2018—2019学年高中物理教科版选修3-5课件：第三章原子核3.5核裂变:54张PPT
文档属性
| 名称 | 2018—2019学年高中物理教科版选修3-5课件：第三章原子核3.5核裂变:54张PPT |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 818.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 教科版 | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2018-10-03 15:02:09 | ||
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文档简介
课件54张PPT。5
核 裂 变一、核裂变
1.定义:
重核分裂成几个_________原子核的现象称为核裂变。
2.铀核 的裂变方程式:
______________________中等质量【想一想】在重核裂变过程中,核反应满足电荷数守恒和质量数守恒。铀裂变的产物是否只有上述一种呢?
提示:铀裂变的产物是多种多样的,一般裂变为两部分,也可以裂变成三部分或四部分。在不同的裂变中,释放的能量也不同。1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇首先观察到中子轰击铀核的三分裂现象。二、链式反应
1.链式反应:如果一个反应过程的产物能够_____引发
这种反应,从而使反应一旦开始后就能_____延续下去的反应过程。
2.临界体积:能够发生链式反应的裂变物质的_____体积。再次自动最小【想一想】重核的裂变能够自发地进行吗?
提示:不能自发地进行,只能发生在人工控制的核反应中,只有达到链式反应的条件时,才会发生重核的裂变。三、核电站
1.核电站:利用核能发电,它的核心设施是_________,
它主要由以下几部分组成:
(1)燃料:_____。
(2)减速剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用
_____、重水或普通水作减速剂。核反应堆铀棒石墨(3)控制棒:为了控制能量释放的速度,就要想办法调
节中子的数目,采用在反应堆中插入镉棒的方法,利
用镉_________的特性,就可以容易地控制链式反应
的速度。
2.工作原理:核燃料_____释放能量,使反应区温度升高。吸收中子裂变3.能量输出:核反应堆工作时放出的热量,由一回路
系统的_______(通常是水或液态的金属钠等)带出,
用以产生蒸汽。
4.核污染的处理:为了保证核电站的安全,新建的核
电站设有核燃料芯块的_________、回路系统的密封
设施以及核电站的_________三道屏障。冷却剂密封包壳安全外壳【判一判】
(1)核电站利用的燃料是氢。 ( )
(2)核电站是把核能直接转化为电能的。 ( )
(3)核废料的处理一定不能随便存放。 ( )提示:(1)核电站的燃料是铀,(1)错。
(2)核电站是利用核反应堆中产生的热量,来加热水
使之变成蒸汽,用蒸汽推动汽轮发电机发电的,(2)错。
(3)用过的铀棒仍有强烈的放射性,所以核废料的处理
一定要使其不能产生二次污染,要密封后深埋处理,
(3)对。知识点一、重核裂变和链式反应
思考探究:
如图为核裂变示意图。(1)重核裂变是一种天然现象吗?
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应?【归纳总结】
1.裂变的发现:1938年,德国化学家、物理学家哈恩等发现用中子轰击铀核的产物中含有中等质量的原子核钡和氪。2.铀核的裂变:
(1)核子受激发:中子打进铀235后,形成一个新的处于激发态的核,其中的核子发生剧烈运动。
(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2～3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1MeV,1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤燃烧时释放的能量,裂变时能产生几万度的高温。3.重核裂变的条件:如果铀块体积不够大,生成的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去了,所以发生链式反应时铀块的体积必须大于临界体积。【特别提醒】
(1)重核裂变是人为的核反应,自然界中不会自发地产生裂变。
(2)用中子轰击铀核时,铀核发生裂变,释放出更多的中子又引起其他铀核的裂变,这样不断继续下去,中子会不断增加,裂变反应就会不断加强,形成了裂变的链式反应。【典例探究】
【典例】(多选)关于重核的裂变,以下说法正确的
是 ( )A.核裂变的产物是多种多样的
B.能否发生链式反应与铀块的体积无关
C.重核裂变时,产生明显的质量亏损,所以核子数要减少
D.重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能【思路点拨】解答本题应注意以下三点:
(1)重核裂变时核能的来源是什么。
(2)发生链式反应的条件如何。
(3)裂变反应遵循哪些规律。【正确解答】选A、D。铀核的裂变产物是多种多样的,A正确;如果铀块体积不够大,生成的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去了,能否发生链式反应与铀块体积有关,B错;重核裂变时核子数守恒,C错;核裂变时释放的能量来源于裂变过程的质量亏损,D正确。【总结提升】有关重核裂变的理解
(1)反应特点:重核裂变成中等质量的核。
(2)裂变过程满足质量数和电荷数守恒。
(3)裂变过程中有质量亏损,放出能量。
(4)利用裂变产生的中子轰击其他原子,发生链式反应。 【过关训练】
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.为了使裂变的链式反应容易发生,最好直接利用裂变时产生的中子
C.若铀235的体积超过它的临界体积,裂变的链式反应就能够发生
D.能否发生链式反应与铀块的质量无关【解析】选C。要使铀核裂变产生链式反应,铀块的体积必须大于临界体积或铀块的质量大于临界质量,只要组成铀块的体积小于临界体积或质量小于临界质量就不会产生链式反应。裂变反应中产生的中子为快中子,这些快中子不能直接引发新的裂变,如果铀块的质量大,则其体积大,若超过临界体积则发生链式反应,由此知A、B、D错误,C正确。2.(多选)下列核反应方程,属于裂变反应的有( )【解析】选B、C。重核分裂成几个中等质量原子核的现象称为核裂变,A错;D项是α衰变,故选B、C。知识点二、对核电站进一步认识
思考探究:
目前核电发电量约占全球总发电量的16%,其中法国高达80%左右,目前全球在建核电机组60多台,主要集中在中国、印度、俄罗斯等国家。请思考以下问题:(1)核电站的核心设施是什么?
(2)核反应堆的工作原理是什么?
(3)核能利用带来的技术和社会问题有哪些?【归纳总结】
1.核电站使原子核的链式反应在人工的控制下进行,将释放的核能转化为内能,再由汽轮机带动发电机转化为电能。
2.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,它的主要部件及作用列表如下。3.反应堆工作原理:
(1)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,由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占3%～4%)制成,石墨(重水)为减速剂,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,减速剂附在铀棒周围。(2)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的升降,就能使反应堆安全正常地工作。(3)核反应释放的能量大部分转化为内能,这时通过水、液态钠等作冷却剂,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。4.核电站发电的优缺点:
(1)优点:①消耗的核燃料少,一座百万千瓦级的核电站,一年只消耗浓缩铀30t左右,同样功率的火电站每年要消耗250万吨优质煤;②对环境的污染要比火力发电小。(2)缺点:用过的铀棒仍然具有强烈的放射性。这些废料的放射性在几万年到几百万年内仍有潜在的危害,因此规划核废料的处理是一个非常麻烦的问题。【特别提醒】用水(轻水或重水)和石墨作为减速材料,放在燃料棒四周,使中子速度减慢以有助于铀235发生裂变。减速后的中子能量最后都变为热能,所以这种速度变慢的中子称为热中子。【典例探究】
【典例】(多选)关于核反应堆,下列说法正确的
是 ( )
A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能
B.镉棒的作用是控制反应堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能【思路点拨】解答本题的关键是弄清核反应堆的主要结构和各个部分的作用。【解析】选A、B、D。铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,故A正确;镉棒吸收中子的能力很强,作用是调节中子数目以控制反应速度,即控制反应堆功率,故B正确;慢中子最容易引发核裂变,所以在快中子碰到铀棒前要进行减速,石墨的作用是使中子减速,故C错误;水或液态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,同时也使反应堆冷却,控制温度,故D正确。【过关训练】
在核反应堆中,为了使快中子减速成为慢中子,必须用重水或石墨作减速剂,使快中子跟减速剂的原子核相碰撞(设这些碰撞为弹性正碰),以达到减速的目的。你认为用原子量大的作减速剂好,还是用原子量小的作减速剂效果好?试作相应说明和计算。(设减速剂原子核原来是静止的)【解析】因中子与减速剂原子核发生弹性碰撞,碰撞过程中动量和能量都守恒。
设中子质量为m,减速剂原子核质量为M,中子的初速度为v0,有
mv0=mv1+Mv2
解得v1= 可见,当M越接近m时,v1越小,即原子量小的减速效果好。
答案:见解析【温馨提升】裂变是重核裂变成中等质量的核,裂变的产物往往不是唯一的。所有核反应的依据都是实验事实,不能仅凭质量数和电荷数守恒杜撰裂变反应方程式。 【拓展例题】考查内容:对裂变反应的理解
下列核反应中,表示核裂变的是 ( )【思路点拨】核裂变是重核分裂成几个中等质量原子核的现象.【正确解答】选 是α衰变
是β衰变 是人工转变,只有C选项是重
核裂变.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.应注意裂变方程的质量数和电荷数要守恒;更应注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造。也就是说,实际发生的核裂变必然是反应前后质量数和电荷数守恒,但质量数和电荷数守恒的核反应方程不一定能够发生。2.计算反应前后原子核的质量亏损。根据质能方程ΔE=Δmc2计算出一个原子核裂变时释放的能量。
3.计算出总的原子核个数N,则释放的总能量为E=NΔE。【案例展示】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 94u,mXe=138.918 44u,mSr=93.915 57u,
mn=1.008 665u,1u相当于931.5MeV。【正确解答】核反应方程为
该反应的质量亏损为
Δm=(mU+mn)-(mXe+mSr+3mn)=
(235.043 94+1.008 665)u-(138.91844+93.91557
+3×1.008665)u=0.1926u,所以,一个铀核裂变释放的核能为
ΔE=0.192 6×931.5MeV≈179.4MeV。
答案:
179.4MeV【易错分析】本题的易错角度及出错原因分析如下:
核 裂 变一、核裂变
1.定义:
重核分裂成几个_________原子核的现象称为核裂变。
2.铀核 的裂变方程式:
______________________中等质量【想一想】在重核裂变过程中,核反应满足电荷数守恒和质量数守恒。铀裂变的产物是否只有上述一种呢?
提示:铀裂变的产物是多种多样的,一般裂变为两部分,也可以裂变成三部分或四部分。在不同的裂变中,释放的能量也不同。1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇首先观察到中子轰击铀核的三分裂现象。二、链式反应
1.链式反应:如果一个反应过程的产物能够_____引发
这种反应,从而使反应一旦开始后就能_____延续下去的反应过程。
2.临界体积:能够发生链式反应的裂变物质的_____体积。再次自动最小【想一想】重核的裂变能够自发地进行吗?
提示:不能自发地进行,只能发生在人工控制的核反应中,只有达到链式反应的条件时,才会发生重核的裂变。三、核电站
1.核电站:利用核能发电,它的核心设施是_________,
它主要由以下几部分组成:
(1)燃料:_____。
(2)减速剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用
_____、重水或普通水作减速剂。核反应堆铀棒石墨(3)控制棒:为了控制能量释放的速度,就要想办法调
节中子的数目,采用在反应堆中插入镉棒的方法,利
用镉_________的特性,就可以容易地控制链式反应
的速度。
2.工作原理:核燃料_____释放能量,使反应区温度升高。吸收中子裂变3.能量输出:核反应堆工作时放出的热量,由一回路
系统的_______(通常是水或液态的金属钠等)带出,
用以产生蒸汽。
4.核污染的处理:为了保证核电站的安全,新建的核
电站设有核燃料芯块的_________、回路系统的密封
设施以及核电站的_________三道屏障。冷却剂密封包壳安全外壳【判一判】
(1)核电站利用的燃料是氢。 ( )
(2)核电站是把核能直接转化为电能的。 ( )
(3)核废料的处理一定不能随便存放。 ( )提示:(1)核电站的燃料是铀,(1)错。
(2)核电站是利用核反应堆中产生的热量,来加热水
使之变成蒸汽,用蒸汽推动汽轮发电机发电的,(2)错。
(3)用过的铀棒仍有强烈的放射性,所以核废料的处理
一定要使其不能产生二次污染,要密封后深埋处理,
(3)对。知识点一、重核裂变和链式反应
思考探究:
如图为核裂变示意图。(1)重核裂变是一种天然现象吗?
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应?【归纳总结】
1.裂变的发现:1938年,德国化学家、物理学家哈恩等发现用中子轰击铀核的产物中含有中等质量的原子核钡和氪。2.铀核的裂变:
(1)核子受激发:中子打进铀235后,形成一个新的处于激发态的核,其中的核子发生剧烈运动。
(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2～3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1MeV,1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤燃烧时释放的能量,裂变时能产生几万度的高温。3.重核裂变的条件:如果铀块体积不够大,生成的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去了,所以发生链式反应时铀块的体积必须大于临界体积。【特别提醒】
(1)重核裂变是人为的核反应,自然界中不会自发地产生裂变。
(2)用中子轰击铀核时,铀核发生裂变,释放出更多的中子又引起其他铀核的裂变,这样不断继续下去,中子会不断增加,裂变反应就会不断加强,形成了裂变的链式反应。【典例探究】
【典例】(多选)关于重核的裂变,以下说法正确的
是 ( )A.核裂变的产物是多种多样的
B.能否发生链式反应与铀块的体积无关
C.重核裂变时,产生明显的质量亏损,所以核子数要减少
D.重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能【思路点拨】解答本题应注意以下三点:
(1)重核裂变时核能的来源是什么。
(2)发生链式反应的条件如何。
(3)裂变反应遵循哪些规律。【正确解答】选A、D。铀核的裂变产物是多种多样的,A正确;如果铀块体积不够大,生成的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去了,能否发生链式反应与铀块体积有关,B错;重核裂变时核子数守恒,C错;核裂变时释放的能量来源于裂变过程的质量亏损,D正确。【总结提升】有关重核裂变的理解
(1)反应特点:重核裂变成中等质量的核。
(2)裂变过程满足质量数和电荷数守恒。
(3)裂变过程中有质量亏损,放出能量。
(4)利用裂变产生的中子轰击其他原子,发生链式反应。 【过关训练】
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.为了使裂变的链式反应容易发生,最好直接利用裂变时产生的中子
C.若铀235的体积超过它的临界体积,裂变的链式反应就能够发生
D.能否发生链式反应与铀块的质量无关【解析】选C。要使铀核裂变产生链式反应,铀块的体积必须大于临界体积或铀块的质量大于临界质量,只要组成铀块的体积小于临界体积或质量小于临界质量就不会产生链式反应。裂变反应中产生的中子为快中子,这些快中子不能直接引发新的裂变,如果铀块的质量大,则其体积大,若超过临界体积则发生链式反应,由此知A、B、D错误,C正确。2.(多选)下列核反应方程,属于裂变反应的有( )【解析】选B、C。重核分裂成几个中等质量原子核的现象称为核裂变,A错;D项是α衰变,故选B、C。知识点二、对核电站进一步认识
思考探究:
目前核电发电量约占全球总发电量的16%,其中法国高达80%左右,目前全球在建核电机组60多台,主要集中在中国、印度、俄罗斯等国家。请思考以下问题:(1)核电站的核心设施是什么?
(2)核反应堆的工作原理是什么?
(3)核能利用带来的技术和社会问题有哪些?【归纳总结】
1.核电站使原子核的链式反应在人工的控制下进行,将释放的核能转化为内能,再由汽轮机带动发电机转化为电能。
2.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,它的主要部件及作用列表如下。3.反应堆工作原理:
(1)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,由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占3%～4%)制成,石墨(重水)为减速剂,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,减速剂附在铀棒周围。(2)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的升降,就能使反应堆安全正常地工作。(3)核反应释放的能量大部分转化为内能,这时通过水、液态钠等作冷却剂,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。4.核电站发电的优缺点:
(1)优点:①消耗的核燃料少,一座百万千瓦级的核电站,一年只消耗浓缩铀30t左右,同样功率的火电站每年要消耗250万吨优质煤;②对环境的污染要比火力发电小。(2)缺点:用过的铀棒仍然具有强烈的放射性。这些废料的放射性在几万年到几百万年内仍有潜在的危害,因此规划核废料的处理是一个非常麻烦的问题。【特别提醒】用水(轻水或重水)和石墨作为减速材料,放在燃料棒四周,使中子速度减慢以有助于铀235发生裂变。减速后的中子能量最后都变为热能,所以这种速度变慢的中子称为热中子。【典例探究】
【典例】(多选)关于核反应堆,下列说法正确的
是 ( )
A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能
B.镉棒的作用是控制反应堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能【思路点拨】解答本题的关键是弄清核反应堆的主要结构和各个部分的作用。【解析】选A、B、D。铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,故A正确;镉棒吸收中子的能力很强,作用是调节中子数目以控制反应速度,即控制反应堆功率,故B正确;慢中子最容易引发核裂变,所以在快中子碰到铀棒前要进行减速,石墨的作用是使中子减速,故C错误;水或液态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,同时也使反应堆冷却,控制温度,故D正确。【过关训练】
在核反应堆中,为了使快中子减速成为慢中子,必须用重水或石墨作减速剂,使快中子跟减速剂的原子核相碰撞(设这些碰撞为弹性正碰),以达到减速的目的。你认为用原子量大的作减速剂好,还是用原子量小的作减速剂效果好?试作相应说明和计算。(设减速剂原子核原来是静止的)【解析】因中子与减速剂原子核发生弹性碰撞,碰撞过程中动量和能量都守恒。
设中子质量为m,减速剂原子核质量为M,中子的初速度为v0,有
mv0=mv1+Mv2
解得v1= 可见,当M越接近m时,v1越小,即原子量小的减速效果好。
答案:见解析【温馨提升】裂变是重核裂变成中等质量的核,裂变的产物往往不是唯一的。所有核反应的依据都是实验事实,不能仅凭质量数和电荷数守恒杜撰裂变反应方程式。 【拓展例题】考查内容:对裂变反应的理解
下列核反应中,表示核裂变的是 ( )【思路点拨】核裂变是重核分裂成几个中等质量原子核的现象.【正确解答】选 是α衰变
是β衰变 是人工转变,只有C选项是重
核裂变.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.应注意裂变方程的质量数和电荷数要守恒;更应注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造。也就是说,实际发生的核裂变必然是反应前后质量数和电荷数守恒,但质量数和电荷数守恒的核反应方程不一定能够发生。2.计算反应前后原子核的质量亏损。根据质能方程ΔE=Δmc2计算出一个原子核裂变时释放的能量。
3.计算出总的原子核个数N,则释放的总能量为E=NΔE。【案例展示】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 94u,mXe=138.918 44u,mSr=93.915 57u,
mn=1.008 665u,1u相当于931.5MeV。【正确解答】核反应方程为
该反应的质量亏损为
Δm=(mU+mn)-(mXe+mSr+3mn)=
(235.043 94+1.008 665)u-(138.91844+93.91557
+3×1.008665)u=0.1926u,所以,一个铀核裂变释放的核能为
ΔE=0.192 6×931.5MeV≈179.4MeV。
答案:
179.4MeV【易错分析】本题的易错角度及出错原因分析如下: