高中物理第十九章原子核6核裂變課件2新人教版選修35

6核裂變第一頁，共46頁。一、核裂變(lièbiàn)及鏈式反應(yīng)1.核裂變(lièbiàn):重核被_____轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊的核反應(yīng)。2.鈾核裂變(lièbiàn):用中子轟擊鈾核時,鈾核發(fā)生裂變(lièbiàn),其產(chǎn)物是多樣的,其中一種典型的裂變(lièbiàn)是3.鏈式反應(yīng):由重核裂變(lièbiàn)產(chǎn)生的中子使裂變(lièbiàn)反應(yīng)___________繼續(xù)下去的過程叫核裂變(lièbiàn)的鏈式反應(yīng)。中子(zhōngzǐ)一代(yīdài)接一代(yīdài)第二頁，共46頁。4.臨界體積和臨界質(zhì)量:把裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的最小體積叫作它的臨界體積,相應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量。5.核裂變的能量:1kg鈾235全部(quánbù)裂變放出的能量相當于_______標準煤完全燃燒時釋放的化學(xué)能。2800t第三頁，共46頁。【判一判】(1)鈾核裂變的產(chǎn)物是固定的,就是生成鋇和氪,同時放出3個中子。()(2)裂變中放出的中子數(shù)目是固定的3個中子。()(3)只有鈾塊的體積大于臨界體積(línjiètǐjī)時,才能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)。()提示:(1)×。鈾核裂變的產(chǎn)物是多樣的。(2)×。裂變中放出的中子數(shù)目有多有少。(3)√。只有鈾塊的體積大于臨界體積(línjiètǐjī)時,裂變產(chǎn)生的中子才能夠有足夠的概率打中某個鈾核,使鏈式反應(yīng)進行下去。第四頁，共46頁。二、核電站1.核電站:利用核能發(fā)電,它的核心設(shè)施是_______,它主要由以下幾部分(bùfen)組成:(1)燃料:_____。(2)慢化劑:鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng),采用___________________作慢化劑。反應(yīng)堆鈾棒石墨(shímò)、重水或普通水第五頁，共46頁。(3)控制棒:為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目(shùmù)以控制反應(yīng)速度,還需要在鈾棒之間插進一些隔棒。鎘_________的能力很強,當反應(yīng)過于激烈時,將隔棒插入深一些,讓它多吸收一些中子,鏈式反應(yīng)的速度會慢一些,這種鎘棒叫作控制棒。吸收(xīshōu)中子第六頁，共46頁。2.工作原理:___________釋放的能量,使反應(yīng)區(qū)溫度升高。3.能量輸出:利用水或液態(tài)的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_____傳輸(chuánshū)出去,用于發(fā)電。同時也使反應(yīng)堆冷卻。4.核污染的處理:為避免射線對人體的傷害和放射性物質(zhì)對水源、空氣和工作場所造成的放射性污染,在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的_______,用來屏蔽_________放出的各種射線,核廢料具有很強的_______,需要裝入特制的容器,深埋地下。核燃料裂變(lièbiàn)熱量(rèliàng)水泥層裂變反應(yīng)放射性第七頁，共46頁?！九幸慌小?1)在核反應(yīng)中,中子的速度(sùdù)越大越容易擊中鈾核。()(2)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(sùdù)。()(3)核反應(yīng)堆用過的核廢料無毒無害。()提示:(1)×。在核反應(yīng)中,中子的速度(sùdù)不能太快,否則不能發(fā)生核裂變。(2)√。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(sùdù)。(3)×。核反應(yīng)堆用過的核廢料具有很強的放射性,需要裝入特制的容器深埋地下。第八頁，共46頁。一、對重核裂變和鏈式反應(yīng)(liànshìfǎnyìng)的分析思考探究:如圖為核裂變示意圖。第九頁，共46頁。(1)重核裂變是一種天然現(xiàn)象嗎?(2)只要(zhǐyào)有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈式反應(yīng)?提示:(1)重核裂變不是天然現(xiàn)象,是中子轟擊才能發(fā)生的核反應(yīng)。(2)有中子轟擊鈾塊,鈾塊的體積大于臨界體積,這樣就可以產(chǎn)生鏈式反應(yīng)。第十頁，共46頁?！練w納總結(jié)】1.鈾核的裂變和裂變方程:(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(fù)核,復(fù)核中由于核子的激烈運動,使核變成不規(guī)則的形狀。(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(tóngshí)放出2或3個中子,這些中子又引起其他鈾核裂變,這樣,裂變就會不斷地進行下去,釋放出越來越多的核能。第十一頁，共46頁。(3)常見的裂變(lièbiàn)方程:2.鏈式反應(yīng)的條件:(1)有慢中子轟擊。(2)鈾塊的體積大于臨界體積(línjiètǐjī),或鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量。以上兩個條件滿足一個,則另一個條件自動滿足。第十二頁，共46頁。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(quánbù)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。第十三頁，共46頁。4.鈾的同位素中鈾235比鈾238更易發(fā)生鏈式反應(yīng):在天然鈾中,主要有兩種同位素,99.3%的是鈾238,0.7%的是鈾235,中子能引起這兩種鈾核發(fā)生裂變,但它們和中子發(fā)生作用的情況不同(bùtónɡ)。(1)鈾235:俘獲各種能量的中子都會發(fā)生裂變,且俘獲低能量的中子發(fā)生裂變的概率大。(2)鈾238:只有俘獲能量大于1MeV的中子才能發(fā)生裂變,且裂變的幾率小。能量低于1MeV的中子只與鈾核發(fā)生彈性碰撞,不引起裂變。因此,為了使鏈式反應(yīng)容易發(fā)生,最好利用純鈾235。第十四頁，共46頁?！咎貏e提醒】(1)裂變的中子方面:鈾核裂變的產(chǎn)物是多樣的,放出的中子數(shù)目有多有少,中子的速度也有快有慢。(2)發(fā)生鏈式反應(yīng)的條件(tiáojiàn)方面:裂變物的體積必須大于臨界體積才能發(fā)生鏈式反應(yīng)。第十五頁，共46頁?！镜淅痉丁?938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γ射線。下列關(guān)于這個實驗的說法(shuōfǎ)中正確的是()A.這個實驗的核反應(yīng)方程是B.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光電效應(yīng)方程來計算D.實驗中產(chǎn)生的γ射線穿透能力極強第十六頁，共46頁。【解題探究】(1)怎樣分析判斷核反應(yīng)方程是否正確?提示:根據(jù)反應(yīng)前后(qiánhòu)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒分析判斷。(2)如何判斷反應(yīng)前后(qiánhòu)粒子的質(zhì)量關(guān)系。提示:根據(jù)核反應(yīng)是吸能還是放能反應(yīng)判斷。第十七頁，共46頁。【正確解答】選D。根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷(diànhè)數(shù)守恒,鈾核裂變的核反應(yīng)方程應(yīng)為:,選項A不正確;鈾核裂變過程中產(chǎn)生γ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γ射線,穿透能力極強,是能量極高的光子,選項D正確。第十八頁，共46頁。【過關(guān)訓(xùn)練】1.關(guān)于重核的裂變,以下說法正確的是()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)要減少(jiǎnshǎo)D.重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時,要發(fā)生質(zhì)量虧損,放出核能第十九頁，共46頁。【解析】選D。核裂變釋放的能量來源于裂變過程的質(zhì)量虧損,是核能轉(zhuǎn)化(zhuǎnhuà)為其他形式能的過程,其能量遠大于俘獲中子時吸收的能量,A錯,D對。發(fā)生鏈式反應(yīng)是有條件的,鈾塊的體積必須大于其臨界體積,否則中子從鈾塊中穿過時,可能碰不到原子核,則不會發(fā)生鏈式反應(yīng),B錯。重核裂變時,核子數(shù)守恒,C錯。第二十頁，共46頁。2.(2015·江蘇高考)核電站利用原子核鏈式反應(yīng)放出的巨大能量進行發(fā)電,是核電站常用的核燃料。受一個中子(zhōngzǐ)轟擊后裂變成兩部分,并產(chǎn)生個中子(zhōngzǐ)。要使鏈式反應(yīng)發(fā)生,裂變物質(zhì)的體積要(選填“大于”或“小于”)它的臨界體積。第二十一頁，共46頁?！窘馕觥坑少|(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知:可見產(chǎn)生了3個中子,鏈式反應(yīng)的一個(yīɡè)條件是鈾燃料的體積必須大于或等于臨界體積。答案:3大于第二十二頁，共46頁?！狙a償(bǔcháng)訓(xùn)練】1.下列核反應(yīng)中,表示核裂變的是()第二十三頁，共46頁?！窘馕觥窟xC。是α衰變，是β衰變，是人工(réngōng)轉(zhuǎn)變，只有C選項是重核裂變。第二十四頁，共46頁。2.關(guān)于重核的裂變,以下說法中正確的是()A.鈾235被中子轟擊后都會分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊,同時放出幾個中子B.鈾235被中子轟擊后二者都會發(fā)生分裂C.要使鈾塊發(fā)生鏈式反應(yīng),其體積(tǐjī)必須足夠大D.鈾235分裂成兩個中等質(zhì)量的核,比結(jié)合能減小,放出核能第二十五頁，共46頁?！窘馕觥窟xC。鈾核也有三分裂(fēnliè)、四分裂(fēnliè)現(xiàn)象,A錯誤;慢中子最適于引發(fā)裂變,但并不是轟擊后都會發(fā)生分裂(fēnliè),B錯誤;要發(fā)生鏈式反應(yīng),鈾塊的體積必須大于臨界體積,C正確;中等質(zhì)量核的比結(jié)合能最大,鈾核分裂(fēnliè)時比結(jié)合能增大,放出核能,D錯誤。第二十六頁，共46頁?！疽?guī)律方法】準確理解裂變的特點(1)重核受中子轟擊后生成中等質(zhì)量的核。(2)裂變中一般產(chǎn)生2～3個中子。(3)裂變時產(chǎn)生質(zhì)量虧損放出(fànɡchū)能量。第二十七頁，共46頁。二、核電站的結(jié)構(gòu)及工作(gōngzuò)原理思考探究:如圖所示為核電站工作(gōngzuò)流程示意圖第二十八頁，共46頁。(1)核電站的核心(héxīn)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)核反應(yīng)堆是核電站的核心(héxīn)設(shè)施,原子核的鏈式反應(yīng)在此進行。(2)在核反應(yīng)堆中核能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,在第一回路通過水或鈉將反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去,在第二回路用于發(fā)電,內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能。第二十九頁，共46頁。【歸納總結(jié)】1.核電站的主要組成:核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆(héfǎnyìngduī),反應(yīng)堆用的核燃料是鈾235,它的主要部件列表如下:部件名稱項目慢化劑控制棒熱循環(huán)介質(zhì)保護層采用的材料石墨、重水或普通水(也叫輕水)鎘水或液態(tài)鈉很厚的水泥外殼作用降低中子速度,便于鈾235吸收吸收中子,控制反應(yīng)速度把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去屏蔽射線,防止放射性污染第三十頁，共46頁。2.反應(yīng)堆工作(gōngzuò)原理:(1)熱源:在核電站中,核反應(yīng)堆是熱源,如圖為簡化的核反應(yīng)堆示意圖:鈾棒是燃料,由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成,石墨(重水)為慢化劑,使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?便于鈾235的吸收,發(fā)生裂變,慢化劑附在鈾棒周圍。第三十一頁，共46頁。(2)控制棒:鎘棒的作用是吸收中子,控制反應(yīng)速度,所以(suǒyǐ)也叫控制棒。控制棒插入深一些,吸收中子多,反應(yīng)速度變慢,插入淺一些,吸收中子少,反應(yīng)速度加快,采用電子儀器自動調(diào)節(jié)控制棒插入深度,就能控制核反應(yīng)的劇烈程度。(3)冷卻劑:核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,這時通過水、液態(tài)鈉等作冷卻劑,在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動,把內(nèi)能傳輸出去,用于推動蒸汽機,使發(fā)電機發(fā)電。發(fā)生裂變反應(yīng)時,會產(chǎn)生一些有危險的放射性物質(zhì),很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面。第三十二頁，共46頁。3.核電站發(fā)電的優(yōu)點:(1)消耗(xiāohào)的核燃料少。(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大,所能提供的能量大。(3)對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小。第三十三頁，共46頁。【典例示范】(多選)(2013·廣東高考)鈾核裂變是核電站核能的重要來源,其一種裂變反應(yīng)式是下列說法正確的有()A.上述裂變反應(yīng)中伴隨著中子放出(fànɡchū)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)境溫度的影響第三十四頁，共46頁?！窘忸}(jiětí)探究】(1)鏈式反應(yīng)有什么特點?提示:①反應(yīng)產(chǎn)生的中子多于反應(yīng)需要的中子。②鈾塊體積要大于臨界體積。(2)原子核的半衰期由什么因素決定?提示:由元素本身決定,與原子核所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)。第三十五頁，共46頁?！菊_解答】選A、C。核裂變反應(yīng)是重核被中子轟擊后分裂成兩個中等質(zhì)量的原子核并放出(fànɡchū)若干個中子的反應(yīng),A選項正確;鈾塊要發(fā)生鏈式反應(yīng)需達到一定的體積,B選項錯誤;鏈式反應(yīng)可人工控制用以建立核電站,C選項正確;原子核的半衰期由原子核本身的性質(zhì)決定,與其所處的環(huán)境或狀態(tài)無關(guān),D選項錯誤。第三十六頁，共46頁?！具^關(guān)訓(xùn)練】1.(拓展(tuòzhǎn)延伸)【典例示范】中,若鈾核裂變放出的不是3個中子而是兩個中子,發(fā)生了如下的核反應(yīng):則a+b可能是()【解析】選D。根據(jù)題中所給裂變反應(yīng)方程,質(zhì)量數(shù)守恒,電荷數(shù)守恒,故a+b的質(zhì)量數(shù)應(yīng)為235+1-2=234,電荷數(shù)應(yīng)為92,故只有D選項正確。第三十七頁，共46頁。2.核反應(yīng)堆是實現(xiàn)可控制的重核裂變鏈式反應(yīng)的一種裝置,它的主要組成部分是()A.原子燃料(ránliào)、慢化劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)B.原子燃料(ránliào)、慢化劑、發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)C.原子燃料(ránliào)、調(diào)速劑、碰撞系統(tǒng)和熱系統(tǒng)D.原子燃料(ránliào)、中子源、原子能聚存和輸送系統(tǒng)第三十八頁，共46頁?！窘馕觥窟xA。核反應(yīng)堆的主要部分包括:①燃料,即濃縮鈾235;②慢化劑,采用石墨(shímò)、重水或普通水;③控制棒,控制鏈式反應(yīng)的速度;④冷卻系統(tǒng),水或液態(tài)鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動,把反應(yīng)堆的熱量傳輸出去用于發(fā)電,故A正確,B、C、D錯。第三十九頁，共46頁。【補償訓(xùn)練】1.(多選)關(guān)于核反應(yīng)堆,下列說法正確的是()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(shūchū)熱能第四十頁，共46頁。【解析】選A、B、D。鈾棒是核燃料,裂變時可放出能量,故A正確;鎘棒吸收中子的能力很強,作用(zuòyòng)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,故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(zuòyòng)是使中子減速,故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,故D正確。第四十一頁，共46頁。2.現(xiàn)已建成的核電站發(fā)電的能量來自于()A.天然放射性元素衰變(shuāibiàn)放出的能量B.人工放射性同位素放出的能量C.重核裂變放出的能量D.化學(xué)反應(yīng)放出的能量【解析】選C?，F(xiàn)在核電站所用原料主要是鈾,利用鈾裂變放出的核能發(fā)電,故C項正確。第四十二頁，共46頁?！菊`區(qū)警示】對重核裂變的三個誤區(qū)(1)誤認為既然重核裂變時有質(zhì)量虧損,那重核裂變時質(zhì)量就不守恒,因此質(zhì)量數(shù)也不守恒。產(chǎn)生這種誤區(qū)的原因是對重核裂變反應(yīng)的本質(zhì)及核反應(yīng)的規(guī)律理解(lǐjiě)不到位。核反應(yīng)遵守的是質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒而非質(zhì)量守恒,只有反