2019-2020学年高中物理第19章原子核第6节核裂变课件 人教版选修3-5

2019-2020学年高中物理第19章原子核第6节核裂变课件 人教版选修3-5

第 6 节　重核的裂变 [ 学习目标 ] 1. 知道什么是核裂变．　 2. 知道链式反应及链式反应的条件，并能计算裂变释放的核能．　 3. 了解裂变反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度以及如何防止核污染．　 1 ．发现： 1938 年底，德国物理学家 ________ 和他的助手斯特拉斯曼，在用中子轰击铀核的实验中发现了 ________ 的裂变． 2 ．定义：重核被中子轰击后分裂成两个 ________ ______ 的新原子核，并放出 ________ 的过程． 要点一　核裂变 哈恩　 课前教材预案 铀核　 质量差　 不多　 核能　 中子　 中子　 中子　 5 ．链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于 ____________ 或裂变物质的质量大于等于 ____________ ． 临界体积　 临界质量　 1 ．组成：核电站是利用核能发电，它的核心设施是 ____________ ，它主要由以下几部分组成： (1) 燃料： ________ ． (2) 慢化剂：铀 235 容易捕获慢中子发生反应，采用 ________ 、重水或普通水作慢化剂． (3) 控制棒：由 ____________ 能力很强的镉制成，用以控制链式反应的速度． 核反应堆　 要点二　核电站 铀棒　 石墨　 吸收中子　 2 ．工作原理：核燃料 ________ 释放的能量使反应区温度升高． 3 ．能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外 ____________ ，使反应堆内的热量传输出去，用于发电． 裂变　 循环流动　 4 ．核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和 _____________ 对水源、空气和工作场所造成放射性污染，在反应堆外面要修建很厚的 ________ ，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，核废料具有很强的 ________ ，需要放入特制容器，深埋地下． 放射性物质　 水泥层　 放射性　 问题与思考 1 ．判断下列说法的正误 (1) 原子核发生放射性衰变的过程也是核裂变的过程 ( 　　 ) (2) 核裂变是用中子轰击重核使之分裂实现的 ( 　　 ) (3) 链式反应的条件是反应物质必须大于等于其临界体积或临界质量 ( 　　 ) 答案　 (1) 原子核发生放射性衰变是自发进行的，而核裂变是原子核的人工转变， (1) 错误． (2) 核裂变是原子核的人工转变，必须用中子轰击重核才能使之分裂， (2) 正确． (3) 原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果反应物质不够大，中子在反应物质中通过时，就有可能碰不到原子核而跑到外面去，故能够发生链式反应的反应物质必须大于等于其临界体积或临界质量， (3) 正确． 2 ．核反应堆中为什么要用慢化剂将裂变产生的快中子变为慢中子？ 答案　 中子的速度不能太快，否则会与铀 235 原子核擦肩而过，不能被铀核捉住也就不能发生裂变反应．实验证明只有速度与热运动速度相当的中子最适于引发裂变，所以要设法使裂变产生的速度很大的快中子减速，为此要在铀棒周围放慢化剂，使快中子跟慢化剂中的原子核碰撞，使快中子的能量减小，变为慢中子． 课堂深度拓展 考点一　重核的裂变 —— 铀核裂变 (2) 裂变产物具有多样性 同一原子核，可以裂变为不同种类和不同质量的裂块．如铀核，有时裂变为氙 (Xe) 和锶 (Sr) ，有时裂变为钡 (Ba) 和氪 (Kr) 或锑 (Sb) 和铌 (Nb) 等． (3) 裂变产物具有放射性 裂变产生的新核具有放射性，经过一系列 β 衰变或直接发射中子后，才能成为稳定的原子核．所以，裂变是人工获取放射性同位素的重要方法． (4) 裂变能产生多个中子． 【例题 1 】　 关于重核的裂变，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B ．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应 C ．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小 D ．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能 答案　 D 　 C ．因为裂变时释放能量，根据 E ＝ mc 2 ，所以裂变后的总质量数增加 D ．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量减少 答案　 AD 　 解析　 设 X 的原子核中含有 x 个质子，质量数为 y ，根据电荷数和质量数守恒有 92 ＝ x ＋ 38,235 ＋ 1 ＝ y ＋ 94 ＋ 2 ，解得 x ＝ 54 ， y ＝ 140 ，所以 X 的中子数为 y － x ＝ 86 ，选项 A 正确； 由 A 分析可知 X 的质量数为 140 ，即核子数为 140 ，选项 B 错误； 裂变反应过程中质量数守恒，质量数不会增加，选项 C 错误；因为裂变释放能量，出现质量亏损，所以裂变后的总质量减少，但总质量数不变，选项 D 正确． 1 ． 链式反应 当中子进入铀 235 的核中后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状，核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出 2 ～ 3 个中子． 考点二　链式反应 这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变会不断地进行下去，释放出越来越多的核能，这就是链式反应，如图所示． (3) 临界体积 —— 要有足够大的铀块，即铀块体积不小于临界体积 ( 发生链式反应的最小体积 ) —— 可不使中子还未碰到铀核就逸出铀块． 【例题 2 】　 铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．铀块的质量是重要因素，与体积无关 B ．为了使铀 235 裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子 C ．若铀 235 的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生 D ．裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关 答案　 C 　 解析　 要发生链式反应必须使铀块体积 ( 或质量 ) 大于临界体积 ( 或临界质量 ) ，选项 A 、 D 错误， C 正确；铀 235 俘获慢中子发生裂变的概率大，快中子使铀 235 发生裂变的几率小，选项 B 错误． 【变式 2 】　 ( 多选 ) 关于铀核裂变，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不 同的核 B ．铀核裂变时还能同时释放 2 ～ 3 个中子 C ．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用铀 235 而不用铀 238 D ．铀块的体积对产生链式反应无影响 答案　 BC 　 解析　 铀核受到中子的轰击，会引起裂变，放出 2 ～ 3 个中子，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性，只是裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，选项 A 错误， B 正确；铀 235 受慢中子的轰击时，裂变的概率大，而铀 238 只有俘获能量在 1 MeV 以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小，选项 C 正确；而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，选项 D 错误． 1 ． 核武器 原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短的时间内释放出来． 考点三　核能的利用 2 ． 核电站 (1) 核电站是利用缓慢释放的核能来发电，其核心是核反应堆，其简化示意图如图所示． 其结构及其作用如下表所示： 组成部分 材料 作用 反射层 石墨 阻止中子逃逸 热循环介质 水或液态金属钠 产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电 防护层 金属套和钢筋混凝土 防止射线对人体及其他生物体的侵害 (2) 核电站发电的优点 ① 消耗的核燃料少，一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀 30 t 左右，而同样功率的火电站每年要消耗 250 万吨优质煤； ② 作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大； ③ 对环境的污染要比火力发电小． (1) 铀核的裂变是人为的核反应，自然界中不会自发地产生． (2) 链式反应的速度很快，如不加以控制，能量在瞬间急剧释放 ( 如原子弹 ) ． 重核裂变核能计算的方法 解答这类问题，一般是先根据核反应方程求出一个重核裂变时发生的质量亏损，由质能方程计算出释放的能量，然后用阿伏加德罗常数把核能与重核质量联系起来；另外，在计算过程中要注意单位的统一． 【变式 3 】 ( 多选 ) 关于核反应堆，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．铀棒是核燃料，裂变时释放核能 B ．镉棒的作用是控制反应堆的功率 C ．石墨的作用是吸收中子 D ．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能 答案　 ABD 　 解析　 铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，选项 A 正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，选项 B 正确；慢中子最容易引发铀核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，选项 C 错误；水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控制温度，选项 D 正确． 1 ．原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成 ( 　　 ) 　　　　　　　　　　　　　　　　　 A ．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统 B ．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统 C ．原子燃料、减速剂、碰撞系统和传热系统 D ．原子燃料、中子源、原子能存聚系统和输送系统 课末随堂演练 答案　 A 　 解析　 原子反应堆里用的核燃料是用浓缩铀 ( 铀 235 占 3% ～ 4%) 制成的铀棒；铀 235 易俘获慢中子，不易俘获快中子，必须使用减速剂 ( 如石墨、重水、普通水 ) ，让快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子； 控制调节系统是用于调节中子的数目以控制反应速度，它是由镉做成的放置在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组成；冷却系统靠水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全． 答案　 C 　 答案　 D 　 解析　 核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒，通过核反应前后的质量数和电荷数相等不难得出，选项 A 、 B 、 C 错误， D 正确． 答案　 D 　 5 ．每昼夜消耗 220 g 铀 235 的原子能发电站，如果效率为 25% ，它能产生的电功率为多大？ ( 每个铀核裂变时放出的能量是 200 MeV) 答案　 5.2×10 7 W