高中物理 第4章 波與粒子 第2節(jié) 核裂變教師用書 魯科版選修3-5

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第2節(jié)　核裂變 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.知道核裂變的概念，知道重核裂變中能釋放出巨大的能量．(重點) 2.知道什么是鏈式反應．(重點) 3.會計算重核裂變過程中釋放出的能量．(重點) 4.知道什么是核反應堆．了解常用裂變反應堆的類型．(難點) 重 核 的 裂 變 [先填空] 1．重核的裂變 (1)核裂變：用中子轟擊鈾核，鈾核分裂成質(zhì)量相近的兩部分，并釋放出能量的核反應過程叫做核裂變． (2)裂變能：核裂變釋放出的能量稱為裂變能，也稱核能或原子能．核裂變是釋放核能的方法之一． (3)鈾核裂變的產(chǎn)物多種多樣，其中有代表性的有： n＋U→Sr＋Xe＋2n n＋U→Ba＋Kr＋3n. 2．鏈式反應 (1)定義：在U核裂變釋放出巨大能量的同時，平均每次可以放出2～3個中子，這些中子稱為第1代中子，如果其中至少有一個繼續(xù)轟擊U，使之發(fā)生裂變，就能產(chǎn)生第2代中子，這樣不斷繼續(xù)下去，中子會不斷增加，裂變反應就會不斷加強，就形成了裂變的鏈式反應．能夠發(fā)生鏈式反應的鈾塊的最小體積叫做臨界體積． (2)條件：發(fā)生鏈式反應必須具備兩個條件：a.鈾核的體積達到臨界體積；b.必須存在持續(xù)不斷的中子源． [再判斷] 1．原子核釋放粒子的過程也是核裂變的過程．() 2．用中子轟擊重核使之分裂實現(xiàn)核裂變．(√) 3．利用不可控的快中子轟擊超過臨界體積的鈾塊產(chǎn)生鏈式反應制成原子彈．(√) [后思考] 重核裂變反應是否滿足電荷數(shù)守恒？是否滿足質(zhì)量數(shù)守恒？ 【提示】　重核裂變反應屬于核反應，滿足電荷數(shù)守恒，質(zhì)量數(shù)守恒． [核心點擊] 1．鈾核的裂變和裂變方程 (1)核子受激發(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： ①U＋n―→Xe＋Sr＋2n. ②U＋n―→Ba＋Kr＋3n. 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200 MeV估算，1 kg鈾235全部裂變放出的能量相當于2 800 t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1 MeV的中子才能發(fā)生裂變，且裂變的幾率?。芰康陀? MeV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. 1．關于重核的裂變，以下說法正確的是(　　) A．核裂變釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量 B．鈾核裂變在自然界中會自發(fā)地產(chǎn)生 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．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，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能 E．美國扔在廣島的第一顆原子彈‘小男孩’是用鈾235制成的，之所以不用鈾238，是因其不易發(fā)生鏈式反應 【解析】　根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變釋放能量的原理分析可知，裂變時因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程，因而釋放的能量遠大于其俘獲中子時吸收的能量；重核裂變只能發(fā)生在人為核反應中；在裂變反應中核子數(shù)是不會減少的，因此A正確，B、C錯誤．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時，由于平均質(zhì)量減小，必然發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能，所以D正確，鈾235比鈾238易于發(fā)生鏈式反應，可以短時間內(nèi)放出巨大的核能，因此用鈾235制作原子彈而不用鈾238，故E正確． 【答案】　ADE 2．1938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γ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U＋n―→Ba＋Kr＋3n 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γ射線穿透能力極強 E．這個反應中釋放出的能量可以用愛因斯坦的質(zhì)能方程來計算 【解析】　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：U＋n―→Ba＋Kr＋3n，選項A正確；鈾核裂變過程中產(chǎn)生γ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錯誤，E正確；核反應中產(chǎn)生的γ射線，穿透能力極強，是能量極高的光子，選項D正確． 【答案】　ADE 3．現(xiàn)有的核電站比較廣泛采用的核反應之一是：U＋n→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ν (1)核反應方程中的ν是中微子，它不帶電，質(zhì)量數(shù)為零．試確定生成物鋯(Zr)的電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù)； (2)已知鈾(U)核的質(zhì)量為235.049 3 u，中子質(zhì)量為1.008 7 u，釹(Nd)核質(zhì)量為142.909 8 u，鋯核質(zhì)量為89.904 7 u．又知1 u＝1.660 610－27 kg，試計算，1 kg鈾235大約能產(chǎn)生的能量是多少？ 【解析】　(1)根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，可得 Zr的電荷數(shù)Z＝92－60＋8＝40 質(zhì)量數(shù)A＝236－143－31＝90. (2)方法一：質(zhì)量虧損 Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.217 4 u. 一個鈾核裂變釋放能量 ΔE＝Δm931.5 MeV ＝0.217 4931.5 MeV≈202.5 MeV 1 kg鈾核含有的原子核數(shù)為 n＝6.021023個≈2.5621024個 1 kg鈾核產(chǎn)生的能量 E總＝nΔE＝2.562202.51024MeV ≈5.21026MeV＝5.210261061.610－19 J ≈8.31013 J. 方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn) ＝0.217 4 u＝0.217 41.660 610－27 kg ≈3.610－28 kg ΔE＝Δmc2＝3.610－28(3108)2 J＝3.2410－11 J n＝6.021023個≈2.5621024個 E總＝nΔE＝2.56210243.2410－11 J≈8.31013 J. 【答案】　(1)40　90　(2)8.31013 J 重核裂變核能計算的方法 解答這類問題，一般是先根據(jù)核反應方程求出一個重核裂變時發(fā)生的質(zhì)量虧損，由質(zhì)能方程計算出釋放的能量，然后用阿伏加德羅常數(shù)把核能與重核質(zhì)量聯(lián)系起來；另外，在計算過程中要注意單位的統(tǒng)一． 　裂 變 反 應 堆 [先填空] 1．核反應堆：能維持和控制核裂變的裝置． 2．核反應堆的構成：堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和防護層等部分． (1)堆芯：由燃料棒、減速劑和冷卻劑組成． (2)中子反射層：反射核裂變中產(chǎn)生的中子，使其進一步參加鏈式反應． (3)控制棒：用能吸收慢中子的鎘或硼鋼制成，以控制鏈式反應的速度． [再判斷] 1．核反應堆可以人工控制核反應速度．(√) 2．減速劑的作用使快中子減速變成慢中子．(√) 3．鏈式反應一旦形成無法進行人工控制．() [后思考] 核反應堆中的防護層的構造和作用是什么？ 【提示】　核反應堆中的防護層一般由金屬套、防止中子外逸的水層以及1 m～2 m厚的鋼筋混凝土構成，可以有效地防止射線對人體及其他生命的侵害． [核心點擊] 1．核反應堆的組成 核反應堆由堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和防護層等部分組成．其中控制棒用能吸收慢中子的鎘或硼鋼制成，以控制鏈式反應的速度．之所以把它叫做“堆”，是因為世界上第一個核反應堆是用石墨塊(用以控制反應速度)和金屬鈾塊(反應燃料)一層一層交替地“堆”起來而構成的． 2．核反應堆與原子彈爆炸的比較 原子彈爆炸時鏈式反應的速度是無法控制的，為了用人工方法控制鏈式反應的速度，使核能比較平緩地釋放出來，人們制成了核反應堆(核電站的核心設施)．核反應堆是人工控制鏈式反應的裝置． 3．核電站發(fā)電的主要原理 核燃料裂變釋放的能量使反應區(qū)溫度升高．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)的熱量傳輸出去．反應堆放出的熱使水變成水蒸氣，這些高溫高壓的蒸汽推動汽輪發(fā)電機發(fā)電．這一部分的工作原理和火力發(fā)電相同． 4．關于核反應堆中用鎘棒控制反應速度的原理，下列說法不正確的是(　　) A．鎘棒能釋放中子，依靠釋放的多少控制反應速度 B．用鎘棒插入的多少控制快中子變?yōu)槁凶拥臄?shù)量 C．利用鎘棒對中子吸收能力強的特點，依靠插入的多少控制中子數(shù)量 D．鎘棒對鈾核裂變有一種阻礙作用，利用其與鈾的接觸面積的大小控制反應速度 E．鎘棒的作用是吸收中子，控制反應速度，所以也叫控制棒 【解析】　鎘棒不是離子源不會釋放中子，A錯誤，也不是減速劑，不能使快中子變?yōu)槁凶?，B、D錯誤，鎘棒對中子有吸收作用，通過中子強度檢測器檢測，當反應太強，鎘棒能自動插入，多吸收中子，反之，自動抽出，少吸收中子，故鎘棒也叫控制棒，C、E正確． 【答案】　ABD 5．關于原子核反應堆，下面哪種說法是正確的(　　) A．鎘棒是核燃料，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量 E．石墨為慢化劑，使反應生成的快中子減速為慢中子以利于被鈾235吸收，發(fā)生裂變 【解析】　核燃料即為用濃縮鈾制成的鈾棒，鈾棒裂變時釋放核能；鎘棒具有很強的吸收慢中子的能力，通過控制鎘棒插入的深度來控制鏈式反應的速度，即可控制反應堆的功率；石墨的作用是使裂變產(chǎn)生的快中子減速成為慢中子；冷卻劑的作用是控制反應堆的溫度和輸出熱量．則B、D、E正確，A、C錯誤． 【答案】　BDE