是核燃料, ,裂变时释放核能裂变时释放核能B.B.镉棒的作用是控制反应堆的功率镉棒的作用是控制反应堆的功率C.C.石墨的作用是吸收中子石墨的作用是吸收中子D.D.冷却剂的作用是

23、控制反应堆的温度和输出热能冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能【思路点拨思路点拨】解答本题的关键是弄清核反应堆的主要解答本题的关键是弄清核反应堆的主要结构和各个部分的作用。结构和各个部分的作用。【解析解析】选选A A、B B、D D。铀棒是核燃料。铀棒是核燃料, ,裂变时可放出能裂变时可放出能量量, ,故故A A正确正确; ;镉棒吸收中子的能力很强镉棒吸收中子的能力很强, ,作用是调节中作用是调节中子数目以控制反应速度子数目以控制反应速度, ,即控制反应堆功率即控制反应堆功率, ,故故B B正确正确; ;慢中子最容易引发核裂变慢中子最容易引发核裂变, ,所以在快中子碰到铀棒前要所以在快中子

24、碰到铀棒前要进行减速进行减速, ,石墨的作用是使中子减速石墨的作用是使中子减速, ,故故C C错误错误; ;水或液水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动态金属钠等流体在反应堆内外循环流动, ,把反应堆内的把反应堆内的热量传输出去热量传输出去, ,用于发电用于发电, ,同时也使反应堆冷却同时也使反应堆冷却, ,控制温控制温度度, ,故故D D正确。正确。【过关训练过关训练】在核反应堆中在核反应堆中, ,为了使快中子减速成为慢中子为了使快中子减速成为慢中子, ,必须用必须用重水或石墨作减速剂重水或石墨作减速剂, ,使快中子跟减速剂的原子核相碰使快中子跟减速剂的原子核相碰撞撞( (设这些碰撞为弹性

25、正碰设这些碰撞为弹性正碰),),以达到减速的目的。你认以达到减速的目的。你认为用原子量大的作减速剂好为用原子量大的作减速剂好, ,还是用原子量小的作减速还是用原子量小的作减速剂效果好剂效果好? ?试作相应说明和计算。试作相应说明和计算。( (设减速剂原子核原设减速剂原子核原来是静止的来是静止的) )【解析解析】因中子与减速剂原子核发生弹性碰撞因中子与减速剂原子核发生弹性碰撞, ,碰撞过碰撞过程中动量和能量都守恒。程中动量和能量都守恒。设中子质量为设中子质量为m,m,减速剂原子核质量为减速剂原子核质量为M,M,中子的初速度中子的初速度为为v v0 0, ,有有mvmv0 0=mv=mv1 1+M

26、v+Mv2 2 解得解得v v1 1= = 222012111mvmvMv ,2220mMv ,mM可见可见, ,当当M M越接近越接近m m时时,v,v1 1越小越小, ,即原子量小的减速效果好。即原子量小的减速效果好。答案答案: :见解析见解析【温馨提升温馨提升】裂变是重核裂变成中等质量的核裂变是重核裂变成中等质量的核, ,裂变的裂变的产物往往不是唯一的。所有核反应的依据都是实验事产物往往不是唯一的。所有核反应的依据都是实验事实实, ,不能仅凭质量数和电荷数守恒杜撰裂变反应方程式。不能仅凭质量数和电荷数守恒杜撰裂变反应方程式。 【拓展例题拓展例题】考查内容考查内容: :对裂变反应的理解对裂

27、变反应的理解下列核反应中下列核反应中, ,表示核裂变的是表示核裂变的是( () )23823449290214140671235114192192056360941 214260 A.UThHeB. CNeC.UnBaKr3 nD. BeHeCn【思路点拨思路点拨】核裂变是重核分裂成几个中等质量原子核裂变是重核分裂成几个中等质量原子核的现象核的现象. .【正确解答正确解答】选选 是是衰变衰变是是衰变衰变 是人工转变是人工转变, ,只有只有C C选项是重选项是重核裂变核裂变. .23823449292 0 UThHe14140671CNe941214260BeHeCn裂变问题的分析方法裂变问题的

28、分析方法1.1.对于裂变问题对于裂变问题, ,要知道是什么原子核发生了裂变要知道是什么原子核发生了裂变, ,写写出原子核的裂变方程出原子核的裂变方程. .应注意裂变方程的质量数和电荷应注意裂变方程的质量数和电荷数要守恒数要守恒; ;更应注意的是更应注意的是, ,原子核的裂变方程必须是能原子核的裂变方程必须是能够实际发生的够实际发生的, ,不能随意编造。也就是说不能随意编造。也就是说, ,实际发生的实际发生的核裂变必然是反应前后质量数和电荷数守恒核裂变必然是反应前后质量数和电荷数守恒, ,但质量数但质量数和电荷数守恒的核反应方程不一定能够发生。和电荷数守恒的核反应方程不一定能够发生。2.2.计算反应前后原子核的质量亏损。根据质能方程计算反应前后原子核的质量亏损。根据质能方程E=mcE=mc2 2计算出一个原子核裂变时释放的能量。计算出一个原子核裂变时释放的能量。3.3.计算出总的原子核个数计算出总的原子核个数N,N,则释放的总能量为则释放的总能量为E=NEE=NE。【案例展示案例展示】一个铀一个铀235235原