高中物理第十九章原子核第六節(jié)核裂變學案新人教版選修

最新中小學教案、試題、試卷第六節(jié)核裂變學 習 目 標知道什么是裂變了解鈾核的裂變特點知道重核裂變能放出能量，知道鏈式反應(yīng)了解核電站的工作原理知 識 導 圖知識點1重核的裂變1定義使重核分裂成_中等質(zhì)量_的原子核的核反應(yīng)叫重核的裂變。2核反應(yīng)類型重核的裂變只發(fā)生在_人為控制_的核反應(yīng)中，自然界不會自發(fā)的產(chǎn)生。3一種典型的鈾核裂變UnBaKr_3n_。知識點2鏈式反應(yīng)1定義重核裂變產(chǎn)生的_中子_使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程叫鏈式反應(yīng)。2條件發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于_臨界體積_或裂變物質(zhì)的質(zhì)量大于_臨界質(zhì)量_。知識點3核電站1核電站的工作原理核電站的核心是_核反應(yīng)堆_，其簡化示意圖如圖所示。各部分作用如下：(1)核燃料：反應(yīng)堆使用濃縮鈾(鈾235占3%4%)制成_鈾棒_作為核燃料，釋放_核能_。(2)減速劑：用_石墨、重水和普通水_，使裂變中產(chǎn)生的中子減速，以便被鈾235吸收。(3)控制棒：由吸收中子能力很強的_鎘_制成，用以控制_反應(yīng)速度_。(4)水泥防護層：反應(yīng)堆外層是很厚的_水泥壁_，可防止射線輻射出去。(5)熱交換器：靠_水_和_液態(tài)金屬鈉_在反應(yīng)堆內(nèi)外的循環(huán)流動，把產(chǎn)生的熱量傳輸出去。2核電站與火電站相比有何優(yōu)缺點(1)優(yōu)點：核電站消耗的燃料_很少_。作為核燃料的鈾、釷等在地球上的可采儲量_很大_。火電站燒煤要放出很多污染物，而核電站放出的污染物要_少得多_。(2)缺點：一旦核泄漏會造成嚴重的_核污染_。核廢料處理_比較困難_。 預習反饋判一判(1)只要鈾塊的體積大于臨界體積，就可以發(fā)生鏈式反應(yīng)。()(2)中子從鈾塊中通過時，一定發(fā)生鏈式反應(yīng)。()(3)重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減小。()(4)核反應(yīng)堆是通過調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度。()(5)核反應(yīng)堆用過的核廢料無毒無害。()選一選山東榮成石島灣核電站總裝機規(guī)模400萬千瓦。核電站與火電站相比較，下列說法錯誤的是(B)A核燃料釋放的能量遠大于相等質(zhì)量的煤放出的能量B就可采儲量來說，地球上核燃料資源遠大于煤炭C在經(jīng)濟效益方面核電與火電不相上下D核反應(yīng)堆用過的核廢料具有很強的輻射性，要做特殊處理解析：核燃料釋放的能量遠大于相等質(zhì)量的煤放出的能量，A正確；就可采儲量所提供的能量來說，遠大于煤炭所能提供的能量，而不是采儲量，B錯誤；在經(jīng)濟效益方面核電與火電不相上下，C正確；核電站是有污染的，核反應(yīng)堆用過的核廢料具有很強的輻射性，要做特殊處理，D正確。想一想如圖為核裂變示意圖。(1)重核裂變是一種天然現(xiàn)象嗎？(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈式反應(yīng)嗎？答案：(1)不是(2)不能解析：重核的裂變不能自發(fā)地進行，只能發(fā)生在人工控制的核反應(yīng)中，只有達到鏈式反應(yīng)的條件時，才會發(fā)生重核的裂變。探究一重核的裂變及鏈式反應(yīng)S11964年10月16日，中國第一顆原子彈在羅布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相當于1.8萬噸TNT炸藥。爆炸時安放原子彈的鋼塔全部熔化，在半徑400m的范圍內(nèi)，沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質(zhì)，半徑1600m范圍內(nèi)所有動植物全部死亡(1)巨大的核能是從哪里來的？(2)在利用重核裂變制成的原子彈中，需不需要用鎘制成的控制棒？提示：(1)鈾核的裂變(2)不需要G1鈾核的裂變(1)核子受激發(fā)：當中子進入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復核，復核中由于核子的激烈運動，使核變成不規(guī)則的形式。(2)核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出23個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷進行下去，釋放出越來越多的核能。(3)常見的裂變方程：UnXeSr2nUnBaKr3n2鏈式反應(yīng)的條件(1)要有足夠濃度的235U(2)要有足夠數(shù)量的慢中子(3)鈾塊的體積要大于臨界體積3裂變反應(yīng)的能量鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量。一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變放出的能量相當于2800t標準煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產(chǎn)生幾百萬度的高溫。D典例1關(guān)于重核裂變，下列說法正確的是(D)A重核裂變成中等核要吸收能量B中子進入鈾塊中時，一定能發(fā)生鏈式反應(yīng)C重核裂變過程中質(zhì)量數(shù)減少D較重的核分裂成中等大小的核，核子的平均結(jié)合能會增加，可以釋放出核能解題指導：解析：中等大小的原子核的平均結(jié)合能最大，這些核最穩(wěn)定。如果使較重的核分裂成中等大小的核，核子的平均結(jié)合能會增加，可以釋放出能量。由此知A錯誤，D正確；當一個中子引起一個鈾核的裂變后，放出中子，放出的中子如果能引起其他鈾核裂變，鏈式反應(yīng)才能進行，B錯誤；核反應(yīng)滿足電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，C錯誤。,對點訓練1(多選)(河北省邯鄲市20172018學年高三模擬)鈾核裂變是核電站核能的重要來源，其中一種裂變反應(yīng)式是UnBaKr3n。下列說法正確的有(AC)A上述裂變反應(yīng)中伴隨著中子放出B鈾塊體積對鏈式反應(yīng)的發(fā)生無影響C鈾核的鏈式反應(yīng)可人工控制D鈾核的半衰期會受到環(huán)境溫度的影響解析：裂變反應(yīng)式中的n為中子，鈾塊只有體積大于臨界體積，才能發(fā)生鏈式反應(yīng)，且鈾核的鏈式反應(yīng)是可控的，A、C對B錯；放射性元素的半衰期不受外界壓強、溫度的影響，D錯。探究二核電站S2如圖所示為核電站工作流程示意圖(1)核電站的核心設(shè)施是什么？(2)核電站是如何實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移的？提示：(1)核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆。(2)通過熱交換器將核反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量輸送出來，推動汽輪機工作。G核反應(yīng)堆原子核的鏈式反應(yīng)可以在人工控制下進行，使核能較平緩地釋放出來，這樣釋放的核能就可以為人類的和平建設(shè)服務(wù)，裂變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)和工作原理如下表所示：組成部分材料作用裂變材料(核燃料)濃縮鈾(U)提供核燃料慢化劑(減速劑)石墨、重水或普通水使裂變產(chǎn)生的快速中子減速控制棒鎘吸收減速后的中子，控制反應(yīng)速度反射層石墨阻止中子逃逸熱交換器水產(chǎn)生高溫蒸汽，推動汽輪發(fā)電機發(fā)電防護層金屬套和鋼筋混凝土防止射線對人體及其他生物體的侵害特別提醒：在利用核反應(yīng)堆發(fā)電時，一定要注意安全防護，歷史上曾經(jīng)有過核電站泄漏事故。D典例2(多選)如圖是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對核反應(yīng)堆的下列說法中正確的是(BC)A鈾235容易吸收快中子發(fā)生裂變反應(yīng)B快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)C控制棒由鎘做成，當反應(yīng)過于激烈時，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度就會慢一些D若要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈式反應(yīng)的速度就會快一些解題指導：深入理解核反應(yīng)堆的工作原理，是處理該類問題的關(guān)鍵。解析：根據(jù)鈾235的特點，它更容易吸收慢中子而發(fā)生裂變，A錯誤；在反應(yīng)堆中減速劑的作用就是減少快中子能量從而更易讓鈾235吸收裂變，B正確；鏈式反應(yīng)的劇烈程度取決于裂變釋放出的中子總數(shù)，鎘控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反應(yīng)的快慢，即插入的深，吸收的多，反應(yīng)將變慢，反之將加快，C正確，D錯誤。,對點訓練2原子反應(yīng)堆是實現(xiàn)可控制的重核裂變鏈式反應(yīng)的一種裝置，它主要由四部分組成，它們是(A)A原子燃料、慢化劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)B原子燃料、慢化劑、發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)C原子燃料、慢化劑、碰撞系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)D原子燃料、中子源、原子能存聚系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)解析：原子反應(yīng)堆是實現(xiàn)可控制的重核裂變鏈式反應(yīng)的一種裝置，它主要由原子燃料、慢化劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)四部分組成，故A正確。核能的利用與計算1核能的應(yīng)用原子彈殺傷力強大的原因是核能在極短時間內(nèi)釋放出來。核電站是利用緩慢釋放的核能來發(fā)電，這是核能的和平利用。2核能的計算(1)若以kg為質(zhì)量虧損m的單位，則計算時應(yīng)用公式Emc2(2)若以原子單位“u”為質(zhì)量虧損單位，則Em931.5MeV(3)兩種方法計算的核能的單位分別為“J”和“MeV”，1MeV11061.61019J1.61013J案例山東煙臺海陽核電站項目，一期工程和2號常規(guī)島正在進行設(shè)備安裝，一期工程規(guī)劃建設(shè)兩臺125萬千瓦AP1000核電機組，預計2016年并網(wǎng)發(fā)電。如果鈾235在中子的轟擊下裂變?yōu)镾r和Xe，質(zhì)量mU235.0439u，mn1.0087u，mSr89.9077u，mXe135.9072u。(1)寫出裂變方程；(2)求出一個鈾核裂變放出的能量；(3)若鈾礦石的濃度為3%，一期工程建成后，一年將消耗多少噸鈾礦石？解析：(2)裂變過程的質(zhì)量虧損mmUmnmSrmXe10mn0.1507u釋放的能量Emc20.1507931MeV140.3MeV(3)核電站一年的發(fā)電量EPt2125107365246060J7.8841016J由ENENAE，得mg4.57107g45.7t答案：(1)UnSrXe10n(2)140.3MeV(3)45.7t1(安徽省池州市2018屆高三上學期期末)前不久，新華社評出2017年國際十大新聞：朝鮮核導試驗半島局勢趨緊列第五。有關(guān)核反應(yīng)方程，下列說法正確的是(A)AUThHe屬于衰變BNHeOH是衰變C 核反應(yīng)方程PoXHe中的y206，X的中子個數(shù)為128D 鈾核裂變的核反應(yīng)為UBaKr2n解析：衰變是重核自發(fā)的放出粒子的天然放射現(xiàn)象，其中粒子是He，故A正確；NHeOH是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的原子核人工轉(zhuǎn)變，故B錯誤；X的中子個數(shù)為20682124，故C錯誤；鈾核裂變屬于重核裂變，不能自發(fā)進行，故D錯誤。2(湖南永州20162017學年高三二模)在所有能源中，核能具有能量密度大、區(qū)域適應(yīng)性強的優(yōu)勢。在核電站中，核反應(yīng)堆釋放的核能被轉(zhuǎn)化為電能。核反應(yīng)堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量的核能。其中用中子轟擊鈾核發(fā)生裂變是核反應(yīng)堆中最常見的反應(yīng)，請完成此核反應(yīng)方程UnBaKr_3n_；在此核反應(yīng)中，分別用mn和mp表示中子和質(zhì)子的質(zhì)量，用mU、mBa、mKr表示U、Ba、Kr的質(zhì)量，用c表示真空中的光速，該反應(yīng)過程中釋放的核能為_(mUmBamKr2mn)c2_。解析：核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別守恒；質(zhì)量虧損等于核反應(yīng)過程中，反應(yīng)前的質(zhì)量減反應(yīng)后的質(zhì)量，然后由質(zhì)能方程求解核能。3(山東日照市20162017學年高二下學期調(diào)研)2015年9月3日，是我國紀念抗日戰(zhàn)爭和世界反法西斯戰(zhàn)爭勝利70周年。1945年7月，為了加速日本軍國主義的滅亡，促使日本早日無條件投降，美國在日本的廣島、長崎投下了兩枚原子彈。落在日本廣島的原子彈，其爆炸力相當于2104t TNT爆炸的能量(約8.41013J)，由此可知該原子彈中鈾235的質(zhì)量是多少千克？(已知裂變的核反應(yīng)方程UnBaKr3n201 MeV，阿伏加德羅常數(shù)NA6.021023)答案：1.02kg解析：由核反應(yīng)方程知，一個鈾核裂變能放出201MeV的能量，1mol鈾核裂變放出的能量為E16.021023201MeV1.9361013J,1mol鈾核的質(zhì)量為0.235kg，則原子彈中鈾核的質(zhì)量為m0.235kg0.235kg1.02kg。 基礎(chǔ)夯實 一、選擇題(14題為單選題，5、6題為多選題)1.U吸收一個慢中子后，分裂成Xe和Sr，還放出(C)A1個粒子B3個中子C10個中子 D10個質(zhì)子解析：設(shè)放出的粒子的質(zhì)量數(shù)為x，電荷數(shù)為y，核反應(yīng)過程滿足質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。由題意可知則由此判定該核反應(yīng)放出的一定是中子，且個數(shù)是10，C選項正確。2中國承諾到2020年碳排放量下降40%45%。為了實現(xiàn)負責任大國的承諾，我國將新建核電站項目。目前關(guān)于核電站獲取核能的基本核反應(yīng)方程可能是(A)AUnSrXe10nBNaMgeCNHeOHDUThHe解析：重核的裂變是指質(zhì)量數(shù)較大的原子核分裂成兩個中等質(zhì)量的原子核，A是裂變反應(yīng)，A正確；B為衰變，C是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的反應(yīng)，D是衰變。31938年哈恩用中子轟擊鈾核，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中有原子核鋇(Ba)、氪(Kr)、中子和一些射線。下列關(guān)于這個實驗的說法中正確的是(D)A這個實驗的核反應(yīng)方程是UnBaKrnB這是一個核裂變過程，反應(yīng)后粒子質(zhì)量之和大于反應(yīng)前粒子質(zhì)量之和C這個反應(yīng)中釋放出的能量不可以用愛因斯坦的質(zhì)能方程來計算D實驗中產(chǎn)生的射線穿透能力極強解析：根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，鈾核裂變的核反應(yīng)方程應(yīng)為：UnBaKr3n，選項A不正確；鈾核裂變過程中產(chǎn)生射線，放出能量，發(fā)生質(zhì)量虧損，釋放的能量根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程計算，選項B、C不正確；核反應(yīng)中產(chǎn)生的射線，穿透能力極強，是能量極高的光子，選項D正確。4在核反應(yīng)中，控制鈾235核裂變反應(yīng)速度的方法是(C)A使用濃縮鈾B改變鈾塊的臨界體積C通過自動控制裝置，改變鎘棒插入的深度，以改變參與反應(yīng)的中子數(shù)D利用石墨與中子的碰撞來改變中子的速度解析：在核反應(yīng)中，使用的濃縮鈾達到臨界條件才能發(fā)生鏈式反應(yīng)；在反應(yīng)中石墨作為“慢化劑”使快中子減速為慢中子，使鈾核能進一步反應(yīng)，故它們都不是用來控制核反應(yīng)速度的方法，A、B、D錯誤。調(diào)節(jié)中子數(shù)目是控制反應(yīng)速度的方法，鎘棒具有很強的吸收中子的能力，C正確。5(重慶一中20152016學年高二下學期期中)下列說法正確的是(AC)A盧瑟福通過實驗發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子的核反應(yīng)方程為HeNOHB鈾核裂變的核反應(yīng)是UBaKr2nC已知質(zhì)子、中子、粒子的質(zhì)量分別為m1、m2、m3，那么，2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個粒子，釋放的能量是(2m12m2m3)c2D鈾(U)經(jīng)過多次、衰變形成穩(wěn)定的鉛(Pb)的過程中，有4個中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子解析：根據(jù)物理學史知選項A正確；鈾核裂變必須吸收慢中子，B錯誤；根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，知C正確；UPb8He6e，有6個中子轉(zhuǎn)變或原子，故D錯誤。6關(guān)于原子核反應(yīng)堆，下列說法正確的是(ABD)A鈾棒是核燃料，裂變時釋放核能B鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率C石墨的作用是吸收中子D冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱能解析：鈾棒是核燃料，裂變時可放出能量，A正確；鎘棒吸收中子的能力很強，作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，即控制反應(yīng)堆功率，B正確；慢中子最容易引發(fā)核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進行減速，石墨的作用是使中子減速，C錯誤；水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應(yīng)堆冷卻，控制溫度，D正確。二、非選擇題7一個鈾235核裂變時釋放出196MeV的能量，則1kg鈾235完全裂變時所放出的能量為多少？它相當于多少噸優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時放出的能量。(煤的熱值為3.36106J/kg)答案：8.031013J2.39104t解析：根據(jù)一個鈾235原子核裂變后釋放的能量為E196MeV。1kg鈾235中含原子核的個數(shù)為NNA6.0210232.561024則1kg鈾235原子核發(fā)生裂變時釋放的總能量ENNE2.561024196MeV5.021026MeV8.031013J；令q3.36106J/kg為煤的熱值，設(shè)m為煤的質(zhì)量，則有ENqm，所以mkg2.39107kg2.39104t。 能力提升 一、選擇題(12題為單選題，3、4題為多選題)1關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是(D)A核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量B中子從鈾塊中通過時，一定發(fā)生鏈式反應(yīng)C重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減小D由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能解析：根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變放能的原理分析可知，裂變時因鈾核俘獲中子即發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程。其釋放的能量遠大于其俘獲中子時吸收的能量，鏈式反應(yīng)是有條件的，即鈾塊的體積必須大于其臨界體積，如果體積小，中子從鈾塊中穿過時，碰不到原子核，則鏈式反應(yīng)就不會發(fā)生。在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會減小的，如U裂變?yōu)镾r和Xe的核反應(yīng)，其核反應(yīng)方程為UnSrXe10n，其中各粒子質(zhì)量分別為mU235.0439u，mn1.00867u，mSr89.9077u，mXe135.9072u，質(zhì)量虧損為m(mUmn)(mSrmXe10mn)0.1510u可見鈾裂變的質(zhì)量虧損是遠小于一個核子的質(zhì)量的，核子數(shù)是不會減少的，因此選項A、B、C均錯。重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時，由于核子平均質(zhì)量小，會發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能。綜上所述，選項D正確。2我國秦山核電站第三期工程中有兩個60萬千瓦的發(fā)電機組，發(fā)電站的核能來源于U的裂變，現(xiàn)有四種說法：U原子核中有92個質(zhì)子，143個中子；U的一種可能裂變是變成兩個中等質(zhì)量的原子核，反應(yīng)方程為UnXeSr2n；U是天然放射性元素，常溫下它的半衰期約為45億年，升高溫度半衰期縮短；一個U裂變能放出200MeV的能量，合3.21011J。以個說法中完全正確的是(D)A BC D解析：由U的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)關(guān)系易知正確；由核反應(yīng)方程中電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒知正確；半衰期不受外界因素干擾，故錯誤；通過計算知正確，故答案為D。3下面是鈾核裂變反應(yīng)中的一個：UnXeSr10n已知鈾235的質(zhì)量為235.0439u，中子質(zhì)量為1.0087u，鍶90的質(zhì)量為89.9077 u，氙136的質(zhì)量為135.9072u，則此核反應(yīng)中(BD)A質(zhì)量虧損為m235.0439u1.0087u89.9077 u135.9072uB質(zhì)量虧損為m(235.04391.008789.9077135.9072101.0087)uC釋放的總能量為E(235.04391.008789.9077135.9072101.0087)(3108)2JD釋放的總能量為E(235.04391.008789.9077135.9072101.0087)931.5MeV解析：計算虧損質(zhì)量時要用反應(yīng)前的總質(zhì)量減去反應(yīng)后的總質(zhì)量，二者之差可用“u”或“kg”作單位，故A錯誤，B正確；質(zhì)量單位為“u”時，可直接用“1u的虧損放出能量931.5MeV”計算總能量，故D正確，當質(zhì)量單位為“kg”時直接乘以(3.0108)2，總能量單位才是焦耳，故C錯誤。42011年3月由9.0級地震引發(fā)的海嘯摧毀了日本福島第一核電站的冷卻系統(tǒng)，導致大量I泄露在大氣中，I是一種放射性物質(zhì)，會發(fā)生衰變而變成Xe元素。下列說法中正確的是(BC)A福島第一核電站是利用原子核衰變時釋放的核能來發(fā)電