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，或鈾塊的質量大于臨界質量． 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|量的原子核，發(fā)生質量虧損，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)地產生 C．重核裂變釋放出大量能量，產生明顯的質量虧損，所以核子數(shù)要減少 D．由于重核的核子平均質量大于中等質量核的核子平均質量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|量的核時，要發(fā)生質量虧損，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|量的原子核時，由于平均質量減小，必然發(fā)生質量虧損，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，反應后粒子質量之和大于反應前粒子質量之和 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能方程來計算 【解析】　根據(jù)質量數(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；鈾核裂變過程中產生γ射線，放出能量，發(fā)生質量虧損，釋放的能量根據(jù)愛因斯坦的質能方程計算，選項B、C錯誤，E正確；核反應中產生的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，質量數(shù)為零．試確定生成物鋯(Zr)的電荷數(shù)與質量數(shù)； (2)已知鈾(U)核的質量為235.049 3 u，中子質量為1.008 7 u，釹(Nd)核質量為142.909 8 u，鋯核質量為89.904 7 u．又知1 u＝1.660 610－27 kg，試計算，1 kg鈾235大約能產生的能量是多少？ 【解析】　(1)根據(jù)電荷數(shù)和質量數(shù)守恒，可得 Zr的電荷數(shù)Z＝92－60＋8＝40 質量數(shù)A＝236－143－31＝90. (2)方法一：質量虧損 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)生的質量虧損，由質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外循環(huán)流動，把反應堆內的熱量傳輸出去．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凶樱珺、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