2020-2021学年高中物理选修3-5人教版课件：19.6-核裂变

6核裂变1.核裂变：任务驱动原子弹具有强大的威力，可以瞬间释放出巨大的核能，那么原子弹是应用什么原理制成的？引爆时是如何实现链式反应的？提示：原子弹是利用重核裂变原理制成的，引爆前分离开的各铀块的体积均小于临界体积，引爆时，各铀块挤合在一起，总体积大于临界体积，从而瞬间发生链式反应，释放出巨大核能。课前自主学习(1)定义：重核被中子轰击_____为两个或三个质量中等的原子核并释放_____的过程。(2)铀核的裂变：用_____轰击铀核时发生的裂变，其典型的反应。(3)链式反应：由重核裂变产生的_____使裂变反应一代接一代继续下去的过程。(4)链式反应的条件：裂变反应的物质必须_________发生链式反应的最小体积即_____体积，或大于等于相应的质量即_____质量。(5)能量的释放：核裂变释放的能量巨大，1kg铀235全部裂变时释放的能量相当于______t标准煤完全燃烧时释放的化学能。

分裂核能中子中子大于等于临界临界28002.核电站：(1)核电站：利用核能发电，它的核心设施是_______，它主要由以下几部分组成：①燃料：_____。②慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用_____、_____或_______作慢化剂。③控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉_________的特性，就可以容易地控制链式反应的速度。反应堆铀棒石墨重水普通水吸收中子(2)工作原理：核燃料裂变释放能量，使反应区温度升高。(3)能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外_________，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。(4)核污染的处理：为避免_______对人体的伤害和___________对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的_______，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的_______，需要装入特制的容器中，_________。循环流动核射线放射性物质水泥层放射性深埋地下【小题快练】1.关于重核裂变的说法正确的是 (

)A.重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数少B.只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应C.为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子D.裂变过程中释放能量，质量亏损【解析】选D。重核裂变为两个中等质量的核时，会产生两到三个中子，因而分裂后的中子数减小，A错误；链式反应的发生是有条件的，铀块的体积必须大于其发生链式反应的临界体积，链式反应一旦发生，中子轰击铀核裂变产生的中子再次引起其他铀核的裂变，且能不断继续下去，B、C错误；重核裂变时质量发生亏损，总能量减小，减小的能量对外释放，D对。2.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.β粒子D.α粒子【解析】选B。重核裂变链式反应依靠中子不断地轰击原子核使得裂变不断进行下去，且重核裂变时伴随着中子放出，故B正确。3.核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电是核电站常用的核燃料。受一个中子轰击后裂变成和两部分，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】由质量数和电荷数守恒可知，可见产生了3个中子，链式反应的一个条件是铀燃料的体积必须大于或等于临界体积。答案：3大于课堂合作探究主题一核裂变【问题探究】1.链式反应是怎样发生的？铀235裂变需要满足什么样的条件？提示：铀235在中子的轰击下裂变并释放出巨大能量，同时平均每次放出2～3个中子，如果这些中子继续轰击铀核，使之裂变，就会产生更多的中子，这样不断继续下去，中子不断增加，裂变反应不断加强，就形成了链式反应。铀235裂变需要满足(1)要有足够浓度的铀235；(2)要有足够数量的慢中子；(3)铀块的体积要大于临界体积。2.是不是所有的核裂变都能放出核能？提示：不是。只有核子平均质量减小的核反应才能放出核能。3.核裂变时为什么会有能量释放？如何计算核裂变时释放的能量？提示：因为重核的比结合能比中等质量核的比结合能小，所以重核分裂成中等质量的原子核时能释放出较大的能量；核能的释放可以根据核裂变前后的质量亏损，由质能方程求出。【探究总结】1.铀核的裂变：(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式。(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2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断进行下去，释放出越来越多的核能。(3)核能的释放：由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中等质量的原子核时，会发生质量亏损，释放核能。2.发生链式反应的三大条件：(1)要有足够浓度的铀235(浓缩铀)——因为铀235可以俘获各种能量的中子。(2)要有足够数量的慢中子——因为铀235俘获慢中子的概率大。(3)要有足够大的铀块，即铀块的体积不小于临界体积——不会使中子还未碰到铀核就逸出铀块。【典例示范】用中子轰击铀核，其中的一个可能反应是分裂成钡和氪

两部分，放出3个中子。各个核和中子的质量如下：mU=390.3139×10-27kg，mn=1.6749×10-27kg；mBa=234.0016×10-27kg，mKr=152.6047×10-27kg。试写出核反应方程，求出反应中释放的核能。【解析】根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒，就可以写出核反应方程。根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能。铀核裂变方程为则核反应前后的质量亏损为Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=0.3578×10-27kg由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为ΔE=Δmc2=0.3578×10-27×(3×108)2J=3.2202×10-11J答案：

3.2202×10-11J【探究特训】1.(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中一种裂变反应方程式是。下列说法正确的有 (

)A.上述裂变反应中伴随有中子放出B.铀块体积对链式反应的发生无影响C.铀核的链式反应可人工控制D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响【解析】选A、C。从铀核裂变方程可以看出，反应中伴随有中子放出，选项A正确；铀块的体积必须大于临界体积才能发生链式反应，选项B错误；通过控制中子数可以人工控制链式反应，选项C正确；铀核的半衰期与物理、化学状态无关，因此不受环境温度的影响，选项D错误。2.一个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，则下列叙述正确的是 (

)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.因为裂变时释放能量，根据E=mc2，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。X原子核中的核子数为(235+1)-(94+2)=140个，B错误；中子数为140-(92-38)=86个，A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D错。3.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，则a+b可能是 (

)A.

B.C. D.【解析】选D。根据题中所给裂变反应方程，质量数守恒，电荷数守恒，故a+b的质量数应为235+1-2=234，电荷数应为92，故只有D选项正确。主题二核电站【问题探究】1.结合下表分析核电站中反应堆的主要构造及作用。组成部分材料作用裂变材料(核燃料)______________提供核燃料慢化剂(减速剂)石墨、重水或普通水__________________________________控制棒___吸收减速后的中子，控制反应速度反射层_____阻止中子逃逸热交换器___产生高温高压蒸汽，推动汽轮发电机发电防护层金属套和钢筋混凝土_________________________________浓缩铀使裂变产生的快中子减速变为慢中子镉石墨水防止射线对人体及其他生物体的侵害2.为什么要用慢化剂将裂变产生的快中子变为慢中子？用什么作慢化剂？提示：中子的速度不能太快，否则会与铀235原子核擦肩而过，不能被铀核捉住也就不能发生裂变反应。实验证明只有速度与热运动速度相当的中子最适于引发裂变，所以要设法使裂变产生的速度很大的快中子减速，为此要在铀棒周围放“慢化剂”，使快中子跟慢化剂中的原子核碰撞，使快中子的能量减小，变为慢中子即热中子；常用的慢化剂有石墨、重水和普通水。3.如何实现裂变释放的核能转变为电能？核反应有很强的放射性，如何防止核泄漏和核辐射？提示：反应堆内释放的热量通过水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动传到热交换器，再通过热交换器传到第二回路的水使水吸热变为蒸汽，通过蒸汽推动汽轮机带动发电机发电；反应堆是建在很坚固的金属壳之内的。第一回路循环和第二回路的热交换器，全部用很厚的水泥防护层罩住，从而可以严防核辐射的泄漏。【探究总结】1.核能转化为电能：第一回路把核反应产生的内能通过热交换器传到第二回路变为水的内能，第二回路的水的内能推动蒸汽轮机带动发电机变为电能。2.核辐射的防护：(1)反应堆的金属壳和水泥防护层。(2)核废料装入特制的容器深埋地下。【典例示范】秦山核电站第三期工程的两个6×105kW发电机组已实现并网发电，发电站的核能来源于的裂变，下列说法正确的是 (

)A.反应堆中核反应速度通常是采用调节的体积来控制的B.的一种可能的裂变是C.是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短D.虽然核电站能提供很大的能量，但它对环境的污染比火电站严重【解析】选B。反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制，A错,裂变有多种可能性，这是其中常见的一种，B对；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温度压强等外界条件无关，C错；核电站的核能是清洁能源，污染少，D错。【探究特训】1.(多选)如图是慢中子反应堆的示意图，对于核反应堆，下列说法中正确的是 (

)A.铀235容易吸收快中子发生裂变反应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，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D.若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、C。根据铀235的特点，它更容易吸收慢中子而发生裂变，A错误；在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量从而更易让铀235吸收裂变，B正确；链式反应的剧烈程度取决于裂变释放出的中子总数，镉控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反应的快慢，即插入得深，吸收得多，反应将变慢，反之将加快，C正确，D错误。2.(多选)日本福岛第一核电站在地震后，数秒内就将控制棒插入核反应堆芯，终止了铀的裂变链式反应。但海啸摧毁了机组的冷却系统，因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量，核燃料棒温度不断上升，对周边环境产生了巨大的危害。则下列说法正确的是 (

)A.控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制B.日本后来向反应堆灌注海水，可以降温，但大量的被污染的海水外泄，对周边环境产生了巨大的危害C.核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大D.核泄漏中放射性物质对人类是有害的【解析】选A、B、D。因为核反应中有能量释放，可知有质量亏损，则铯、钡等原子的质量比铀原子质量小，故C错误。3.(多选)核反应堆是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。核反应方程式是反应堆中发生的许多核反应的一种，X是某种粒子，a是X粒子的个数，用mU、mBa、mKr分别表示核的质量，mX表示X粒子的质量，c为真空中的光速，以下说法正确的是 (

)A.X为中子，a=2B.X为中子，a=3C.上述核反应中放出的核能ΔE=(mU-mBa-mKr-2mX)c2D.上述核反应中放出的核能ΔE=(mU-mBa-mKr-3mX)c2【解析】选B、C。由裂变反应的特点可知，X是中子，再根据质量数、电荷数守恒可得，a=3，故A错误，B正确；而ΔE=(mU-mBa-mKr-2mX)c2，故C正确，D错误。【课堂回眸】课堂素养达标1.(多选)关于原子核反应堆，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.石墨的作用是吸收中子D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能【解析】选A、B、D。铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，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，B正确。慢中子最容易引发核裂变，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，C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，D正确。2.(多选)下列说法正确的是 (

)A.原子核在分裂或者聚合时释放的能量叫作核能B.用中子轰击比较大的原子核可以使其发生裂变获取核能C.核电站里的链式反应是可以控制的D.原子弹发生爆炸时发生的链式反应也是可以控制的【解析】选A、B、C。核能是指原子核在分裂或者聚合时由于质量亏损所释放的能量，A正确；用中子轰击比较大的原子核使其发生裂变时，会有质量亏损，我们可以获取该过程所释放的核能，B正确；核电站里的链式反应可以通过“慢化剂”和“镉棒”来控制，C正确；原子弹发生爆炸时发生的链式反应是不可控的，或者说没有控制的必要，故D错误。3.(多选)核反应方程表示中子轰击原子核可能发生的一种核反应，该核反应释放出的核能为ΔE。关于这个核反应，下列说法中正确的是 (

)A.该反应属于核裂变B.中的X为146C.中含有56个中子D.该反应的质量亏损为

【解析】选A、D。裂变反应是较重的原子核在其他粒子的轰击下，分裂成几个中等的原子核，可知该反应属于裂变反应，选项A正确；根据电荷数守恒、质量数守恒知，质量数为：X=235+1-89-3=144，选项B错误；Ba的核子数为144，其质子数为56，所以中子数为n=144-56=88，选项C错误；该核反应释放出的核能为ΔE，根据爱因斯坦质能方程可知，该反应的质量亏损为，选项D正确。4.吸收一个慢中子后，分裂成和，还放出 (

)A.1个α粒子 B.3个中子C.10个中子 D.10个质子【解析】选C。设放出的粒子的质量数为x，电荷数为y，核反应过程满足质量数守恒和电荷数守恒。由题意可知由此判定该核反应放出的一定是中子，且个数是10，C选项正确。5.下列核反应中，表示核裂变的是 (

)A.

B.

C.D.【解析】选B。裂变是重核俘获中子后变成中等质量的原子核，同时还要放出几个中子。故选B。6.在核反应式中 (

)A.X是