2024-2025学年高中物理第十九章原子核第六节核裂变学案新人教版选修3-5

PAGE7-第六节核裂变【素养目标定位】※知道什么是裂变※了解铀核的裂变特点※知道重核裂变能放出能量，知道链式反应※了解核电站的工作原理【素养思维脉络】课前预习反馈教材梳理·夯基固本·落实新知学问点1重核的裂变1．定义使重核分裂成__中等质量__的原子核的核反应叫重核的裂变。2．核反应类型重核的裂变只发生在__人为限制__的核反应中，自然界不会自发的产生。3．一种典型的铀核裂变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__。学问点2链式反应1．定义重核裂变产生的__中子__使裂变反应一代接一代接着下去的过程叫链式反应。2．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__。学问点3核电站1．核电站的工作原理核电站的核心是__核反应堆__，其简化示意图如图所示。各部分作用如下：(1)核燃料：反应堆运用浓缩铀(铀235占3%～4%)制成__铀棒__作为核燃料，释放__核能__。(2)减速剂：用__石墨、重水或一般水__，使裂变中产生的中子减速，以便被铀235汲取。(3)限制棒：由汲取中子实力很强的__镉__制成，用以限制__反应速度__。(4)水泥防护层：反应堆外层是很厚的__水泥壁__，可防止射线辐射出去。(5)热交换器：靠__水__和__液态金属钠__在反应堆内外的循环流淌，把产生的热量传输出去。2．核电站与火电站相比有何优缺点(1)优点：①核电站消耗的燃料__很少__。②作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量__很大__。③火电站烧煤要放出许多污染物，而核电站放出的污染物要__少得多__。(2)缺点：①一旦核泄漏会造成严峻的__核污染__。②核废料处理__比较困难__。思索辨析『判一判』(1)只要铀块的体积大于临界体积，就可以发生链式反应。(×)(2)中子从铀块中通过时，肯定发生链式反应。(×)(3)重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小。(×)(4)核反应堆是通过调整中子数目以限制反应速度。(√)(5)核反应堆用过的核废料无毒无害。(×)『选一选』山东荣成石岛湾核电站总装机规模400万千瓦。核电站与火电站相比较，下列说法错误的是(B)A．核燃料释放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，地球上核燃料资源远大于煤炭C．在经济效益方面核电与火电不前不后D．核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理解析：核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量，A正确；就可采储量所供应的能量来说，核燃料资源远大于煤炭所能供应的能量，而不是采储量，B错误；在经济效益方面核电与火电不前不后，C正确；核电站是有污染的，核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理，D正确。『想一想』如图为核裂变示意图。(1)重核裂变是一种自然现象吗？(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？答案：(1)不是(2)不能解析：重核的裂变不能自发地进行，只能发生在人工限制的核反应中，只有达到链式反应的条件时，才会发生重核的裂变。课内互动探究细研深究·破疑解难·萃取精华探究重核的裂变及链式反应┃┃思索探讨1__■1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸胜利，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1600m范围内全部动植物全部死亡(1)巨大的核能是从哪里来的？(2)在利用重核裂变制成的原子弹中，需不须要用镉制成的限制棒？提示：(1)铀核的裂变(2)不须要┃┃归纳总结__■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)n②eq\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)n2．链式反应的条件(1)要有足够浓度的235U(2)要有足够数量的慢中子(3)铀块的体积要大于临界体积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。┃┃典例剖析__■典例1关于重核裂变，下列说法正确的是(D)A．重核裂变成中等核要汲取能量B．中子进入铀块中时，肯定能发生链式反应C．重核裂变过程中质量数削减D．较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出核能解题指导：eq\x(裂变反应特点)→eq\x(规律)→eq\x(发生条件)解析：中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定。假如使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出能量。由此知A错误，D正确；当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子假如能引起其他铀核裂变，链式反应才能进行，B错误；核反应满意电荷数守恒和质量数守恒，C错误。┃┃对点训练__■1．(2024·天津一中高二下学期期末)2024年4月23日，海军建军70周年阅兵式上，中国海军新型攻击核潜艇093改进型攻击核潜艇公开亮相。核潜艇是以核反应堆作动力源。关于核反应，下列说法正确的是(C)A．核反应方程eq\o\al(12,6)C→eq\o\al(12,7)N＋eq\o\al(0,－1)e属于β衰发，而β射线来自原子外层的电子B．核反应方程eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n属于裂变，是核潜艇的动力原理C．核反应方程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属于裂变，是原子弹裂变反应原理D．核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和解析：β衰变是原子核的衰变，与核外电子无关，故A错误；质量数较小的核转化为质量较大的核，属于轻核聚变，故B错误；质量数较大的核裂变为质量中等的核，属于重核裂变，是原子弹裂变反应原理，故C正确；核反应前后核子数相等，核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，故D错误。探究核电站┃┃思索探讨2__■如图所示为核电站工作流程示意图(1)核电站的核心设施是什么？(2)核电站是如何实现能量的转化与转移的？提示：(1)核电站的核心设施是核反应堆。(2)通过热交换器将核反应中产生的热量输送出来，推动汽轮机工作。┃┃归纳总结__■核反应堆原子核的链式反应可以在人工限制下进行，使核能较平缓地释放出来，这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务，裂变反应堆的结构和工作原理如下表所示：组成部分材料作用裂变材料(核燃料)浓缩铀(eq\o\al(235,92)U)供应核燃料慢化剂(减速剂)石墨、重水或一般水使裂变产生的快速中子减速限制棒镉汲取减速后的中子，限制反应速度反射层石墨阻挡中子逃逸热交换器水产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电防护层金属套和钢筋混凝土防止射线对人体及其他生物体的侵害特殊提示在利用核反应堆发电时，肯定要留意平安防护，历史上曾经有过核电站泄漏事故。┃┃典例剖析__■典例2(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中正确的是(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，应使限制棒插入深一些，使大量快中子碰撞限制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些解题指导：深化理解核反应堆的工作原理，是处理该类问题的关键。解析：依据铀235的特点，它更简单汲取慢中子而发生裂变，A错误；在反应堆中减速剂的作用就是削减快中子能量从而更易让铀235汲取裂变，B正确；链式反应的猛烈程度取决于裂变释放出的中子总数，镉限制棒可以汲取中子，因而可以限制核反应的快慢，即插入的深，汲取的多，反应将变慢，反之将加快，C正确，D错误。┃┃对点训练__■2．原子反应堆是实现可限制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成，它们是(A)A．原子燃料、慢化剂、冷却系统和限制调整系统B．原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统C．原子燃料、慢化剂、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：原子反应堆是实现可限制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由原子燃料、慢化剂、冷却系统和限制调整系统四部分组成，故A正确。核心素养提升易错警示·以题说法·启智培优核能的利用与计算1．核能的应用原子弹杀伤力强大的缘由是核能在极短时间内释放出来。核电站是利用缓慢释放的核能来发电，这是核能的和平利用。2．核能的计算(1)若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2(2)若以原子质量单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×931.5MeV(3)两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1MeV＝1×106×1.6×10－19J＝1.6×10－13J案例山东烟台海阳核电站项目，一期工程建设两台125万千瓦AP1000核电机组，于2024年并网发电。假如铀235在中子的轰击下裂变为eq\o\al(90,38)Sr和eq\o\al(136,54)Xe，质量mU＝235.0439u，mn＝1.0087u，mSr＝89.9077u，mXe＝135.9072u。(1)写出裂变方程；(2)求出一个铀核裂变放出的能量；(3)若铀矿石的浓度为3%，一期工程建成后，一年将消耗多少吨铀矿石？解析：(2)裂变过程的质量亏损Δm＝mU＋mn－mSr－mXe－10mn＝0.1507u释放的能量ΔE＝Δmc2＝0.1507×931MeV≈140.3MeV(3)核电站一年的发电量E＝Pt＝2×125×107×365×24×60×60J＝7.884×1016J