2020-2021學(xué)年高中物理選修3-5人教版課件：19.6-核裂變

6核裂變1.核裂變：任務(wù)驅(qū)動(dòng)原子彈具有強(qiáng)大的威力，可以瞬間釋放出巨大的核能，那么原子彈是應(yīng)用什么原理制成的？引爆時(shí)是如何實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的？提示：原子彈是利用重核裂變?cè)碇瞥傻?，引爆前分離開(kāi)的各鈾塊的體積均小于臨界體積，引爆時(shí)，各鈾塊擠合在一起，總體積大于臨界體積，從而瞬間發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，釋放出巨大核能。課前自主學(xué)習(xí)(1)定義：重核被中子轟擊_____為兩個(gè)或三個(gè)質(zhì)量中等的原子核并釋放_(tái)____的過(guò)程。(2)鈾核的裂變：用_____轟擊鈾核時(shí)發(fā)生的裂變，其典型的反應(yīng)。(3)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的_____使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過(guò)程。(4)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：裂變反應(yīng)的物質(zhì)必須_________發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積即_____體積，或大于等于相應(yīng)的質(zhì)量即_____質(zhì)量。(5)能量的釋放：核裂變釋放的能量巨大，1kg鈾235全部裂變時(shí)釋放的能量相當(dāng)于______t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能。

分裂核能中子中子大于等于臨界臨界28002.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_____、_____或_______作慢化劑。③控制棒：為了控制能量釋放的速度，就要想辦法減少中子的數(shù)目，采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法，利用鎘_________的特性，就可以容易地控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度。反應(yīng)堆鈾棒石墨重水普通水吸收中子(2)工作原理：核燃料裂變釋放能量，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_________，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電。(4)核污染的處理：為避免_______對(duì)人體的傷害和___________對(duì)水源、空氣和工作場(chǎng)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(lái)屏蔽裂變反應(yīng)放出的各種射線，核廢料具有很強(qiáng)的_______，需要裝入特制的容器中，_________。循環(huán)流動(dòng)核射線放射性物質(zhì)水泥層放射性深埋地下【小題快練】1.關(guān)于重核裂變的說(shuō)法正確的是 (

)A.重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)中等質(zhì)量的核時(shí)，重核的中子數(shù)要比裂變后的兩個(gè)中等質(zhì)量核的中子數(shù)少B.只要用中子轟擊鈾塊，就一定能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C.為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，不能利用裂變時(shí)產(chǎn)生的中子D.裂變過(guò)程中釋放能量，質(zhì)量虧損【解析】選D。重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)中等質(zhì)量的核時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩到三個(gè)中子，因而分裂后的中子數(shù)減小，A錯(cuò)誤；鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生是有條件的，鈾塊的體積必須大于其發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的臨界體積，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)一旦發(fā)生，中子轟擊鈾核裂變產(chǎn)生的中子再次引起其他鈾核的裂變，且能不斷繼續(xù)下去，B、C錯(cuò)誤；重核裂變時(shí)質(zhì)量發(fā)生虧損，總能量減小，減小的能量對(duì)外釋放，D對(duì)。2.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，重核裂變時(shí)放出的可以使裂變不斷進(jìn)行下去的粒子是 (

)A.質(zhì)子B.中子C.β粒子D.α粒子【解析】選B。重核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)依靠中子不斷地轟擊原子核使得裂變不斷進(jìn)行下去，且重核裂變時(shí)伴隨著中子放出，故B正確。3.核電站利用原子核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)放出的巨大能量進(jìn)行發(fā)電是核電站常用的核燃料。受一個(gè)中子轟擊后裂變成和兩部分，并產(chǎn)生_______個(gè)中子。要使鏈?zhǔn)椒磻?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。

【解析】由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，可見(jiàn)產(chǎn)生了3個(gè)中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一個(gè)條件是鈾燃料的體積必須大于或等于臨界體積。答案：3大于課堂合作探究主題一核裂變【問(wèn)題探究】1.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是怎樣發(fā)生的？鈾235裂變需要滿足什么樣的條件？提示：鈾235在中子的轟擊下裂變并釋放出巨大能量，同時(shí)平均每次放出2～3個(gè)中子，如果這些中子繼續(xù)轟擊鈾核，使之裂變，就會(huì)產(chǎn)生更多的中子，這樣不斷繼續(xù)下去，中子不斷增加，裂變反應(yīng)不斷加強(qiáng)，就形成了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鈾235裂變需要滿足(1)要有足夠濃度的鈾235；(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。2.是不是所有的核裂變都能放出核能？提示：不是。只有核子平均質(zhì)量減小的核反應(yīng)才能放出核能。3.核裂變時(shí)為什么會(huì)有能量釋放？如何計(jì)算核裂變時(shí)釋放的能量？提示：因?yàn)橹睾说谋冉Y(jié)合能比中等質(zhì)量核的比結(jié)合能小，所以重核分裂成中等質(zhì)量的原子核時(shí)能釋放出較大的能量；核能的釋放可以根據(jù)核裂變前后的質(zhì)量虧損，由質(zhì)能方程求出?！咎骄靠偨Y(jié)】1.鈾核的裂變：(1)核子受激發(fā)：當(dāng)中子進(jìn)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(yùn)動(dòng)，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(shí)放出2～3個(gè)中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會(huì)不斷進(jìn)行下去，釋放出越來(lái)越多的核能。(3)核能的釋放：由于重核的核子的平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量原子核的核子的平均質(zhì)量，因此，鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)，會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損，釋放核能。2.發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的三大條件：(1)要有足夠濃度的鈾235(濃縮鈾)——因?yàn)殁?35可以俘獲各種能量的中子。(2)要有足夠數(shù)量的慢中子——因?yàn)殁?35俘獲慢中子的概率大。(3)要有足夠大的鈾塊，即鈾塊的體積不小于臨界體積——不會(huì)使中子還未碰到鈾核就逸出鈾塊?！镜淅痉丁坑弥凶愚Z擊鈾核，其中的一個(gè)可能反應(yīng)是分裂成鋇和氪

兩部分，放出3個(gè)中子。各個(gè)核和中子的質(zhì)量如下：mU=390.3139×10-27kg，mn=1.6749×10-27kg；mBa=234.0016×10-27kg，mKr=152.6047×10-27kg。試寫出核反應(yīng)方程，求出反應(yīng)中釋放的核能?！窘馕觥扛鶕?jù)反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒和反應(yīng)中的能量守恒，就可以寫出核反應(yīng)方程。根據(jù)核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損，用愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程就可求出釋放的核能。鈾核裂變方程為則核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=0.3578×10-27kg由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程可得釋放的核能為ΔE=Δmc2=0.3578×10-27×(3×108)2J=3.2202×10-11J答案：

3.2202×10-11J【探究特訓(xùn)】1.(多選)鈾核裂變是核電站核能的重要來(lái)源，其中一種裂變反應(yīng)方程式是。下列說(shuō)法正確的有 (

)A.上述裂變反應(yīng)中伴隨有中子放出B.鈾塊體積對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生無(wú)影響C.鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可人工控制D.鈾核的半衰期會(huì)受到環(huán)境溫度的影響【解析】選A、C。從鈾核裂變方程可以看出，反應(yīng)中伴隨有中子放出，選項(xiàng)A正確；鈾塊的體積必須大于臨界體積才能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；通過(guò)控制中子數(shù)可以人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，選項(xiàng)C正確；鈾核的半衰期與物理、化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)，因此不受環(huán)境溫度的影響，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。2.一個(gè)原子核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應(yīng)，其裂變方程式為，則下列敘述正確的是 (

)A.X原子核中含有86個(gè)中子B.X原子核中含有141個(gè)核子C.因?yàn)榱炎儠r(shí)釋放能量，根據(jù)E=mc2，所以裂變后的總質(zhì)量數(shù)增加D.因?yàn)榱炎儠r(shí)釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少【解析】選A。X原子核中的核子數(shù)為(235+1)-(94+2)=140個(gè)，B錯(cuò)誤；中子數(shù)為140-(92-38)=86個(gè)，A正確；裂變時(shí)釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，但是其總質(zhì)量數(shù)是不變的，C、D錯(cuò)。3.鈾是常用的一種核燃料，若它的原子核發(fā)生了如下的裂變反應(yīng)，則a+b可能是 (

)A.

B.C. D.【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(xiàng)正確。主題二核電站【問(wèn)題探究】1.結(jié)合下表分析核電站中反應(yīng)堆的主要構(gòu)造及作用。組成部分材料作用裂變材料(核燃料)______________提供核燃料慢化劑(減速劑)石墨、重水或普通水__________________________________控制棒___吸收減速后的中子，控制反應(yīng)速度反射層_____阻止中子逃逸熱交換器___產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電防護(hù)層金屬套和鋼筋混凝土_________________________________濃縮鈾使裂變產(chǎn)生的快中子減速變?yōu)槁凶渔k石墨水防止射線對(duì)人體及其他生物體的侵害2.為什么要用慢化劑將裂變產(chǎn)生的快中子變?yōu)槁凶?？用什么作慢化劑？提示：中子的速度不能太快，否則會(huì)與鈾235原子核擦肩而過(guò)，不能被鈾核捉住也就不能發(fā)生裂變反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明只有速度與熱運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)?shù)闹凶幼钸m于引發(fā)裂變，所以要設(shè)法使裂變產(chǎn)生的速度很大的快中子減速，為此要在鈾棒周圍放“慢化劑”，使快中子跟慢化劑中的原子核碰撞，使快中子的能量減小，變?yōu)槁凶蛹礋嶂凶樱怀Ｓ玫穆瘎┯惺?、重水和普通水?.如何實(shí)現(xiàn)裂變釋放的核能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?？核反?yīng)有很強(qiáng)的放射性，如何防止核泄漏和核輻射？提示：反應(yīng)堆內(nèi)釋放的熱量通過(guò)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(dòng)傳到熱交換器，再通過(guò)熱交換器傳到第二回路的水使水吸熱變?yōu)檎羝?，通過(guò)蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；反應(yīng)堆是建在很堅(jiān)固的金屬殼之內(nèi)的。第一回路循環(huán)和第二回路的熱交換器，全部用很厚的水泥防護(hù)層罩住，從而可以嚴(yán)防核輻射的泄漏。【探究總結(jié)】1.核能轉(zhuǎn)化為電能：第一回路把核反應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)能通過(guò)熱交換器傳到第二回路變?yōu)樗膬?nèi)能，第二回路的水的內(nèi)能推動(dòng)蒸汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)變?yōu)殡娔堋?.核輻射的防護(hù)：(1)反應(yīng)堆的金屬殼和水泥防護(hù)層。(2)核廢料裝入特制的容器深埋地下?！镜淅痉丁壳厣胶穗娬镜谌诠こ痰膬蓚€(gè)6×105kW發(fā)電機(jī)組已實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，發(fā)電站的核能來(lái)源于的裂變，下列說(shuō)法正確的是 (

)A.反應(yīng)堆中核反應(yīng)速度通常是采用調(diào)節(jié)的體積來(lái)控制的B.的一種可能的裂變是C.是天然放射性元素，升高溫度后它的半衰期會(huì)縮短D.雖然核電站能提供很大的能量，但它對(duì)環(huán)境的污染比火電站嚴(yán)重【解析】選B。反應(yīng)堆中核反應(yīng)速度由控制棒(鎘棒)吸收中子的多少來(lái)控制，A錯(cuò),裂變有多種可能性，這是其中常見(jiàn)的一種，B對(duì)；放射性元素的半衰期由原子核本身決定，與溫度壓強(qiáng)等外界條件無(wú)關(guān)，C錯(cuò)；核電站的核能是清潔能源，污染少，D錯(cuò)?！咎骄刻赜?xùn)】1.(多選)如圖是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對(duì)于核反應(yīng)堆，下列說(shuō)法中正確的是 (

)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(dāng)反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí)，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)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?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)快一些【解析】選B、C。根據(jù)鈾235的特點(diǎn)，它更容易吸收慢中子而發(fā)生裂變，A錯(cuò)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?zhǔn)椒磻?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，即插入得深，吸收得多，反應(yīng)將變慢，反之將加快，C正確，D錯(cuò)誤。2.(多選)日本福島第一核電站在地震后，數(shù)秒內(nèi)就將控制棒插入核反應(yīng)堆芯，終止了鈾的裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。但海嘯摧毀了機(jī)組的冷卻系統(tǒng)，因裂變遺留的產(chǎn)物銫、鋇等繼續(xù)衰變不斷釋放能量，核燃料棒溫度不斷上升，對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害。則下列說(shuō)法正確的是 (

)A.控制棒通過(guò)吸收中子來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)核反應(yīng)的控制B.日本后來(lái)向反應(yīng)堆灌注海水，可以降溫，但大量的被污染的海水外泄，對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害C.核裂變遺留物銫、鋇等原子的質(zhì)量可能比鈾原子質(zhì)量大D.核泄漏中放射性物質(zhì)對(duì)人類是有害的【解析】選A、B、D。因?yàn)楹朔磻?yīng)中有能量釋放，可知有質(zhì)量虧損，則銫、鋇等原子的質(zhì)量比鈾原子質(zhì)量小，故C錯(cuò)誤。3.(多選)核反應(yīng)堆是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量核能。核反應(yīng)方程式是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)的一種，X是某種粒子，a是X粒子的個(gè)數(shù)，用mU、mBa、mKr分別表示核的質(zhì)量，mX表示X粒子的質(zhì)量，c為真空中的光速，以下說(shuō)法正確的是 (

)A.X為中子，a=2B.X為中子，a=3C.上述核反應(yīng)中放出的核能ΔE=(mU-mBa-mKr-2mX)c2D.上述核反應(yīng)中放出的核能ΔE=(mU-mBa-mKr-3mX)c2【解析】選B、C。由裂變反應(yīng)的特點(diǎn)可知，X是中子，再根據(jù)質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒可得，a=3，故A錯(cuò)誤，B正確；而ΔE=(mU-mBa-mKr-2mX)c2，故C正確，D錯(cuò)誤?！菊n堂回眸】課堂素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.(多選)關(guān)于原子核反應(yīng)堆，下列說(shuō)法正確的是 (

)A.鈾棒是核燃料，裂變時(shí)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】選A、B、D。鈾棒是核燃料，裂變時(shí)可放出能量，A正確。鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)，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(jìn)行減速，石墨的作用是使中子減速，C錯(cuò)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(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻，控制溫度，D正確。2.(多選)下列說(shuō)法正確的是 (

)A.原子核在分裂或者聚合時(shí)釋放的能量叫作核能B.用中子轟擊比較大的原子核可以使其發(fā)生裂變獲取核能C.核電站里的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是可以控制的D.原子彈發(fā)生爆炸時(shí)發(fā)生的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也是可以控制的【解析】選A、B、C。核能是指原子核在分裂或者聚合時(shí)由于質(zhì)量虧損所釋放的能量，A正確；用中子轟擊比較大的原子核使其發(fā)生裂變時(shí)，會(huì)有質(zhì)量虧損，我們可以獲取該過(guò)程所釋放的核能，B正確；核電站里的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可以通過(guò)“慢化劑”和“鎘棒”來(lái)控制，C正確；原子彈發(fā)生爆炸時(shí)發(fā)生的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是不可控的，或者說(shuō)沒(méi)有控制的必要，故D錯(cuò)誤。3.(多選)核反應(yīng)方程表示中子轟擊原子核可能發(fā)生的一種核反應(yīng)，該核反應(yīng)釋放出的核能為ΔE。關(guān)于這個(gè)核反應(yīng)，下列說(shuō)法中正確的是 (

)A.該反應(yīng)屬于核裂變B.中的X為146C.中含有56個(gè)中子D.該反應(yīng)的質(zhì)量虧損為

【解析】選A、D。裂變反應(yīng)是較重的原子核在其他粒子的轟擊下，分裂成幾個(gè)中等的原子核，可知該反應(yīng)屬于裂變反應(yīng)，選項(xiàng)A正確；根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒知，質(zhì)量數(shù)為：X=235+1-89-3=144，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；Ba的核子數(shù)為144，其質(zhì)子數(shù)為56，所以中子數(shù)為n=144-56=88，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；該核反應(yīng)釋放出的核能為ΔE，根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程可知，該反應(yīng)的質(zhì)量虧損為，選項(xiàng)D正確。4.吸收一個(gè)慢中子后，分裂成和，還放出 (

)A.1個(gè)α粒子 B.3個(gè)中子C.10個(gè)中子 D.10個(gè)質(zhì)子【解析】選C。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(guò)程滿足質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。由題意可知由此判定該核反應(yīng)放出的一定是中子，且個(gè)數(shù)是10，C選項(xiàng)正確。5.下列核反應(yīng)中，表示核裂變的是 (

)A.

B.

C.D.【解析】選B。裂變是重核俘獲中子后變成中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)還要放出幾個(gè)中子。故選B。6.在核反應(yīng)式中 (

)A.X是