2020年高中物理学案人教版选修3-5-19.6-核裂变.docx

6　核裂变
课堂合作探究
问题导学
一、核裂变
活动与探究1
1．重核的裂变能够自发地进行吗？
2．发生链式反应的条件是什么？
迁移与应用1
关于重核的裂变，以下说法正确的是（　　）
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，肯定发生链式反应
C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要削减
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

1．核子受激发：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，使核变成不规章的外形。
2．核子分裂：核子间的距离增大，因而核力快速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，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。
3．能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量。一般来说，平均每个核子放出的能量约为1 MeV,1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t优质煤燃烧时释放的能量，裂变时能产生几万度的高温。
二、核电站
活动与探究2
1．快中子增殖反应堆，简称“快堆”，是猎取核能的一种技术。快堆不用铀235，而用钚239作燃料，不过在堆心燃料钚239的外围再生区里放置铀238钚239产生裂变反应时放出来的快中子，被装在外围再生区的铀238吸取，变为铀239，铀239经过两次β衰变后转化为钚239。在大型快堆中，平均每10个钚239原子核裂变可使12至14个铀238转变成钚239。这样，钚239裂变，在产生能量的同时，又不断地将铀238变成可用燃料钚239，而且再生速度高于消耗速度，核燃料越烧越多，快速增殖，所以这种反应堆又称“快速增殖堆”。 快中子增殖反应堆目前还处在研制阶段。2011年7月21日10时，我国第一个由快中子引起核裂变反应的中国试验快堆成功实现并网发电。如图为该快堆外景。

中国试验快堆外景
已知铀238为92号元素，试写出上述材料中涉及的几个核反应方程。（钚元素：Pu）
2．衰变反应为放热反应，为什么核电站中反应堆接受核裂变放能，而不接受衰变放能？
3．原子弹内还需要镉棒吗？
迁移与应用2
一个铀235原子俘获一个中子后，裂变为氙139和锶94，同时放出三个中子，写出核反应方程并算出一个铀核裂变时释放的核能。已知mU＝235.043 94 u，mXe＝138.918 44 u，mSr＝93.915 57 u，mn＝1.008 665 u,1 u相当于931.5 MeV。

1．核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是浓缩铀235，它的主要部件列表如下：
部件名称
慢化剂
把握棒
热循环介质
爱护层
接受的材料
石墨、重水或一般水（也叫轻水）
镉
水或液态钠
很厚的水泥外壳
作用
降低中子速度，便于铀235吸取
吸取中子，把握反应速度
把反应堆内的热量传输出去
屏蔽射线，防止放射性污染
2．裂变方程的书写及裂变核能的计算
（1）依据质量数和核电荷数守恒，写出裂变方程。
（2）计算出裂变前后质量亏损Δm。
（3）依据质能方程ΔE＝Δmc2计算出裂变释放的核能。
留意裂变产物不能任凭捏造。
当堂检测
1．下列核反应中，表示核裂变的是（　　）
A．U―→Th＋He
B．C―→N＋e
C．U＋n―→Ba＋Kr＋3n
D．Be＋He―→C＋n
2．关于裂变反应，下列说法中正确的是（　　）
A．用中子轰击铀核发生裂变，其肯定分裂为质量差不多的两部分
B．铀核裂变为中等质量的原子核肯定释放能量
C．铀核发生裂变时可能分裂成二、三或四部分
D．全部重核元素用中子轰击均能发生裂变反应
3．利用重核裂变释放核能时选用铀235，主要由于（　　）
A．它比较简洁发生链式反应
B．能自动裂变，与体积无关
C．铀核比较简洁分裂成为三部分或四部分，因而放出更多的核能
D．铀235价格比较廉价，而且它裂变时放出的核能比其他重核裂变时放出的核能要多
4．U吸取一个慢中子后，分裂成Xe和Sr，还放出（　　）
A．1个α粒子 B．3个中子
C．10个中子 D．10个质子
5．一个铀235原子核完全裂变时放出的能量约为200 MeV。试计算1 kg铀完全裂变时能释放出多少能量。它相当于燃烧多少煤释放的能量？（煤的燃烧值为2.94×104 J/g）
答案：
课堂·合作探究
【问题导学】
活动与探究1：
1．答案：重核的裂变不能自发地进行，只能发生在人工把握的核反应中，只有达到链式反应所需要的条件时，才会发生核反应。
2．答案：（1）铀块达到临界体积；（2）要有持续不断的中子源。
迁移与应用1：D　解析：依据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸取的能量。链式反应是有条件的，即铀块的体积必需大于其临界体积。假如体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生。在裂变反应中核子数是不会削减的，如U裂变为Sr和Xe的核反应，其核反应方程为U＋n→Sr＋Xe＋10n，
其中各粒子质量分别为：
mU＝235.043 9 u，mn＝1.008 67 u，
mSr＝89.907 7 u，mXe＝135.907 2 u。
质量亏损为Δm＝（mU＋mn）－（mSr＋mXe＋10mn）≈0.151 0 u
可见铀核裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会削减的，因此选项A、B、C均错。重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，还会再发生质量亏损，从而释放出核能。综上所述，选项D正确。
活动与探究2：
1．答案：U＋n→U
U→2e＋Pu
2．答案：衰变尽管也释放能量，但是自发进行的，无法人为把握，而且释放的能量较少，不能很好地利用。
3．答案：镉有吸取中子的特性，削减了中子的数目，可以把握能量释放的速度，而原子弹需要在极短的时间内释放大量核能，发生猛烈爆炸，不需要把握速度，故不需要镉棒。
迁移与应用2：答案：U＋n→Xe＋Sr＋3n　179.4 MeV
解析：核反应方程为
U＋n→Xe＋Sr＋3n
该反应的质量亏损为
Δm＝（mU＋mn）－（mXe＋mSr＋3mn）＝ u＝0.192 6 u，
所以，一个铀核裂变释放的核能为
ΔE＝0.192 6×931.5 MeV≈179.4 MeV。
【当堂检测】
1．C　解析：U―→Th＋He是α衰变，C―→N＋e是β衰变，Be＋He―→C＋n是人工转变，只有选项C是重核裂变。
2．BC　解析：用中子轰击U和Pu（钚）等少数几种重元素才能发生裂变反应，发生裂变的原子核可能分裂为两部分、三部分或四部分，但产生两部分的概率很大，由此可知B、C正确。
3．A　解析：铀235俘获任何能量的中子都会发生裂变反应，吸取低能量的中子裂变的几率更大。
4．C　解析：依据所给产物写出核反应方程
U＋n→Xe＋Sr＋10n
所以C选项正确。
5．答案：5.12×1026 MeV　2.78×106 kg
解析：1 kg铀完全裂变释放的能量为：E＝×6.02×1023×200 MeV≈5.12×1026 MeV
设5.12×1026 MeV的能量相当于燃烧质量为m的煤释放的能量，则
2.94×104 J/g·m＝5.12×1026×1.6×10－19×106 J
m≈2.78×109 g＝2.78×106 kg。