2024-2025学年高中物理第三章原子核5核裂变教案教科版选修3-5

PAGE9-5核裂变一、核裂变1．裂变重核被中子轰击后分裂成两块质量差不多的新原子核，称为裂变．2．铀核裂变用中子轰击铀核，铀核发生裂变，铀核裂变的产物是多样的，其中最典型的反应是生成钡和氪，同时放出三个中子．核反应方程式为：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.3．链式反应当一个中子引发一个铀核裂变后，反应释放出的中子又轰击其他原子核产生裂变，释放出的中子又轰击其他铀原子核……这样的反应一代接一代进行下去的过程，叫做裂变的链式反应．4．临界体积和临界质量通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量．5．发生链式反应的条件裂变物质的体积必需大于或等于临界体积，或裂变物质的质量必需大于或等于临界质量．如图所示为我国于1964年10月16日放射的第一颗原子弹爆炸胜利的图片．同时，我国政府慎重承诺：中国在任何时候、任何状况下，都不首先运用核武器，不对无核国家或地区运用或威逼运用核武器．我国研制胜利原子弹，极大地增加了我国的国防力气．你知道这其中蕴涵的物理学问吗？提示：原子弹是利用重核的裂变反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸．二、核电站原子核的链式反应可以在人工的限制下进行，从而实现了核能的可控释放，实现可控的条件是限制引起链式反应的中子的数目，方法是在核反应堆中的铀棒之间插入一些镉棒，镉具有极强的汲取中子的实力，当将镉棒插得深一些时，就能多汲取一些中子，使链式反应的速度慢下来，这种镉棒又叫限制棒．核能作为一种新型能源，在人类的发展过程中所起的作用越来越重要．核反应堆中发生着怎样的核反应？提示：核反应堆中发生的是可控链式反应．考点一重核的裂变及链式反应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态．(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2～3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)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．(4)铀的存在形式在自然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是eq\o\al(238,92)U,0.70%的是eq\o\al(235,92)U，虽然中子都能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子作用的状况明显不同．①eq\o\al(235,92)U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．②eq\o\al(238,92)U只有在俘获的中子的能量大于1MeV时才能发生核反应，且裂变的几率较小．对于低于1MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不能引起核反应．2．链式反应的条件铀块的体积大于或等于临界体积、质量大于或等于临界质量，只要满意其中之一即可．【例1】(多选)关于铀核裂变，下述说法正确的是()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简单进行，最好用纯铀235D．铀块的体积对发生链式反应无影响1．什么是核裂变？2．什么是链式反应？3．链式反应发生的条件是什么？【解析】铀核受到中子的轰击，会发生裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两种不同的核的状况较多，也有的分裂成多种不同的核，并放出2～3个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量较高的中子时才能引起裂变，且裂变的概率小，而要发生链式反应，需使铀块体积大于或等于临界体积，故选项B、C正确．【答案】BC总结提能本题考查了重核裂变的学问．重核裂变是重核受中子轰击后分裂成中等质量核的反应，其释放能量的缘由是重核的比结合能比中等质量核小．关于重核的裂变，以下说法正确的是(D)A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B．中子进入铀块中时，肯定发生链式反应C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数量减小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：依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发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，而并非中子的能量，故A错误．链式反应是有条件的，即铀块的体积必需大于或等于其临界体积．假如体积小，中子进入铀块时，裂变中产生的中子散失到外界，没有足够的中子，则链式反应就不会发生，故B错误．在裂变反应中核子数是不会削减的，如eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(136,54)Xe＋10eq\o\al(1,0)n.其中各粒子质量分别为mU＝235.0439u，mn＝1.00867u，mSr＝89.9077u，mXe＝135.9072u，质量亏损为Δm＝(mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn)≈0.1510u可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会削减的，因此C错误．重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，发生质量亏损，从而释放出核能，故D正确．故选D.考点二核电站1．核心：核电站的核心是核反应堆，其简化示意图如下：各部分的作用如下：(1)铀棒：由自然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，它是核反应堆的燃料．(2)石墨(或重水)：石墨(或重水)作为减速剂，附着在铀棒四周，使反应生成的快速中子变为慢中子，便于铀235汲取，发生裂变．(3)镉棒：主要作用是汲取中子，限制反应速度，所以叫做限制棒．(4)混凝土防护层：屏蔽射线防止放射性污染．2．核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少：一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30t左右，而同样功率的火电站每年要消耗250万吨．(2)污染小：核电对环境的污染比火电小．【例2】铀核裂变的很多可能的核反应中的一个是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n.(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量(eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr、eq\o\al(1,0)n的质量分别为235.0439u、140.9139u、91.8973u、1.0087u)；(2)1kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？它相当于燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107J/kg)【解析】(1)铀核裂变的质量亏损为Δm＝(235.0439＋1.0087－140.9139－91.8973－3×1.0087)u＝0.2153u.一个铀235原子核裂变后释放的能量为ΔE＝Δmc2＝0.2153×931.5MeV≈200.6MeV.(2)1kg铀235中含有原子核的个数为N＝eq\f(103,235)×6.02×1023≈2.56×1024，1kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量E＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6MeV≈5.14×1026MeV.设q为煤的热值，m为煤的质量，有E＝qm，所以m＝eq\f(E,q)＝eq\f(5.14×1026×1.6×106×10－19,2.94×107)kg≈2800t.【答案】(1)200.6MeV(2)5.14×1026MeV2800t总结提能解答此类题的关键在于如何把已知与所求联系起来，特殊是要能考虑到利用相对原子质量和阿伏加德罗常数去计算1kg铀所含的原子核的个数，只要能想到这儿，一切问题就都迎刃而解了．eq\o\al(235,92)U受中子轰击时会发生裂变，产生eq\o\al(139,56)Ba和eq\o\al(94,36)Kr，同时放出200MeV的能量．现要建设发电实力是50万千瓦的核电站，用铀235作为原子锅炉的燃料．假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天须要纯铀235的质量为多少？若改用火力发电，须要燃烧值为2.94×107J/kg的煤多少吨？阿伏加德罗常数为6.02×1023mol－1.答案：0.527kg1.47×103t解析：依据发电功率计算出每天应发电能的总量E＝24h×3.6×103×P＝4.32×1013J.要得到这么多能量须要裂变的铀原子数目n＝eq\f(4.32×1013,2×108×1.6×10－19)＝1.35×1024(个)．则对应的质量m＝eq\f(n,N)·μ＝eq\f(1.35×1024,6.02×1023)×235×10－3kg＝0.527kg.须要的煤的质量为m′＝eq\f(E,2.94×107J/kg)＝eq\f(4.32×1013,2.94×107)kg＝1.47×106kg＝1.47×103t.重难疑点辨析了解原子弹的原理原子弹是利用快中子导致链式反应而发生原子爆炸的武器．在裂变材料的体积大于临界体积时，可以使增殖系数K>1，这时中子数可逐代倍增，最终引起原子爆炸．对纯eq\o\al(235,eq\a\vs4\al(92)U，其K＝2.若N0＝1，则到第90代时，中子数已增到N＝280个，其已大到相当于1kg铀的原子数，因此1kg纯eq\o\al(235,eq\a\vs4\al(92)U只要经过80代裂变就可以全部发生裂变．若将1kg铀做成球状，其直径不过5cm，而快中子的速度约为2×107m·s－1，所以裂变进行得极其迅猛，其爆炸可在百分之一秒内完成．原子弹的结构形式有很多种，一般是将两块和多块小于临界体积的eq\o\al(235,92)U(或eq\o\al(233,92)U、eq\o\al(239,94)Pu等)放在一个密封的弹壳内，平常这几块相隔肯定的距离，所以不会爆炸．运用时可通过引爆装置使它们隧然合为一体，由于其体积超过临界体积，爆炸立即发生．【典例】1964年10月16日，我国在新疆罗布泊沙漠胜利地进行了第一颗原子弹试验，结束了中国无核时代．(1)原子弹爆炸事实上是利用铀核裂变时释放出很大能量，由于裂变物质的体积超过临界体积而爆炸．①完成下面核裂变反应方程式：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→()Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n＋200MeV.②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么？(2)为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染环境，需实行哪些措施？(写两种)【解析】(1)①依据核反应过程质量数、电荷数守恒可知，eq\o\al(235,92)U裂变为eq\o\al(140,54)Xe.②裂变自动持续下去的反应叫链式反应．(2)核反应堆外面须要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线；放射性核废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理．【答案】(1)①eq\o\al(140,54)Xe②链式反应(2)见解析原子弹与核电站都是核能利用的成果，都是利用了重核裂变，但原子弹爆炸时的反应速度是不行控的．1．镉棒在核反应堆中的作用是(D)A．使快中子变慢中子B．使慢中子变快中子C．使反应速度加快D．限制反应速度，调整反应速度的快慢解析：在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，镉棒起汲取中子，限制反应速度，调整功率大小的作用．2.eq\o\al(235,92)U汲取一个慢中子后，分裂成eq\o\al(136,54)Xe和eq\o\al(90,38)Sr，还放出(C)A．1个α粒子 B．3个中子C．10个中子 D．10个质子解析：设放出的粒子的质量数为x，电荷数为y，核反应过程满意质量数守恒和电荷数守恒．由题意可得eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(235＋1＝136＋90＋x,92＝54＋38＋y))解得eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(x＝10，,y＝0.))由此推断该核反应放出的肯定是中子，且个数是10.3．原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等，在下列核反应中，属于核裂变反应的是(D)A.eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(7,3)Li＋eq\o\al(4,2)HeB.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeC.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HD.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n解析：由链式反应特点知：反应过程中由一个中子引发裂变，放出2～3个中子促成链式反应，故D正确．4．(多选)如图是慢中子反应堆的示意图，对核反应堆的下列说法正确的是(BC)A．铀235简单汲取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削减，变成慢中子，慢中子简单被铀235俘获而引起裂变反应C．限制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使限制棒插入深一些，让它多汲取一些中