高中物理人教選修35精講優(yōu)練課件19.6核裂變

1、6 核裂變,一、核裂變及鏈式反應 1.核裂變:重核被_轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊的核反 應。 2.鈾核裂變:用中子轟擊鈾核時,鈾核發(fā)生裂變,其產(chǎn)物是多樣的, 其中一種典型的裂變是 3.鏈式反應:由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應_繼續(xù)下去的過程叫核裂變的鏈式反應。,中子,一代接一代,4.臨界體積和臨界質(zhì)量:把裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積叫作它的臨界體積,相應的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量。 5.核裂變的能量:1kg鈾235全部裂變放出的能量相當于_標準煤完全燃燒時釋放的化學能。,2 800t,【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

2、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時,才能夠發(fā)生鏈式反應。() 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,使鏈式反應進行下去。,二、核電站 1.核電站:利用核能發(fā)電,它的核心設施是_,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,采用_ 作慢化劑。,反應堆,鈾棒,石墨、重水或普通水,(3)控制棒:為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應速度,還需要在鈾棒之間 插進一些隔棒。鎘_的能力很強,當反應過于激烈時,將隔棒插入

3、深一些,讓它多吸收一些中子,鏈式反應的速度會慢一些,這種鎘棒叫作控制棒。,吸收中子,2.工作原理:_釋放的能量,使反應區(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堆內(nèi)外循環(huán)流動, 把反應堆內(nèi)的_傳輸出去,用于發(fā)電。同時也使反應堆冷卻。 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,熱量,水泥層,裂變反應,放射性,【判一判】 (1)在核反應中,中子的速度越大越容易擊中鈾核。() (2)核反應堆是通過調(diào)節(jié)中子數(shù)

4、目以控制反應速度。() (3)核反應堆用過的核廢料無毒無害。() 提示:(1)。在核反應中,中子的速度不能太快,否則不能發(fā)生核裂變。 (2)。核反應堆是通過調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應速度。 (3)。核反應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。,一、對重核裂變和鏈式反應的分析 思考探究: 如圖為核裂變示意圖。,(1)重核裂變是一種天然現(xiàn)象嗎? (2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈式反應? 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。 (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。,【歸納總結】 1.鈾核的裂變和裂變方程: (1)核子受激

5、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。,(3)常見的裂變方程:,2.鏈式反應的條件: (1)有慢中子轟擊。 (2)鈾塊的體積大于臨界體積,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。,3.裂變反應的能量: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

6、估算,1kg鈾235全部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。,4.鈾的同位素中鈾235比鈾238更易發(fā)生鏈式反應: 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。 (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,為了使鏈式反應容易發(fā)生,最好利用純鈾235。,【特別提醒】 (1)裂變

7、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)生鏈式反應的條件方面:裂變物的體積必須大于臨界體積才能發(fā)生鏈式反應。,【典例示范】1938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)、中子和一些射線。下列關于這個實驗的說法中正確的是() A.這個實驗的核反應方程是 B.這是一個核裂變過程,反應后粒子質(zhì)量之和大于反應前粒子質(zhì)量之和 C.這個反應中釋放出的能量不可以用愛因斯坦的光電效應方程來計算 D.實驗中產(chǎn)生的射線穿透能力極強,【解題探究】 (1)怎樣分析判斷核反應方程是否正確? 提示:根據(jù)反應前后質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒分析判斷。 (

8、2)如何判斷反應前后粒子的質(zhì)量關系。 提示:根據(jù)核反應是吸能還是放能反應判斷。,【正確解答】選D。根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒,鈾核裂變的核反 應方程應為: ,選項A不正確;鈾核裂變過程中產(chǎn)生射線,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;核反應中產(chǎn)生的射線,穿透能力極強,是能量極高的光子,選項D正確。,【過關訓練】 1.關于重核的裂變,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 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 D.重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時,要發(fā)生質(zhì)量虧損,

9、放出核能,【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,B錯。重核裂變時,核子數(shù)守恒,C錯。,2.(2015江蘇高考)核電站利用原子核鏈式反應放出的巨大能量進 行發(fā)電, 是核電站常用的核燃料。 受一個中子轟擊后裂變成 兩部分,并產(chǎn)生個中子。要使鏈式反應發(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: 可見產(chǎn)生了3個中子,鏈式反應的一個條件是鈾燃料

10、的體積必須大于或等于臨界體積。 答案:3大于,【補償訓練】 1.下列核反應中,表示核裂變的是(),【解析】選C。 是衰變， 是衰變， 是人工轉(zhuǎn)變，只有C選項是重核裂變。,2.關于重核的裂變,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,其體積必須足夠大 D.鈾235分裂成兩個中等質(zhì)量的核,比結合能減小,放出核能,【解析】選C。鈾核也有三分裂、四分裂現(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,B錯誤;要發(fā)生鏈式反應,鈾塊的體積必須大于臨界體積,C正確;中等質(zhì)

11、量核的比結合能最大,鈾核分裂時比結合能增大,放出核能,D錯誤。,【規(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23個中子。 (3)裂變時產(chǎn)生質(zhì)量虧損放出能量。,二、核電站的結構及工作原理 思考探究: 如圖所示為核電站工作流程示意圖,(1)核電站的核心設施是什么? (2)核電站是如何實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移的? 提示:(1)核反應堆是核電站的核心設施,原子核的鏈式反應在此進行。 (2)在核反應堆中核能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,在第一回路通過水或鈉將反應堆內(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。,【歸納總結】 1.核電站的主要組成:核電站的核心設施是核反

12、應堆,反應堆用的核燃料是鈾235,它的主要部件列表如下:,2.反應堆工作原理: (1)熱源:在核電站中,核反應堆是熱源,如圖為簡化的核反應堆示意圖: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。,(2)控制棒:鎘棒的作用是吸收中子,控制反應速度,所以也叫控制棒?？刂瓢舨迦肷钜恍?吸收中子多,反應速度變慢,插入淺一些,吸收中子少,反應速度加快,采用電子儀器自動調(diào)節(jié)控制棒插入深度,就能控制核反應的劇烈程度。 (3)冷卻劑:核反應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

13、劑,在反應堆內(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。,3.核電站發(fā)電的優(yōu)點: (1)消耗的核燃料少。 (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。,【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,其一種裂變反應式是 下列說法正確的有() A.上述裂變反應中伴隨著中子放出 B.鈾塊體積對鏈式反應的發(fā)生無影響 C.鈾核的鏈式反應可人工控制 D.鈾核的半衰期會受到環(huán)境溫度的影響,【解題探究】 (1)鏈式反應有什么

14、特點? 提示:反應產(chǎn)生的中子多于反應需要的中子。 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、化學狀態(tài)無關。,【正確解答】選A、C。核裂變反應是重核被中子轟擊后分裂成兩個中等質(zhì)量的原子核并放出若干個中子的反應,A選項正確;鈾塊要發(fā)生鏈式反應需達到一定的體積,B選項錯誤;鏈式反應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,D選項錯誤。,【過關訓練】 1.(拓展延伸)【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: 則a+b可能是() 【解析】選D

15、。根據(jù)題中所給裂變反應方程,質(zhì)量數(shù)守恒,電荷數(shù)守恒,故a+b的質(zhì)量數(shù)應為235+1-2=234,電荷數(shù)應為92,故只有D選項正確。,2.核反應堆是實現(xiàn)可控制的重核裂變鏈式反應的一種裝置,它的主要組成部分是() A.原子燃料、慢化劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng) B.原子燃料、慢化劑、發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng) C.原子燃料、調(diào)速劑、碰撞系統(tǒng)和熱系統(tǒng) D.原子燃料、中子源、原子能聚存和輸送系統(tǒng),【解析】選A。核反應堆的主要部分包括:燃料,即濃縮鈾235;慢化劑,采用石墨、重水或普通水;控制棒,控制鏈式反應的速度;冷卻系統(tǒng),水或液態(tài)鈉等流體在反應堆內(nèi)外循環(huán)流動,把反應堆的熱量傳輸出去用于發(fā)電,故A正確,B、C、

16、D錯。,【補償訓練】 1.(多選)關于核反應堆,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堆的溫度和輸出熱能,【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,作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應速度,即控制反應堆功率,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,石墨的作用是使中子減速,故C錯誤;水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應堆內(nèi)外循環(huán)流動,把反應堆內(nèi)的熱量傳輸出去,用于發(fā)電,同時也使反應堆冷卻,控制溫度,故D正確。,2.現(xiàn)已建成的核電站發(fā)電的能

17、量來自于() A.天然放射性元素衰變放出的能量 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.化學反應放出的能量 【解析】選C。現(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。,【誤區(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的本質(zhì)及核反應的規(guī)律理解不到位。核反應遵守的是質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒而非質(zhì)量守恒,只有反應前后有質(zhì)量虧損,核反應才能向外釋放出能量。 (2)誤把核反應方程中的單向箭頭寫成等號。產(chǎn)生這種誤區(qū)的原因是把核反應方程和化學方程式混淆了,核反應方程一般都是不可逆的,所以核反應方程只能用單向箭頭表示核反應的方向,而不能用等號來連接。,(3)誤認為只要滿足反應前后電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)相等的核反應一定能夠發(fā)生。產(chǎn)生這種誤區(qū)的原因是對核反應的規(guī)律理解太機械,核反應要以實驗為基礎寫出生成物的種類,即所書寫的核反應方程必須是能夠真實發(fā)生的,不能僅僅依據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒編造不存在的核反應方程。,【拓展例題】考查內(nèi)容:裂變過程的核能計算 【典例示范】用中子轟擊鈾核( ),其中的一個可能反應是分裂 成鋇( )和氪( )兩部分,放出3個中子