2024-2025學(xué)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(zhì)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(yīng)是生成鋇和氪，同時(shí)放出三個(gè)中子．核反應(yīng)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?zhǔn)椒磻?yīng)當(dāng)一個(gè)中子引發(fā)一個(gè)鈾核裂變后，反應(yīng)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(yīng)一代接一代進(jìn)行下去的過(guò)程，叫做裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．4．臨界體積和臨界質(zhì)量通常把裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫做它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量．5．發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件裂變物質(zhì)的體積必需大于或等于臨界體積，或裂變物質(zhì)的質(zhì)量必需大于或等于臨界質(zhì)量．如圖所示為我國(guó)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(shí)，我國(guó)政府慎重承諾：中國(guó)在任何時(shí)候、任何狀況下，都不首先運(yùn)用核武器，不對(duì)無(wú)核國(guó)家或地區(qū)運(yùn)用或威逼運(yùn)用核武器．我國(guó)研制勝利原子彈，極大地增加了我國(guó)的國(guó)防力氣．你知道這其中蘊(yùn)涵的物理學(xué)問(wèn)嗎？提示：原子彈是利用重核的裂變反應(yīng)制成的，在極短時(shí)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?zhǔn)椒磻?yīng)可以在人工的限制下進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了核能的可控釋放，實(shí)現(xiàn)可控的條件是限制引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的中子的數(shù)目，方法是在核反應(yīng)堆中的鈾棒之間插入一些鎘棒，鎘具有極強(qiáng)的汲取中子的實(shí)力，當(dāng)將鎘棒插得深一些時(shí)，就能多汲取一些中子，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度慢下來(lái)，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(guò)程中所起的作用越來(lái)越重要．核反應(yīng)堆中發(fā)生著怎樣的核反應(yīng)？提示：核反應(yīng)堆中發(fā)生的是可控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．考點(diǎn)一重核的裂變及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)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(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)不斷地進(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．(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(huì)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(shí)才能發(fā)生核反應(yīng)，且裂變的幾率較?。畬?duì)于低于1MeV的中子只與鈾核發(fā)生彈性碰撞，不能引起核反應(yīng)．2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件鈾塊的體積大于或等于臨界體積、質(zhì)量大于或等于臨界質(zhì)量，只要滿意其中之一即可．【例1】(多選)關(guān)于鈾核裂變，下述說(shuō)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(shí)還能同時(shí)釋放2～3個(gè)中子C．為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)簡(jiǎn)單進(jìn)行，最好用純鈾235D．鈾塊的體積對(duì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無(wú)影響1．什么是核裂變？2．什么是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)？3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件是什么？【解析】鈾核受到中子的轟擊，會(huì)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(gè)中子，鈾235受中子的轟擊時(shí)，裂變的概率大，而鈾238只有俘獲能量較高的中子時(shí)才能引起裂變，且裂變的概率小，而要發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，需使鈾塊體積大于或等于臨界體積，故選項(xiàng)B、C正確．【答案】BC總結(jié)提能本題考查了重核裂變的學(xué)問(wèn)．重核裂變是重核受中子轟擊后分裂成中等質(zhì)量核的反應(yīng)，其釋放能量的緣由是重核的比結(jié)合能比中等質(zhì)量核?。P(guān)于重核的裂變，以下說(shuō)法正確的是(D)A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量B．中子進(jìn)入鈾塊中時(shí)，肯定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?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)量減小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(shí)，要發(fā)生質(zhì)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(shí)因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過(guò)程，而并非中子的能量，故A錯(cuò)誤．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)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(jìn)入鈾塊時(shí)，裂變中產(chǎn)生的中子散失到外界，沒(méi)有足夠的中子，則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不會(huì)發(fā)生，故B錯(cuò)誤．在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會(huì)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(zhì)量分別為mU＝235.0439u，mn＝1.00867u，mSr＝89.9077u，mXe＝135.9072u，質(zhì)量虧損為Δm＝(mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn)≈0.1510u可見(jiàn)鈾裂變的質(zhì)量虧損是遠(yuǎn)小于一個(gè)核子的質(zhì)量的，核子數(shù)是不會(huì)削減的，因此C錯(cuò)誤．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)，由于平均質(zhì)量減小，發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能，故D正確．故選D.考點(diǎn)二核電站1．核心：核電站的核心是核反應(yīng)堆，其簡(jiǎn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)速度，所以叫做限制棒．(4)混凝土防護(hù)層：屏蔽射線防止放射性污染．2．核電站發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)(1)消耗的核燃料少：一座百萬(wàn)千瓦級(jí)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(wàn)噸．(2)污染?。汉穗妼?duì)環(huán)境的污染比火電?。纠?】鈾核裂變的很多可能的核反應(yīng)中的一個(gè)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(jì)算一個(gè)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(zhì)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(shí)能放出多少核能？它相當(dāng)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(zhì)量虧損為Δm＝(235.0439＋1.0087－140.9139－91.8973－3×1.0087)u＝0.2153u.一個(gè)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(gè)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(shí)釋放的總能量E＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6MeV≈5.14×1026MeV.設(shè)q為煤的熱值，m為煤的質(zhì)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(jié)提能解答此類題的關(guān)鍵在于如何把已知與所求聯(lián)系起來(lái)，特殊是要能考慮到利用相對(duì)原子質(zhì)量和阿伏加德羅常數(shù)去計(jì)算1kg鈾所含的原子核的個(gè)數(shù)，只要能想到這兒，一切問(wèn)題就都迎刃而解了．eq\o\al(235,92)U受中子轟擊時(shí)會(huì)發(fā)生裂變，產(chǎn)生eq\o\al(139,56)Ba和eq\o\al(94,36)Kr，同時(shí)放出200MeV的能量．現(xiàn)要建設(shè)發(fā)電實(shí)力是50萬(wàn)千瓦的核電站，用鈾235作為原子鍋爐的燃料．假設(shè)核裂變釋放的能量全部被用來(lái)發(fā)電，那么一天須要純鈾235的質(zhì)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(jì)算出每天應(yīng)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(gè))．則對(duì)應(yīng)的質(zhì)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(zhì)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(diǎn)辨析了解原子彈的原理原子彈是利用快中子導(dǎo)致鏈?zhǔn)椒磻?yīng)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(shí)，可以使增殖系數(shù)K>1，這時(shí)中子數(shù)可逐代倍增，最終引起原子爆炸．對(duì)純eq\o\al(235,eq\a\vs4\al(92)U，其K＝2.若N0＝1，則到第90代時(shí)，中子數(shù)已增到N＝280個(gè)，其已大到相當(dāng)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(guò)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(guò)5cm，而快中子的速度約為2×107m·s－1，所以裂變進(jìn)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(jié)構(gòu)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(gè)密封的彈殼內(nèi)，平常這幾塊相隔肯定的距離，所以不會(huì)爆炸．運(yùn)用時(shí)可通過(guò)引爆裝置使它們隧然合為一體，由于其體積超過(guò)臨界體積，爆炸立即發(fā)生．【典例】1964年10月16日，我國(guó)在新疆羅布泊沙漠勝利地進(jìn)行了第一顆原子彈試驗(yàn)，結(jié)束了中國(guó)無(wú)核時(shí)代．(1)原子彈爆炸事實(shí)上是利用鈾核裂變時(shí)釋放出很大能量，由于裂變物質(zhì)的體積超過(guò)臨界體積而爆炸．①完成下面核裂變反應(yīng)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(dòng)持續(xù)下去的反應(yīng)過(guò)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(shí)行哪些措施？(寫(xiě)兩種)【解析】(1)①依據(jù)核反應(yīng)過(guò)程質(zhì)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(dòng)持續(xù)下去的反應(yīng)叫鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．(2)核反應(yīng)堆外面須要修建很厚的水泥防護(hù)層，用來(lái)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(jìn)行處理．【答案】(1)①eq\o\al(140,54)Xe②鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(2)見(jiàn)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(shí)的反應(yīng)速度是不行控的．1．鎘棒在核反應(yīng)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(yīng)速度加快D．限制反應(yīng)速度，調(diào)整反應(yīng)速度的快慢解析：在核反應(yīng)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(yīng)速度，調(diào)整功率大小的作用．2.eq\o\al(235,92)U汲取一個(gè)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(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：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)程滿意質(zhì)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(yīng)放出的肯定是中子，且個(gè)數(shù)是10.3．原子核反應(yīng)有廣泛的應(yīng)用，如用于核電站等，在下列核反應(yīng)中，屬于核裂變反應(yīng)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?zhǔn)椒磻?yīng)特點(diǎn)知：反應(yīng)過(guò)程中由一個(gè)中子引發(fā)裂變，放出2～3個(gè)中子促成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，故D正確．4．(多選)如圖是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對(duì)核反應(yīng)堆的下列說(shuō)法正確的是(BC)A．鈾235簡(jiǎn)單汲取快中子發(fā)生裂變反應(yīng)B．快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量削減，變成慢中子，慢中子簡(jiǎn)單被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)C．限制棒由鎘做成，當(dāng)反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí)，使限制棒插入深一些，讓它多汲取一些中