高中物理 第十九章 原子核 6 核裂变教材梳理素材 新人教版选修3-5（通用）

高中物理 第十九章 原子核 6 核裂变教材梳理素材 新人教版选修3-5（通用）

‎6 重核的裂变 ‎ 疱丁巧解牛 知识·巧学 一、核裂变 ‎1.定义：使重核分裂成中等质量的原子核的核反应叫重核的裂变，核裂变释放出的能量称为裂变能，也称核能或原子能.‎ 联想发散 由于中等质量的平均结合能较大，轻核聚变成中等核或者重核裂变成两个中等核都会出现质量亏损，释放出核能.‎ ‎2.重核的裂变只发生在人为控制的核反应中，自然界不会自发的产生.‎ ‎3.铀核裂变的产物是多种多样的，有时裂变为氙(Xe)和锶(Sr)，有时裂变为钡(Ba)和氪(Kr)，有时裂变为锑(Sb)和铌(Nb)，产物不同，释放的能量和中子数不尽相同.例如，其中一种核反应方程为：+→++3.‎ 二、链式反应 ‎1.链式反应 当中子进入铀235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，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能，这就叫链式反应，如图‎19-6-1‎所示.‎ 图‎19-6-1‎ ‎2.链式反应的条件 ‎(1)首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂过程中，又会放出更多中子，这些中子再去轰击更多铀核，产生更多中子，就形成了链式反应，这个反应速度很快，不加控制的话，能量在很短的时间内急剧释放(原子弹)；如果采用其他方法对反应速度加以控制的话，能量缓慢释放(核电站).‎ ‎(2)发生链式反应的另一个重要因素是铀块的体积，原子核的体积非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面了，能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做临界体积.‎ 深化升华 重核裂变有质量亏损，所以放出能量，上述反应放出的能量ΔE=201 MeV‎.1 kg铀全部裂变所放出的能量相当于2 000 t优质煤燃烧时释放的能量，裂变时能产生几万度的高温.‎ 三、核电站 核反应堆能实现核能的稳定输出，使其转化为其他形式的能量，从而使核能具有广泛用途，核电站就是将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂.‎ ‎1.工作原理 现以压水式反应堆核电站为例，讨论电站的工作原理，压水式反应堆核电站包括：压水堆本体，由蒸汽发生器、称压器、主泵构成的一回路系统，二回路系统，汽轮发电机组以及为支持系统正常运行并保证反应堆安全而设置的辅助系统一，回路系统是蒸汽供应系统，将反应堆释放的内能，由冷却剂带到蒸汽发生器中，产生蒸汽；二回路系统是蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的系统，与常规火电厂汽轮发电系统基本相同.‎ ‎2.核燃料 目前核电站的反应堆以为燃料.‎ ‎3.裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种用人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理如下表：‎ 组成部分 材料 作用 裂变材料(核燃料)‎ 浓缩铀 提供核燃料 慢化剂(减速剂)‎ 石墨、重水或普通水 使裂变产生的快中子减速使之容易被铀235吸收 控制棒 镉或钢 吸收减速后的中子，控制反应速度 反射层 石墨 阻止中子逃逸 热交换器 水 产生高温蒸汽，推动蒸汽轮机，带动发电机发电 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 深化升华 核能属于清洁能源，也是潜力很大的新能源.‎ 典题·热题 知识点一 核裂变 例1 关于铀核裂变，下述说法正确的是( )‎ 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，最好用纯铀235‎ D.铀块的体积对产生链式反应无影响 解析：铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，并放出几个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的几率大，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.而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积.故上述选项B、C正确.‎ 答案：BC 方法归纳 铀核裂变会产生多个中子，即中子“再生率”大于1，当铀块体积超过临界体积时会发生链式反应.‎ 例2 用中子轰击铀核()，其中的一个可能反应是分裂成钡()和氪(‎ ‎)两部分，放出3个中子，试写出核反应方程，算出反应中释放的核能.‎ 解析：根据反应前后核的核子数守恒、核电荷数守恒和反应中的能量守恒，就可以写出核反应方程.为了算出核能，查出各个核和中子的质量如下：‎ mU=390.313 9×10‎-27 kg，mn=1.674 9×10‎-27 kg，mBa=234.001×10‎-27kg，mKr=152.604 7×10‎-27 kg，据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦的质能方程就可算出释放的核能.‎ 此铀核裂变方程为+→++3，则核反应前后的质量亏损为Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=0.357 8×10-27 kg 由爱因斯坦的质能方程可得释放的核能为 ΔE=Δmc2=0.357 8×10-27×(2.997 9×108)2J=3.215×10-11J.‎ 例3 受中子轰击时会发生裂变，产生和，同时放出200 MeV的能量.现要建设发电能力是50万千瓦的核电站，用作为原子锅炉的燃料.假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天需要纯铀235的质量为多大？(阿伏加德罗常数为6.02×1023/mol)‎ 解析：铀235释放的能量等于一天发电的电能.计算出50万千瓦的核电站一天发出的电能，也就是一天所需的铀235释放的核能，进而求得铀235的质量.‎ 先根据发电功率计算出每天应发电能的总量为：E=24×3.6×103×P=4.32×1013 J.要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目为n==1.35×1024.则对应的质量为m=·μ=×235×10‎-3 kg=‎0.527 kg.‎ 方法归纳 本题以核电站为背景材料，通过量化计算，说明核能的利用是解决能源问题的有效途径.‎ 知识点二 与能量守恒定律综合 例4‎ ‎ 在磁感应强度为B的匀强磁场中，一静止的质量为M的原子核在云室中发生一次α衰变，放出的α粒子的质量为m，电荷量为q，运动轨迹在与磁场垂直的平面内，且轨道半径为R，若原子核衰变时其能量都以α粒子和新核的动能形式释放，求它释放出的总能量(亏损的质量在与粒子质量相比时可忽略).‎ 解析：根据能量转化规律及能量守恒定律进行计算 设放出的α粒子的速率为v，它在洛伦兹力作用下做半径为R的匀速圆周运动，由牛顿第二定律，有：‎ qvB=mv2/R,mv=qBR. ①‎ 设新核的速率为v′,忽略系统的质量亏损时的质量关系为 M′=(M-m)‎ 衰变过程中系统的动量守恒，所以有 mv=(M-m)v′ ②‎ 根据衰变时的能量转化规律及能量守恒定律，得原子核释放的核能：‎ ΔE=mv2+(M-m)v′2 ③‎ 由①②③式解出 ΔE=.‎ 问题·探究 交流讨论探究 问题 如何理解链式反应的条件？‎ 探究过程:‎ 张海：发生链式反应，需要用中子轰击铀核，使中子打进铀235原子核，使该核变成高能量状态的复核；由于复核中核子的激烈运动，复核变成不规则形状，核子同时距离增大，核力迅速减小，因而不能克服质子间的静电斥力而使核迅速恢复原状.于是复核就分裂成质量差不多的两部分，同时放出几个中子.因此，只要用1个中子轰击铀核，就可以使产生多个中子，因此一定能发生链式反应.‎ 刘小青：由于裂变中放出的中子有的可能被裂变物质吸收而没有产生裂变，也有的可能被裂变物质中所含的杂质吸收，所以裂变反应中产生的中子未必像想象的那样一定有中子再去轰击铀核，因此链式反应未必能持续地进行下去.‎ 李兵：要维持链式反应，就要减少裂变物质中的杂质，使中子尽可能不被杂质吸收，增加中子轰击铀核的几率.‎ 王佳佳：根据原子的核式结构理论，原子的绝大部分空间是空的，原子核只是其中很小的一个核，所以裂变反应产生的中子击中原子核的几率也是很小的.只有原子核的数目足够多，中子击中原子核的几率才会足够大，才有可能使链式反应继续下去.‎ 肖明：要增加原子核的数目，必须增大裂变物质的体积.只有裂变物质的体积增大到一定程度，才能使裂变产生的中子不从裂变物质中漏失出去而击中铀核，才会使裂变反应持续下去，即形成链式反应.‎ 人物己：要发生链式反应，除要使裂变反应中的中子再生率大于1和减少杂质之外，还要使裂变物质的体积大于一定的体积(即临界体积).‎ 探究结论:发生链式反应的条件是中子再生率要大于1，裂变物质的体积大于临界体积.‎