2016新课标创新人教物理选修3-5 第十九章 第6节核 裂 变.doc

一、核裂变┄┄┄┄┄┄┄┄①
1．发现：1938年底，德国物理学家哈恩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铀核的裂变。
2．定义：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程。
3．铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是
U＋n―→Ba＋Kr＋3n。
4．链式反应：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去的核裂变反应。
5．链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于临界体积或裂变物质的质量大于等于临界质量。
[说明]
1．裂变的中子方面：铀核裂变的产物是多种多样的，放出的中子数目有多有少，中子的速度也有快有慢。
2．发生链式反应的条件方面：裂变物的体积(或质量)必须大于等于临界体积(或临界质量)才能发生链式反应。
①[判一判]
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其临界体积或临界质量(√)
二、核电站┄┄┄┄┄┄┄┄②
1．组成
核电站是利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成：
(1)燃料：铀棒。
(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水作慢化剂。
(3)控制棒：由吸收中子能力很强的镉制成，用以控制链式反应的速度。
2．工作原理：核燃料裂变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循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。
4．核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、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水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要放入特制容器，深埋地下。
[注意]
1．控制棒由镉棒制成，镉吸收中子的能力很强，在铀棒之间插进一些镉棒，可以控制链式反应的速度。
2．慢化剂的作用是使快中子减速，以便于中子与铀核作用发生链式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率。
②[选一选]
关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是(　　)
A．镉棒能释放中子，依靠释放中子的多少控制反应速度
B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量
D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
解析：选C　镉棒并不能释放中子，也不能使中子减速，对铀核裂变也没有阻碍作用，是利用镉棒对中子吸收能力强的特点，控制中子数量的多少而控制核反应速度，故C正确。

1.铀核的裂变
(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，使核变成不规则的形状。
(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，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或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。一般说来，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标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几万度的高温。
2．链式反应的条件
(1)铀块的体积大于等于临界体积。
(2)铀块的质量大于等于临界质量。
以上两个条件满足一个即可。
[典型例题]
例1.1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线。下列关于这个实验的说法中正确的是(　　)
A．这个实验的核反应方程是 U＋n―→Ba＋Kr＋n
B．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和
C．这个反应中释放出来的能量可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算
D．实验中产生的γ射线穿透能力极强
[解析]　根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：U＋n―→Ba＋Kr＋3n，选项A错误；铀核裂变过程中产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B、C错误；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项D正确。
[答案]　D
[点评]　准确理解裂变的特点
1．重核受中子轰击后生成中等质量的核。
2．裂变中一般产生2或3个中子。
3．裂变时产生质量亏损放出能量。
[即时巩固]
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
解析：选C　U―→Th＋He是α衰变，C→N＋e是β衰变，Be＋He―→C＋n是原子核的人工转变，只有C选项是重核裂变。

1.核电站的主要组成
核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件列表如下：

2.反应堆工作原理
(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图。铀棒是燃料，由天然铀或者浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，常用石墨、重水和普通水(也叫轻水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围。

(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。
(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态的金属钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去 ，用于推动蒸汽机，使发电机发电。发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。
[典型例题]
例2.[多选]我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于 U的裂变。以下说法中完全正确的是(　　)
A.U原子核中有92个质子，有143个中子
B.U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为 U＋n―→Xe＋Sr＋2n
C.U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短
D．一个 U裂变能放出200 MeV的能量，合6.4×10－11 J
[解析]　由 U的质量数和电荷数关系易知A正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知B正确；半衰期不受外界因素干扰，故C错误；放出能量ΔE＝200 MeV＝200×106×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J，D错误。
[答案]　AB
[点评]　裂变问题的分析方法
1．对于裂变问题，要知道是什么原子核发生了裂变，写出原子核的裂变方程，应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒；更应该注意的是，原子核的裂变方程必须是能够实际发生的，不能随意编造，并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生。
2．根据质能方程ΔE＝Δmc2，由反应前后原子核的质量亏损，可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。
[即时巩固]
2．[多选]铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中一种裂变反应式是 92U＋n―→56Ba＋Kr＋3n。下列说法正确的有(　　)
A．上述裂变反应中伴随着中子放出
B．铀块体积对链式反应的发生无影响
C．铀核的链式反应可人工控制
D．铀核的半衰期会受到环境温度的影响
解析：选AC　核裂变反应是重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应，A正确；铀块要发生链式反应必须达到一定的体积，B错误；链式反应可人工控制用以建立核电站，C正确；原子核的半衰期由原子核本身的性质决定，与其所处的环境或状态无关，D错误。

1．[多选]当一个重核裂变时，它所产生的两个核(　　)
A．含有的质子数比裂变前重核的质子数少
B．含有的中子数比裂变前重核的中子数少
C．裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量
D．可能是多种形式的两个核的组合
解析：选BD 　由于在裂变反应中吸收一个中子而释放出几个中子，质子数没有发生变化，而两个新核的中子数减少，A错误，B正确；反应前后质量发生了亏损而释放出能量，并不等于俘获中子的能量，在裂变反应中，产物并不是唯一的，故C错误，D正确。
2．(2016·汕头高二检测)U吸收一个慢中子后分裂成Kr和 Ba，还放出(　　)
A．1个α粒子　　　　　　　　B．3个中子
C．10个中子 　　　　　　　　D．10个质子
解析：选B　根据质量数守恒、电荷数守恒可得，还放出3个中子，B项正确。
3．(2016·南昌高二检测)中国承诺到2020年碳排放量下降40%～45%。为了实现负责任大国的承诺，我国将新建核电站项目。目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是(　　)
A.U＋n―→Sr＋Xe＋10n
B.Na―→Mg＋e
C.N＋He―→O＋H
D.U―→Th＋He
解析：选A　重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变。
4．(2016·清远高二检测)铀核裂变是在反应堆中进行的，核反应堆主要由铀棒、镉棒、慢化剂、冷却系统和水泥防护层组成，镉棒在反应堆中起的作用主要是(　　)
A．使快中子变成慢中子
B．使慢中子变成快中子
C．使反应速度加快
D．控制反应速度，调节反应速度的快慢
解析：选D　镉棒可以吸收中子，控制镉棒插入反应堆的深度可以控制参与反应的中子数目，从而控制反应堆的反应速度，不一定是加快反应速度，也可能是减慢反应速度，A、B、C错误，D正确。
5．(2016·福建高二检测)U受中子轰击时会发生裂变，产生 Ba和 Kr，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，用铀235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的质量为多少？(阿伏加德罗常数取6.02×1023 mol－1)
解析：每天发电的总量
E＝24×3.6×103×5×108 J＝4.32×1013 J
要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目
n＝＝1.35×1024(个)
则对应的质量m＝×235×10－3 kg≈0.527 kg
答案：0.527 kg

[基础练]
一、选择题
1．利用重核裂变释放核能时选铀235，主要原因是(　　)
A．它裂变放出的核能比其他重核裂变放出的核能多
B．它可能分裂成三部分或四部分
C．它能自动裂变，与体积无关
D．它比较容易形成链式反应
解析：选D　铀235比较容易发生裂变，铀235发生裂变时会生成2或3个中子，中子再去轰击铀核发生链式反应，但发生链式反应还必须要使铀块体积大于等于临界体积，所以选项A、B、C错误，选项D正确。
2．铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应：U＋n―→a＋b＋2n，则a＋b可能是(　　)
A.Xe＋Kr 　　　　　　 B.Ba＋Kr
C.Ba＋Sr 　　　　　　D.Xe＋Sr
解析：选D　根据题中所给裂变反应方程，由质量数守恒、电荷数守恒，故a＋b的质量数应为235＋1－2＝234，电荷数应为92，故D选项正确。
3．链式反应中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是(　　)
A．质子 　　　　　　　　　B．中子
C．β粒子 　　　　　　　　D．α粒子
解析：选B　链式反应是重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，故选项B正确。
4．一个铀235吸收一个中子后的核反应方程是 U＋n―→Xe＋Sr＋10n，放出的能量为E，铀235核的质量为M，中子的质量为m，氙136核的质量为m1，锶90核的质量为m2，真空中光速为c，则释放的能量E等于(　　)
A．(M－m1－m2)c2
B．(M＋m－m1－m2)c2
C．(M－m1－m2－9m)c2
D．(m1＋m2＋9m－M)c2
解析：选C　铀235裂变时的质量亏损：Δm＝M＋m－m1－m2－10m＝M－m1－m2－9m。由质能方程可得ΔE＝Δmc2＝(M－m1－m2－9m)c2，C正确。
5．核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是(　　)
A．原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统
B．原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统
C．原子燃料、慢化剂、碰撞系统和热系统
D．原子燃料、中子源、原子能聚存和输送系统
解析：选A　核反应堆的主要部分包括①燃料，即浓缩铀235；②慢化剂，采用石墨、重水和普通水；③控制棒，控制链式反应的速度；④冷却系统，水或液态金属钠等流体在反应堆外循环流动，把反应堆的热量传输出去用于发电，A正确，B、C、D错误。
二、非选择题
6．裂变反应是目前核能利用中常用的反应。以原子核 92U为燃料的反应堆中，俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为

92U　＋　n ―→　54Xe ＋　Sr　＋　3n
235．043 9　 1.008 7 138.917 8 93.915 4
反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u为单位)。(已知1 u的质量对应的能量为931.5 MeV)求此裂变反应过程中，
(1)亏损质量为原子质量单位的多少倍？
(2)释放出的能量是多少？
(3)铀核平均每个核子释放的能量有多大？

解析：(1)92U裂变成 54Xe和 Sr，同时放出中子 n，裂变前后质量变化
Δm＝m前－m后＝(235.043 9＋1.008 7－138.917 8－93.915 4－3×1.008 7)u＝0.193 3 u
即亏损质量为原子质量单位的0.193 3倍。
(2)由爱因斯坦质能方程，得
ΔE＝Δmc2＝0.193 3×931.5 MeV≈180 MeV
(3)铀核平均每个核子释放的能量为
＝≈0.766 MeV
答案：(1)0.193 3　(2)180 MeV　(3)0.766 MeV
[提能练]
一、选择题
1．铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是(　　)
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．铀235的体积大于等于它的临界体积，裂变的链式反应才能够发生
D．裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关
解析：选C　由铀核发生链式反应的条件知A、D错误，C正确；快中子不易被铀235捕获，不能使铀235发生链式反应，B错误。
2．1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV 的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏加德罗常数)(　　)
A．NA×196 MeV　　　　　　B．235NA×196 MeV
C．235×196 MeV 　　　　　 D.×196 MeV
解析：选D　1 g纯铀235的物质的量为 mol，其中包含的铀核数为，故其完全反应放出的能量为×196 MeV，D正确。
3．[多选]目前我国已经建成秦山和大亚湾核电站并投入使用，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是(　　)
A．核能发电对环境的污染比火力发电要小
B．核能发电对环境的污染比火力发电要大
C．都只利用核裂变释放大量的原子能
D．既有核裂变，又有核聚变释放大量的原子能
解析：选AC　目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且污染程度小，核燃料是一种比较清洁的能源，A、C正确，B、D错误。
4．[多选]下面是铀核裂变反应中的一个：U＋n―→Xe＋Sr＋10n。已知铀235的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，锶90的质量为89.907 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，则此核反应中(已知1 u的质量对应的能量为931.5 MeV)(　　)
A．质量亏损为Δm＝235.043 9 u＋1.008 7 u－89.907 7 u－135.907 2 u
B．质量亏损为Δm＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)u
C．释放总能量为ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)×(3×108)2 J
D．释放总能量为ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)×931.5 MeV
解析：选BD　质量亏损是反应物与生成物质量之差，差值可用“u”或“kg”为单位，前者直接用1 u的质量亏损放出 931.5 MeV 的能量计算，后者对应的能量单位是焦耳，B、D正确。
二、非选择题
5．每昼夜消耗220 g铀235的核电站，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，NA＝6.02×1023 mol－1)
解析：一昼夜消耗的铀所能产生的核能为
ΔE＝×6.02×1023×200×106×1.6×10－19 J
≈1.8×1013 J
电功率P＝η＝25%× W≈5.2×107 W
答案：5.2×107 W
6．在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。
(1)核反应方程式 92U＋n―→56Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为________，a＝________。以mU、mBa、mKr分别表示 92U、56Ba、Kr的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的光速，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE＝________________________。
(2)有一座发电功率为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%。假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，铀核的质量mU＝390×10－27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的 92U的质量。
解析：(1)由反应方程可知X为 n，a为3，释放的能量为
ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2
(2)因核电站发电效率为40%，故核电站消耗 92U的功率为P′＝＝2.50×106 kW
核电站每年消耗 92U的能量为
W＝P′t＝7.875×1016 J
产生这些能量消耗的铀核的数目
n＝≈2.83×1027(个)
每年消耗 92U的质量为
M＝nmU＝1 103.7 kg
答案：(1)n　3　(mU－mBa－mKr－2mn)c2 (2)1 103.7 kg

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