高中物理人教版5本册总复习总复习 第19章6核裂变

6核裂变学习目标知识脉络1.知道裂变反应，了解裂变反应堆的工作原理及常用的裂变反应堆的类型．2．知道什么是链式反应及其发生的条件．3．了解原子弹的原理．4．知道核电站的工作模式及核能发电的优缺点.核裂变eq\a\vs4\al([先填空])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．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．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．eq\a\vs4\al([再判断])1．铀核的裂变是一种天然放射现象．(×)2．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．(√)3．铀核裂变时能释放出多个中子．(√)eq\a\vs4\al([后思考])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．eq\a\vs4\al([合作探讨])原子弹一般应该由两部分组成，一是常规炸药部分，一是核部分，核部分是由分成几块的裂变核材料组成，每一块都在临界体积以下，引爆时，借助常规炸药在极短时间内，将这几块核材料合成一体，使总体积超过临界体积，从而发生链式反应．探讨1：为什么铀块的体积小于临界体积时不能发生链式反应？【提示】如果每次裂变放出的中子平均有一个能再度引起裂变反应，或者说每一代裂变产生的中子数不少于上一代的中子数，裂变反应就能维持下去．当铀块的体积过小时，裂变产生的中子有的可能从裂变物质中漏出去，有的可能被杂质吸收，所以链式反应未必能持续下去．探讨2：裂变反应发生后，裂变反应物的质量增加还是减小？为什么？【提示】减小．裂变反应释放大量的能量，所以发生质量亏损，反应后的质量减小．eq\a\vs4\al([核心点击])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：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．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200MeV估算，1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t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．铀的同位素中铀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，%的是铀238，%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：只有俘获能量大小1MeV的中子才能发生裂变，且裂变的几率小．能量低于1MeV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235.1．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，但核子数不变D．重核裂变为中等质量的核时，放出核能E．核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损【解析】核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A错误，D、E正确．发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于其临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B错误．重核裂变时，核子数守恒，C正确．【答案】CDE2．铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应：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，则A＝________，Z＝________.【解析】根据核反应中的质量数、电荷数守恒可知，A＝94，B＝38.【答案】9438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．核电站eq\a\vs4\al([先填空])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eq\a\vs4\al(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．eq\a\vs4\al([再判断])1．控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的．(√)2．核裂变释放的大量核能是通过在反应堆外循环流动的液体传输出去的．(√)3．核电废料难以处理，对环境的污染比火电大．(×)eq\a\vs4\al([后思考])1．核反应堆中的控制棒是由什么制成的？控制棒起什么作用？【提示】控制棒由镉棒制成，镉吸收中子的能力很强，在铀棒之间插进一些镉棒，可以控制链式反应的速度．2．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．eq\a\vs4\al([合作探讨])核电站的核心设施是核反应堆，所用的核燃料为铀235，为控制核能的释放速度，反应堆中用到了慢化剂和控制棒．探讨1：原子弹和核电站都利用了重核的裂变，两者有何不同？【提示】原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短的时间内释放出来；而核电站是在人工控制下利用核能来发电，这是核能的和平利用．探讨2：核电站是如何控制反应速度的？【提示】利用镉棒插入深浅控制中子的数量而达到控制反应速度的目的．eq\a\vs4\al([核心点击])1．核电站的主要组成核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件列表如下：部件名称慢化剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨、重水或普通水(也叫轻水)镉水或液态钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染2.反应堆工作原理(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图19­6­1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．19­6­1反应堆示意图(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．3．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．3．关于核反应堆，下列说法正确的是()A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能B．镉棒的作用是控制反应堆的功率C．铀棒的作用是控制反应堆的功率D．石墨的作用是吸收中子E．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能【解析】铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确C错误；慢中子最容易引发铀核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故D错误；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，同时也使反应堆冷却，控制温度，故E正确．【答案】ABE4．原子反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置，它主要由四部分组成，即原子燃料、________、________、控制调节系统．【解析】核反应堆的主要部分包括①燃料，即浓缩铀235；②慢化剂，采用石墨、重水和普通水；③控制棒，控制链式反应的速度；④冷却系统，水或液态钠等流体在反应堆外循环流动，把反应堆的热量传输出去用于发电．【答案】减速剂、冷却系统5．每昼夜消耗220g铀235的原子能发电站，如果效率为25%，它能产生的电功率为多大？(每个铀核裂变时放出的能量是200MeV)【解析】一昼夜消耗的铀所能产生的核能为：ΔE＝200×eq\f(220,235)××1023×106××10－19J＝×1013J电功率P＝ηeq\f(ΔE,t)＝eq\f×1013×25%,24×3600)W＝×107W.【答案】×107W1核电站释放的核能是一个个核反应释放核能积累的结果：E＝n·ΔE，ΔE＝Δmc2，n＝eq\f(m,Mmol)·NA.2发电站用于发电的能量只占所释放核能的一部分，则E电＝ηE.学业分层测评(十七)(建议用时：45分钟)[学业达标]1．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E．含有的质子数与裂变前重核的质子数相等【解析】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．质子数不变，中子数会减少，故B、E正确．重核裂变的产物是多种多样的，故A错误，D正确．【答案】BDE2．在下列四个方程中，X1、X2、X3、X4各代表某种粒子，判断正确的是()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是质子C．X3是α粒子 D．X4是氚核E．X4是质子【解析】根据电荷数和质量数守恒可得X1的电荷数为0，质量数为1，因此确定X1为中子，A对；根据电荷数和质量数守恒可得X2的电荷数为1，质量数为2，因此确定X2为氘核，B错；根据电荷数和质量数守恒可得X3的电荷数为2，质量数为4，因此确定X3为α粒子，C对；根据电荷数和质量数守恒可得X4的电荷数为1，质量数为1，因此确定X4为质子，D错E正确．【答案】ACE3．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2～3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E．要产生链式反应，应使铀块的体积达到或超过临界体积【解析】铀核受到中子的轰击，会引起裂变，放出2～3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1MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小，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E正确．【答案】BCE4．一个原子核eq\o\al(235,92)U在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为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，则下列叙述正确的是()A．X原子核中含有140个核子B．X原子核中含有86个中子C．因为裂变时释放能量，所以裂变后粒子的总质量数增加D．因为裂变时释放能量，所以裂变后粒子的总质量数减少E．因为裂变时释放能量，所以裂变过程一定有质量亏损【解析】由核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知：X原子核中含有92－38＝54个质子，235＋1－94－2－54＝86个中子.86＋54＝140个核子；故A正确，B正确；据爱因斯坦的质能方程可知，质量亏损时释放能量不是质量变成了能量，而是亏损的质量以能量的形式释放，但质量数依然守恒，故C错误，D错误E正确．【答案】ABE5．链式反应中，重核裂变时放出的可使裂变不断进行下去的粒子是________．【解析】重核的裂变需要中子的轰击，在链式反应中，不断放出高速的中子使裂变可以不断进行下去．【答案】中子6．1个铀235核吸收1个中子发生核反应时，大约放出196MeV的能量，则1g纯铀235完全发生核反应放出的能量为________MeV.【解析】1g纯铀235有eq\f(1,235)×NA个铀235核．因此1g纯铀235吸收中子完全发生核反应可以释放出eq\f(NA,235)×196MeV能量＝×1023MeV.【答案】×10237．(2023·江苏高考)核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，eq\o\al(235,92)U是核电站常用的核燃料.eq\o\al(235,92)U受一个中子轰击后裂变成eq\o\al(144,56)Ba和eq\o\al(89,36)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：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8．在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是什么？【解析】控制铀235核裂变反应速度的方法是控制中子的数量，其有效方法是用吸收中子能力很强的镉棒插入铀燃料周围，镉棒插入的深度不同，就会控制中子的数目，达到控制核反应的目的．【答案】通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以改变中子数[能力提升]9．1938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γ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．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可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算D．实验中产生的γ射线，其穿透能力极强E．实验中产生的γ射线的频率很高【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：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，选项A正确；铀核裂变过程中，产生γ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γ射线频率很高，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项D、E正确．【答案】ADE10．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eq\o\al(235,92)U的裂变，下列说法正确的是()\o\al(235,92)U原子核中有92个质子，143个中子；\o\al(235,92)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，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短；D．一个eq\o\al(235,92)U裂变能放出200MeV的能量，合×10－11J.E．通过改变半衰期来控制链式反应的速度【解析】由eq\o\al(235,92)U的质量数和电荷数关系易知A正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知B正确；半衰期不受外界因素干扰，故C、E错误；因为200MeV＝200×106××10－19J＝×10－11J，所以D正确．【答案】ABD11．已知eq\o\al(235,92)U(质量为9u)裂变后生成eq\o\al(141,56)Ba(质量为9u)和eq\o\al(92,36)Kr(质量为3u)，同时放出3个中子(每个中子质量为7u)，则1kg铀全部裂变所放出的能量相当于多少千克优质煤完全燃烧时放出的能量？(1kg优质煤完全燃烧时产生×107J的热量)【导学号：66390057】【解