2024-2025學年高中物理第三章原子核5核裂變教案教科版選修3-5

PAGE9-5核裂變一、核裂變1．裂變重核被中子轟擊后分裂成兩塊質量差不多的新原子核，稱為裂變．2．鈾核裂變用中子轟擊鈾核，鈾核發(fā)生裂變，鈾核裂變的產(chǎn)物是多樣的，其中最典型的反應是生成鋇和氪，同時放出三個中子．核反應方程式為：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．鏈式反應當一個中子引發(fā)一個鈾核裂變后，反應釋放出的中子又轟擊其他原子核產(chǎn)生裂變，釋放出的中子又轟擊其他鈾原子核……這樣的反應一代接一代進行下去的過程，叫做裂變的鏈式反應．4．臨界體積和臨界質量通常把裂變物質能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積叫做它的臨界體積，相應的質量叫做臨界質量．5．發(fā)生鏈式反應的條件裂變物質的體積必需大于或等于臨界體積，或裂變物質的質量必需大于或等于臨界質量．如圖所示為我國于1964年10月16日放射的第一顆原子彈爆炸勝利的圖片．同時，我國政府慎重承諾：中國在任何時候、任何狀況下，都不首先運用核武器，不對無核國家或地區(qū)運用或威逼運用核武器．我國研制勝利原子彈，極大地增加了我國的國防力氣．你知道這其中蘊涵的物理學問嗎？提示：原子彈是利用重核的裂變反應制成的，在極短時間內(nèi)能夠釋放大量核能，發(fā)生猛烈爆炸．二、核電站原子核的鏈式反應可以在人工的限制下進行，從而實現(xiàn)了核能的可控釋放，實現(xiàn)可控的條件是限制引起鏈式反應的中子的數(shù)目，方法是在核反應堆中的鈾棒之間插入一些鎘棒，鎘具有極強的汲取中子的實力，當將鎘棒插得深一些時，就能多汲取一些中子，使鏈式反應的速度慢下來，這種鎘棒又叫限制棒．核能作為一種新型能源，在人類的發(fā)展過程中所起的作用越來越重要．核反應堆中發(fā)生著怎樣的核反應？提示：核反應堆中發(fā)生的是可控鏈式反應．考點一重核的裂變及鏈式反應1．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)則的形態(tài)．(2)核子分裂：核子間的距離增大，因而核力快速減弱，使得原子核由于質子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出2～3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．(3)核能的釋放：由于重核的核子的平均質量大于中等質量原子核的核子的平均質量，因此，鈾核裂變?yōu)橹械荣|量的原子核時，會發(fā)生質量虧損，釋放核能．(4)鈾的存在形式在自然鈾中，主要有兩種同位素，99.3%的是eq\o\al(238,92)U,0.70%的是eq\o\al(235,92)U，雖然中子都能引起這兩種鈾核發(fā)生裂變，但它們和中子作用的狀況明顯不同．①eq\o\al(235,92)U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．②eq\o\al(238,92)U只有在俘獲的中子的能量大于1MeV時才能發(fā)生核反應，且裂變的幾率較?。畬τ诘陀?MeV的中子只與鈾核發(fā)生彈性碰撞，不能引起核反應．2．鏈式反應的條件鈾塊的體積大于或等于臨界體積、質量大于或等于臨界質量，只要滿意其中之一即可．【例1】(多選)關于鈾核裂變，下述說法正確的是()A．鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，但只能裂變成兩種不同的核B．鈾核裂變時還能同時釋放2～3個中子C．為了使裂變的鏈式反應簡單進行，最好用純鈾235D．鈾塊的體積對發(fā)生鏈式反應無影響1．什么是核裂變？2．什么是鏈式反應？3．鏈式反應發(fā)生的條件是什么？【解析】鈾核受到中子的轟擊，會發(fā)生裂變，裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，具有極大的偶然性，但裂變成兩種不同的核的狀況較多，也有的分裂成多種不同的核，并放出2～3個中子，鈾235受中子的轟擊時，裂變的概率大，而鈾238只有俘獲能量較高的中子時才能引起裂變，且裂變的概率小，而要發(fā)生鏈式反應，需使鈾塊體積大于或等于臨界體積，故選項B、C正確．【答案】BC總結提能本題考查了重核裂變的學問．重核裂變是重核受中子轟擊后分裂成中等質量核的反應，其釋放能量的緣由是重核的比結合能比中等質量核?。P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．中子進入鈾塊中時，肯定發(fā)生鏈式反應C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質量虧損，所以核子數(shù)量減小D．由于重核的核子平均質量大于中等質量核的核子平均質量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|量的核時，要發(fā)生質量虧損，放出核能解析：依據(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發(fā)生核反應，是核能轉化為其他形式能的過程，而并非中子的能量，故A錯誤．鏈式反應是有條件的，即鈾塊的體積必需大于或等于其臨界體積．假如體積小，中子進入鈾塊時，裂變中產(chǎn)生的中子散失到外界，沒有足夠的中子，則鏈式反應就不會發(fā)生，故B錯誤．在裂變反應中核子數(shù)是不會削減的，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.其中各粒子質量分別為mU＝235.0439u，mn＝1.00867u，mSr＝89.9077u，mXe＝135.9072u，質量虧損為Δm＝(mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn)≈0.1510u可見鈾裂變的質量虧損是遠小于一個核子的質量的，核子數(shù)是不會削減的，因此C錯誤．重核裂變?yōu)橹械荣|量的原子核時，由于平均質量減小，發(fā)生質量虧損，從而釋放出核能，故D正確．故選D.考點二核電站1．核心：核電站的核心是核反應堆，其簡化示意圖如下：各部分的作用如下：(1)鈾棒：由自然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，它是核反應堆的燃料．(2)石墨(或重水)：石墨(或重水)作為減速劑，附著在鈾棒四周，使反應生成的快速中子變?yōu)槁凶?，便于?35汲取，發(fā)生裂變．(3)鎘棒：主要作用是汲取中子，限制反應速度，所以叫做限制棒．(4)混凝土防護層：屏蔽射線防止放射性污染．2．核電站發(fā)電的優(yōu)點(1)消耗的核燃料少：一座百萬千瓦級的核電站，一年只消耗濃縮鈾30t左右，而同樣功率的火電站每年要消耗250萬噸．(2)污染?。汉穗妼Νh(huán)境的污染比火電?。纠?】鈾核裂變的很多可能的核反應中的一個是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)試計算一個鈾235原子核裂變后釋放的能量(eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr、eq\o\al(1,0)n的質量分別為235.0439u、140.9139u、91.8973u、1.0087u)；(2)1kg鈾235原子核發(fā)生上述裂變時能放出多少核能？它相當于燃燒多少煤釋放的能量？(煤的熱值為2.94×107J/kg)【解析】(1)鈾核裂變的質量虧損為Δm＝(235.0439＋1.0087－140.9139－91.8973－3×1.0087)u＝0.2153u.一個鈾235原子核裂變后釋放的能量為ΔE＝Δmc2＝0.2153×931.5MeV≈200.6MeV.(2)1kg鈾235中含有原子核的個數(shù)為N＝eq\f(103,235)×6.02×1023≈2.56×1024，1kg鈾235原子核發(fā)生裂變時釋放的總能量E＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6MeV≈5.14×1026MeV.設q為煤的熱值，m為煤的質量，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總結提能解答此類題的關鍵在于如何把已知與所求聯(lián)系起來，特殊是要能考慮到利用相對原子質量和阿伏加德羅常數(shù)去計算1kg鈾所含的原子核的個數(shù)，只要能想到這兒，一切問題就都迎刃而解了．eq\o\al(235,92)U受中子轟擊時會發(fā)生裂變，產(chǎn)生eq\o\al(139,56)Ba和eq\o\al(94,36)Kr，同時放出200MeV的能量．現(xiàn)要建設發(fā)電實力是50萬千瓦的核電站，用鈾235作為原子鍋爐的燃料．假設核裂變釋放的能量全部被用來發(fā)電，那么一天須要純鈾235的質量為多少？若改用火力發(fā)電，須要燃燒值為2.94×107J/kg的煤多少噸？阿伏加德羅常數(shù)為6.02×1023mol－1.答案：0.527kg1.47×103t解析：依據(jù)發(fā)電功率計算出每天應發(fā)電能的總量E＝24h×3.6×103×P＝4.32×1013J.要得到這么多能量須要裂變的鈾原子數(shù)目n＝eq\f(4.32×1013,2×108×1.6×10－19)＝1.35×1024(個)．則對應的質量m＝eq\f(n,N)·μ＝eq\f(1.35×1024,6.02×1023)×235×10－3kg＝0.527kg.須要的煤的質量為m′＝eq\f(E,2.94×107J/kg)＝eq\f(4.32×1013,2.94×107)kg＝1.47×106kg＝1.47×103t.重難疑點辨析了解原子彈的原理原子彈是利用快中子導致鏈式反應而發(fā)生原子爆炸的武器．在裂變材料的體積大于臨界體積時，可以使增殖系數(shù)K>1，這時中子數(shù)可逐代倍增，最終引起原子爆炸．對純eq\o\al(235,eq\a\vs4\al(92)U，其K＝2.若N0＝1，則到第90代時，中子數(shù)已增到N＝280個，其已大到相當于1kg鈾的原子數(shù)，因此1kg純eq\o\al(235,eq\a\vs4\al(92)U只要經(jīng)過80代裂變就可以全部發(fā)生裂變．若將1kg鈾做成球狀，其直徑不過5cm，而快中子的速度約為2×107m·s－1，所以裂變進行得極其迅猛，其爆炸可在百分之一秒內(nèi)完成．原子彈的結構形式有很多種，一般是將兩塊和多塊小于臨界體積的eq\o\al(235,92)U(或eq\o\al(233,92)U、eq\o\al(239,94)Pu等)放在一個密封的彈殼內(nèi)，平常這幾塊相隔肯定的距離，所以不會爆炸．運用時可通過引爆裝置使它們隧然合為一體，由于其體積超過臨界體積，爆炸立即發(fā)生．【典例】1964年10月16日，我國在新疆羅布泊沙漠勝利地進行了第一顆原子彈試驗，結束了中國無核時代．(1)原子彈爆炸事實上是利用鈾核裂變時釋放出很大能量，由于裂變物質的體積超過臨界體積而爆炸．①完成下面核裂變反應方程式：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鈾原子核裂變自動持續(xù)下去的反應過程叫什么？(2)為了防止鈾核裂變產(chǎn)物放出的各種射線危害人體和污染環(huán)境，需實行哪些措施？(寫兩種)【解析】(1)①依據(jù)核反應過程質量數(shù)、電荷數(shù)守恒可知，eq\o\al(235,92)U裂變?yōu)閑q\o\al(140,54)Xe.②裂變自動持續(xù)下去的反應叫鏈式反應．(2)核反應堆外面須要修建很厚的水泥防護層，用來屏蔽射線；放射性核廢料要裝入特制的容器，埋入地層深處進行處理．【答案】(1)①eq\o\al(140,54)Xe②鏈式反應(2)見解析原子彈與核電站都是核能利用的成果，都是利用了重核裂變，但原子彈爆炸時的反應速度是不行控的．1．鎘棒在核反應堆中的作用是(D)A．使快中子變慢中子B．使慢中子變快中子C．使反應速度加快D．限制反應速度，調整反應速度的快慢解析：在核反應堆中石墨起變快中子為慢中子的作用，鎘棒起汲取中子，限制反應速度，調整功率大小的作用．2.eq\o\al(235,92)U汲取一個慢中子后，分裂成eq\o\al(136,54)Xe和eq\o\al(90,38)Sr，還放出(C)A．1個α粒子 B．3個中子C．10個中子 D．10個質子解析：設放出的粒子的質量數(shù)為x，電荷數(shù)為y，核反應過程滿意質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒．由題意可得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.))由此推斷該核反應放出的肯定是中子，且個數(shù)是10.3．原子核反應有廣泛的應用，如用于核電站等，在下列核反應中，屬于核裂變反應的是(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：由鏈式反應特點知：反應過程中由一個中子引發(fā)裂變，放出2～3個中子促成鏈式反應，故D正確．4．(多選)如圖是慢中子反應堆的示意圖，對核反應堆的下列說法正確的是(BC)A．鈾235簡單汲取快中子發(fā)生裂變反應B．快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量削減，變成慢中子，慢中子簡單被鈾235俘獲而引起裂變反應C．限制棒由鎘做成，當反應過于激烈時，使限制棒插入深一些，讓它多汲取一些中