高中物理人教版选修35教学案第十九章第6节核裂变

第6节核罩_变

1.核裂变：重核分裂为质量较小的核，释放出核能的反响。

2.链式反响：由重核裂变产生的中子使裂变反响一代接一代连续

下去的过程。

3.链式反响的条件：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。

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一、核裂变

i.核裂变

重核被蚯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，其中一种典型的反响是玻U

+An->第Ba+瑞Kr+弛1。

3.链式反响

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，且能不断连

续下去，这种反响叫核裂变的链式反响。

4.临界体积和临界质量

把裂变物质能够发生链式反响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.链式反响的条件

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.核能释放的掌握

通过可掌握的链式反响实现核能释放的装置称为核反响维。

2.慢化剂

反响堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒四周要放"慢化剂"，常用的慢化

剂有石墨、重水和一般水。

3.掌握棒

为了掌握反响速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它汲取蚯的力量很强，反响

过于猛烈时，可将其插入深一些，多汲取一些中子,链式反响的速度就会慢一些，这种镉

棒叫做掌握棒。

4.能量输出

核燃料裂变释放的能量使反响区温度上升，水或液态的金属钠等流体在反响堆内外循

环流淌,把反响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、铉等在地球上的可采储量所能供应的能量，比煤、石油等所供应

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

为阻挡射线对人体的损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

反响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。

「动脑，鬼者贵邑做对I

1.自主思索一判一判

(1)铀块的质量大于临界质量时链式反响才能不停地进行下去。(V)

(2)铀核裂变时能释放出多个中子。(J)

(3)掌握棒是通过汲取中子多少来掌握链式反响速度的。(J)

(4)核裂变释放的大量核能是通过在反响堆内外循环流淌的液体传输出去的。(V)

(5)核电废料难以处理，对环境的污染比火电大。(X)

2.合作探究一议一议

(1)铀核的裂变是一种自然?放射现象吗？

提示：不是。铀核在受到中子轰击后才发生裂变，不是自然?放射现象，属于核反响。

(2)铀核裂变的核反响方程是唯一的吗？

提示：不是。铀核裂变的生成物并不确定，所以其核反响方程不是唯一的。

(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响，不是为

了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率。

字课堂讲练设计，举一能通类题

E^l对铀核裂变和链式反响的分析

e通知识

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

子的猛烈运动，使核变成不规那么的外形。

(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力快速减弱，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：

①受U+Jn->贺Xe+整Sr+2/n。

U+Jn-*弟Ba+然Kr+3An。

2.链式反响的条件

(1)铀块的体积大于临界体积。

(2)铀块的质量大于临界质量。

以上两个条件满意一个，那么另一个条件自动满意。

3.裂变反响的能量：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假如按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235比铀238更易发生链式反响

在自然?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状况不同。

(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，为了使链式反响简单发生，

最好利用纯铀235。

旗方法

［典例］1938年哈恩用中子轰击铀核，发觉产物中有原子核领(Ba)、氟(Kr)、中子和一

些Y射线。以下关于这个试验的说法中正确的选项是()

A.这个试验的核反响方程是避U+An->螺Ba+潴Kr+An

B.这是一个核裂变过程，反响后粒子质量之和大于反响前粒子质量之和

C.这个反响中释放出的能量不行以用爱因斯坦的质能方程来计算

D.试验中产生的丫射线穿透力量极强

［思路点拨］

(1)核反响方程必需满意质量数守恒和核电荷数守恒。

(2)核反响为放能反响时反响前粒子的质量之和肯定大于反响后粒子的质量之和。

［解析］依据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反响方程应为：贲U+An一空Ba

+然Kr+3An,选项A不正确；铀核裂变过程中产生丫射线，放出能量，发生质量亏损，释

放的能量依据爱因斯也的质能方程计算，选项B、C不正确；核反响中产生的丫射线，穿透

力量极强，是能量极高的光子，选项D正确。

［答案］D

(SO©

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响，缘由是核反响前后质量有亏损，根本缘由是重核的比结

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。

包甬题组

i.链式反响中，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.6粒子D.a粒子

解析：选B重核裂变链式反响发生依靠中子不断地轰击原子核使得裂变不断进行下

去，应选项B正确。

2.［多项选择］关于铀核裂变，以下说法正确的选项是()

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响简单进行，最好用铀235而不用铀238

D.铀块的体积对产生链式反响无影响

解析：选BC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，只是裂变成两块的状况多，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，且裂变的概率小，C正确。而要引起链式反响，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响放出的巨大能量进行发电，贲U是核电站常用的核燃料。

镀U受一个中子轰击后裂变成弟Ba和瑞Kr两局部，并产生_______个中子。要使链式反响

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：核反响方程遵守质量数守恒和电荷数守恒，且该核反响方程为：23592U+gfl44

56Ba+黑Kr+3，n,即产生3个中子。临界体积是发生链式反响的最小体积，要使链式反响

发生，裂变物质的体积要大于它的临界体积。

答案：3大于

考点二核电站的工作原理及核力发电的优点

《通知识

1.反响堆工作原理

反应堆示意图

(1)热源：在核电站中，核反响堆是热源，如下图为简化的核反响堆示意图：铀棒是燃

料，由自然?铀或浓缩铀(铀235的含量占2%〜4%)制成，石墨(重水)为慢化剂，使反响生

成的快中子变为慢中子，便于铀235的汲取，发生裂变，慢化剂附在铀棒四周。

(2)掌握棒：镉棒的作用是汲取中子，掌握反响速度，所以也叫掌握棒。掌握棒插入深

一些，汲取中子多，反响速度变慢，插入浅一些，汲取中子少，反响速度加快，采纳电子

仪器自动调整掌握棒插入深度，就能掌握核反响的猛烈程度。

(3)冷却剂：核反响释放的能量大局部转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，

在反响堆内外循环流淌，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电。

发生裂变反响时，会产生一些有危急的放射性物质，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、钮等在地球上可采储量大。

(3)对环境的污染要比火力发电小。

旗方法

［典例］利用反响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

经具备了开展核电的根本条件。

(1)核反响堆中的“燃料”是黄U,完成下面的核反响方程式，变U+Anf£Xe+瞿Sr+

10，n。

XIO"?kg,中子的质量为1.0087u,浓缩铀中铀235的含量占2%。(保存两位有效数

字，NAX1023moi-I)

［解析］⑴磷U+E-劈Xe+2Sr+10An。

(2)核电站每年放出的热量0=尸，*109*3.6乂1(PX24X365J~XIOI。j

一个黄U裂变放出的热量AE=A，〃c2=(235.0439-89.9077-135.9072-9X1.008

7)XX10-27X(3X108)2J«XIO-11J

需要浓缩铀的质量

Q

AE・NA.2%'"U

=错误！X0.235kg

X104kg.

［答案］(D^U+An-*^Xe+?gSr4-10AX104kg

(1)裂变反响方程满意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响释放核能的累加的结果，核反响次数

是以核能全部转化为电能为前提的。

。通题组

1.如图是慢中子反响堆的示意图，对该反响堆的以下说法中正控制棒

确的选项是()泥防躅

A.铀235简单汲取快中子后发生裂变反响

B.快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量削减，变成慢中子，铀速剂

慢中子简单被铀235俘获而引起裂变反响

C.掌握棒由镉做成，当反响过于猛烈时，使掌握棒插入浅一些，让它少汲取一些中子，

链式反响的速度就会慢一些

D.要使裂变反响更猛烈一些，应使掌握棒插入深一些，使大量快中子碰撞掌握棒后变

成慢中子，链式反响的速度就会快一些

解析：选B快中子简单与铀235擦肩而过，快中子跟减速剂(慢化剂)的原子核碰撞后

能量削减，变成慢中子，慢中子简单被铀235俘获而引起裂变反响，选项B正确，A错误；

掌握棒由镉做成，镉汲取中子的力量很强，当反响过于猛烈时，使掌握棒插入深一些，让

它多汲取一些中子，链式反响的速度就会慢一些，选项C、D都错误。

2.原子反响堆是实现可掌握的重核裂变链式反响的一种装置，它主要由四局部组成

()

A.原子燃料、减速剂、冷却系统和掌握调整系统

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原子反响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，必需使用减速剂（如石墨、重水、一般水），让快中子

跟减速剂的原子核碰撞后能量削减，变成慢中子；掌握调整系统是用于调整中子的数目以

掌握反响速度，它是由镉做成的置放在铀棒之间的一些掌握棒及计算机调整系统组成；冷

却系统靠水或液态金属钠等流体在反响堆内外循环流淌，把反响堆内的热量传输出去，用

于发电，同时使反响堆冷却，保证平安。

3.［多项选择］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，其次加快开展风电和再生能源的政策，？核电中长期开展规划？中要求2020年

核电运行装机总容量到达4000万千瓦的水平，请依据所学物理学问，推断以下说法中正确

的选项是（）

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.目前全部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，且核裂变在核反响堆中应用的是

比拟清洁的能源，故A、C正确，B、D错误。

传奖离毒海唳淞*■课后层级训练，步步提升能力

一、基础题⑥熟

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

将新建核电站工程。目前关于核电站猎取核能的根本核反响方程可能是（）

A.磷U+An-/Sr+甯Xe+103n

C.W+iHe-VO+1H

D.碘Uf翎Th+蛆e

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

是裂变反响，A正确；B为p衰变，C是发觉质子的反响，D是a衰变。

2.［多项选择］当一个重核裂变时，它能产生的两个核（）

A.肯定是稳定的

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。中子数会削减，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力量，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。以

下表达错误的选项是（）

A.铀238的衰变方程式：^U-WTh+iHe

B.赞U和赞U互为同位素

C.人患皮肤癌和白血病是由于核辐射导致了基因突变

D.贫铀弹的穿甲力量很强，也是由于它的放射性

解析：选D铀238具有放射性，放出一个a粒子，变成钱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，是由于它的弹芯是由高密度、高强度、高韧性的铀

合金组成，攻击目标时产生高温化学反响，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，对于产生链式反响的重要因素，以下说法中正确的选项是（）

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响简单发生，最好直接利用裂变时产生的中子

C.假设铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反响就能够发生

D.能否发生链式反响与铀块的质量无关

解析：选C要使铀核裂变产生链式反响，铀块的体积必需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

反响，裂变反响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，假如铀块的

质量大，那么其体积大，假设超过临界体积那么发生链式反响，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避

U的裂变，现有四种说法：

①硝U原子核中有92个质子，143个中子；

②道U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核反响方程为黄U+An-费Xe+罪

Sr+2An；

③黄U是自然?放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，上升温度半衰期缩短；

④一个道X10FJ。

以上说法中完全正确的选项是()

A.①@③B.②③④

C.④D.(D@@

解析：选D由觉U的质量数和电荷数关系易知①正确；由核反响方程中电荷数守恒

和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；由于200MeV=

200X106XX10-19X10~nJ,所以④正确，故答案为D。

6.裂变反响是目前核能利用中常用的反响。以原子核磁U为燃料的反响堆中，当贲U

俘获一个慢中子后发生的裂变反响可以有多种方式，其中一种可表示为

赞U+Anf皆Xe+瑞Sr+3jn

235.04391.0087138.917893.9154

反响方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u为单位)。1u的

质量对应的能量为931.5MeV,那么此裂变反响过程中：

(1)亏损质量为原子质量单位的多少倍？

(2)释放出的能量是多少？

解析：(1)赞U裂变成劈Xe和瑞Sr,同时放出中子An,裂变前后质量变化的一，〃后

=(235.0439+1.0087-138.9178-93.9154-3X1.0087)u=0.1933u,亏损质量为原子质

量单位的0.1933倍。

(2)由爱因斯坦质能方程，得

AE=Amc2=0.1933X931.5MeV^180.1MeV。

答案：(1)0.1933倍(2)180.1MeV

二、易错题期明

7.［多项选择］下面是铀核裂变反响中的一个：昼U+An-＞劈Xe+到Sr+10An

铀235的质量为235.0439u,中子质量为1.0087u,锯90的质量为89.9077u,氤136

的质量为135.9072u,那么此核反响中()

A.质量亏损为Am=235.0439u+1.0087u—89.9077u-135.9072u

B.质量亏损为Am=(235.0439+1.0087-89.9077-135.9072-10X1.0087)u

C.释放的总能量为AE=(235.0439+1.0087-89.9077-135.9072-10X1.008

7)X(3XIO')2J

D.释放的总能量为AE=(235.0439+1.0087-89.9077-135.9072-10X1.008

7)X931.5MeV

解析：选BD计算亏损质量时要用反响前的总质量减去反响后的总质量，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“lu的亏损放出能

量931.5MeV”计算总能量，故D对；对质量单位为"kg"Xl()8)2,总能量单位才是焦耳，

故C错。

8.［多项选择］2016年8月120,海南昌江核电工程一期工程全面建成投产。核电站

与火电站相比拟，其优势有（）

A.核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量

B.就可采储量来说，地球上核燃料所能供应的能量远多于煤炭所能供应的能量

C.核电站造成的污染远小于相等发电力量的火电站

D.核电站比火电站更简单建筑

解析：选ABC核电站与火电站相比，相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量

要大许多，地球上可采核燃料所能供应的能量远多于煤炭所能供应的能量，只要措施得当，

核电站造成的污染很小，A、B、C正确；核电站的建筑难度较大，D错误。

三、能力题⑥通

9.一个错U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反响，其裂变方程式为赞U+A

n-X+^Sr+2An,那么以下表达正确的选项是（）

A.X原子核中含有86个中子

B.X原子核中含有141个核子

C.由于裂变时释放能量，依据E=mc2,所以裂变后的总质量数增加

D.由于裂变时释放能量，消失质量亏损，所以生成物的总质量数削减

解析：选A依据电荷数守恒、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140—54=86,核子数为1