2024-2025學(xué)年高中物理第十九章原子核第6節(jié)核裂變學(xué)案新人教版選修3-5

PAGE5-第6節(jié)核裂變1．知道什么是核裂變。2．知道鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件。3．會(huì)利用質(zhì)量虧損計(jì)算核裂變產(chǎn)生的核能。4．了解核反應(yīng)的工作原理，知道如何限制核反應(yīng)的速度。5．了解如何防止核污染。一、重核的裂變1．核裂變：重核分裂成兩個(gè)質(zhì)量差不多的eq\o(□,\s\up3(01))較輕原子核，并放出eq\o(□,\s\up3(02))核能的過程。2．鈾核裂變：用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應(yīng)是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋eq\o(□,\s\up3(03))3eq\o\al(1,0)n。3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：這種由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代接著下去的過程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。4．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于或等于eq\o(□,\s\up3(04))臨界體積或裂變物質(zhì)的質(zhì)量大于或等于eq\o(□,\s\up3(05))臨界質(zhì)量。二、核電站1．核電站：利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是eq\o(□,\s\up3(01))核反應(yīng)堆，它主要由以下幾部分組成：(1)燃料：eq\o(□,\s\up3(02))鈾棒；(2)慢化劑：鈾235簡單捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng)，采納eq\o(□,\s\up3(03))石墨、eq\o(□,\s\up3(04))重水和eq\o(□,\s\up3(05))一般水(也叫輕水)作慢化劑；(3)限制棒：利用鎘汲取eq\o(□,\s\up3(06))中子實(shí)力很強(qiáng)的特性，在反應(yīng)堆中采納插入鎘棒的方法限制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度；(4)熱交換器：利用eq\o(□,\s\up3(07))水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流淌，把反應(yīng)堆中的熱量傳輸出去。2．核輻射的屏蔽：在反應(yīng)堆的外面須要修建很厚的eq\o(□,\s\up3(08))水泥層；核廢料需裝入特制的容器，eq\o(□,\s\up3(09))深埋地下。判一判(1)只要鈾塊體積大于臨界體積就可以發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。()(2)核電站應(yīng)用的是重核裂變獲得能量。()(3)鈾核裂變的產(chǎn)物是唯一的。()(4)在利用重核裂變制成的原子彈中，也須要用鎘制成的限制棒。()提示：(1)√(2)√(3)×(4)×想一想(1)鈾核裂變是自然放射現(xiàn)象嗎？提示：自然放射現(xiàn)象是指元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象，而裂變是重核在其他粒子轟擊下發(fā)生的核反應(yīng)。(2)中子的速度越快越簡單發(fā)生鈾核裂變嗎？提示：不是。中子速度不能太快，否則就會(huì)與鈾核“擦肩而過”，鈾核不能俘獲中子，也就不能發(fā)生裂變了。(3)限制棒如何起到限制核反應(yīng)速度的作用？提示：限制棒一般由鎘制成，鎘汲取中子實(shí)力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，將鎘棒插入深一些，讓它多汲取一些中子，從而達(dá)到減慢核反應(yīng)速度的目的。相反，假如核反應(yīng)速度過慢，將鎘棒抽出一些。課堂任務(wù)重核的裂變1．鈾核的裂變和裂變方程(1)原子核受激發(fā)：當(dāng)中子進(jìn)入鈾235原子核后，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)原子核分裂：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或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，釋放出越來越多的核能。(3)常見的裂變方程①eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n②eq\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)n2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件(1)鈾塊的體積大于或等于臨界體積。(2)鈾塊的質(zhì)量大于或等于臨界質(zhì)量。以上兩個(gè)條件滿意一個(gè)即可。例1(多選)關(guān)于鈾核裂變，下列說法正確的是()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(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)簡單進(jìn)行，最好提純鈾235D．鈾塊的體積對(duì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無影響(1)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件是什么？提示：裂變物質(zhì)的體積大于或等于臨界體積，或質(zhì)量大于或等于臨界質(zhì)量。(2)裂變遵循的規(guī)律是什么？提示：遵循質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。[規(guī)范解答]鈾核受到中子的轟擊，會(huì)引起裂變，裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，具有極大的偶然性，但裂變成兩塊的狀況多，也有的分裂成多塊，并放出幾個(gè)中子，A錯(cuò)誤，B正確；較純鈾235受中子的轟擊時(shí)，裂變的概率大，C正確；而要引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，必需使鈾塊體積達(dá)到或超過臨界體積，D錯(cuò)誤。[完備答案]BC解決裂變問題應(yīng)留意的幾點(diǎn)(1)重核發(fā)生裂變的條件：①要俘獲慢中子；②鈾塊的體積要大于或等于臨界體積。(2)重核裂變放能的緣由是：重核核子的比結(jié)合能小于中等核核子的比結(jié)合能。(3)裂變遵循質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒的規(guī)律。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練1])一個(gè)eq\o\al(235,92)U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eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→X＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n，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，依據(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)削減答案A解析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)誤。課堂任務(wù)核電站1．核心：核電站的核心是核反應(yīng)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(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凶樱阌阝?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：一座百萬千瓦級(jí)的核電站，一年只消耗濃縮鈾30噸左右，而同樣功率的火電站每年要消耗煤250萬噸。(2)污染小：核電對(duì)環(huán)境的污染比火電小。例2秦山核電站第三期工程的兩個(gè)6×105kW發(fā)電機(jī)組已實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。發(fā)電站的核能來源于eq\o\al(235,92)U的裂變，下列說法正確的是()A．反應(yīng)堆中核反應(yīng)速度通常是采納調(diào)整eq\o\al(235,92)U的體積來限制的B.eq\o\al(235,92)U的一種可能的裂變是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)nC.eq\o\al(235,92)U是自然放射性元素，上升溫度后它的半衰期會(huì)縮短D．雖然核電站能供應(yīng)很大的能量，但它對(duì)環(huán)境的污染比火電站嚴(yán)峻(1)反應(yīng)堆中核反應(yīng)速度是如何限制的？提示：由限制棒汲取中子的多少進(jìn)行限制。(2)核電站發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是什么？提示：①消耗的核燃料少。②核燃料在地球上可采，儲(chǔ)量大。③對(duì)環(huán)境污染比火力發(fā)電站小。[規(guī)范解答]反應(yīng)堆中核反應(yīng)速度由限制棒(鎘棒)汲取中子的多少來限制，A錯(cuò)誤；eq\o\al(235,92)U裂變有多種可能性，這是其中常見的一種，B正確；放射性元素的半衰期由原子核本身確定，與溫度壓強(qiáng)等外界條件無關(guān)，C錯(cuò)誤；核電站的核能是清潔能源，污染少，D錯(cuò)誤。[完備答案]B關(guān)于核電站須要記住的幾個(gè)要點(diǎn)(1)核反應(yīng)堆的工作原理和組成。(2)核能的來源。(3)核電站的優(yōu)缺點(diǎn)。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練2])核反應(yīng)堆是實(shí)現(xiàn)可限制的重核裂變的一種裝置，它主要由四部分組成()A．核燃料、減速劑、碰撞系統(tǒng)、傳熱系統(tǒng)B．核燃料、減速劑、發(fā)熱系統(tǒng)、傳熱系統(tǒng)C．核燃料、減速劑、冷卻系統(tǒng)、限制調(diào)整系統(tǒng)D．核燃料、中子源、原子能儲(chǔ)存系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)答案C解析核反應(yīng)堆里用的核燃料是濃縮鈾(鈾235占2%～4%)制成的鈾棒；鈾235易俘獲