高中物理 鲁科版选修3-5学案：第4章 第2节 核裂变Word版含答案

第2节核_裂_变
1.核裂变是指重核分裂为质量较小的核并释放出能
量的反应，这个放出的能量称为裂变能、核能或原
子能。
2．链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应
一代接一代继续下去且不断加强的过程。
3．链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于临
界体积。
4．核反应堆是能维持和控制核裂变的装置。包括
堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分。堆
芯又由燃料棒、减速剂和冷却剂组成。
1．重核的裂变
定义
用中子轰击铀核，发现铀核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量，这种核反应过程叫做核裂变
裂变能
核裂变释放出的能量称为裂变能，也称核能或原子能
典型裂
变反应
n＋U―→Sr＋Xe＋2n
n＋U―→Ba＋Kr＋3n
2.链式反应
(1)定义：当中子轰击U核使其裂变释放出巨大能量的同时，释放出的中子继续轰击U，使之发生裂变，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，就形成了裂变的链式反应。
(2)临界体积：能够发生链式反应的铀块的最小体积。
3．核反应堆
核反应堆是用人工的方法控制链式反应的速度，维持和控制核裂变的装置。包含堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分。
(1)堆芯：由燃料棒、减速剂和冷却剂组成。
(2)中子反射层：反射核裂变中产生的中子，进一步参加链式反应。
(3)控制系统：①控制棒用能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度。②中子强度检测器：当反应太强时，控制棒能自动插入，多吸收中子；反应较弱时，控制棒能自动抽出一些，少吸收中子。
(4)防护层：用厚厚的水泥墙制成，防止放射线的外泄。
4．核反应堆主要组成部分的原料及其作用
原料
作用
核燃料
浓缩铀(铀棒)
释放核能
减速剂
石墨或重水
变快中子为慢中子
控制棒
镉棒或硼钢棒
吸收中子，控制反应速度
保护层
厚水泥壁
防止辐射
热交换器
(冷却系统)
水(或液体金
属钠、空气)
冷却和输出热能
1．自主思考——判一判
(1)原子核释放粒子的过程也是核裂变的过程。(×)
(2)用中子轰击重核使之分裂实现核裂变。(√)
(3)利用不可控的快中子轰击超过临界体积的铀块产生链式反应制成原子弹。(√)
(4)核反应堆可以人工控制核反应速度。(√)
(5)减速剂的作用使快中子减速变成慢中子。(√)
(6)链式反应一旦形成无法进行人工控制。(×)
2．合作探究——议一议
(1)重核裂变反应是否满足电荷数守恒？是否满足质量数守恒？
提示：重核裂变反应属于核反应，满足电荷数守恒，质量数守恒。
(2)核反应堆中的防护层的构造和作用是什么？
提示：核反应堆中的防护层一般由金属套、防止中子外逸的水层以及1～2 m厚的钢筋混凝土构成，可以有效地防止射线对人体及其他生命的侵害。
重核的裂变的理解
1．裂变的解释
(1)核子受激发：当中子进入U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2～3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，裂变时能产生几万摄氏度的高温。
2．重核裂变的条件
(1)有慢中子轰击。
(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。(以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足)
3．常见的裂变方程
(1)U＋n―→Xe＋Sr＋2n。
(2)U＋n―→Ba＋Kr＋3n。
[例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吸收的能量
B．铀核裂变在自然界中会自发地产生
C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少
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
[思路点拨]　根据核裂变反应的特点及核能产生的原因分析判断。
[解析]　根据重核发生裂变的条件和裂变释放能量的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，因而释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量；重核裂变只能发生在人为核反应中；在裂变反应中核子数是不会减少的，因此A、B、C错误。重核裂变为中等质量的原子核时，由于核子平均质量减小，必然发生质量亏损，从而释放出核能，所以D正确。
[答案]　D
重核裂变时重核吸收中子后变成中等质量的核反应，其释放能量的原因是重核的平均结合能要比中等质量核的平均结合能小。　　　　
1．关于重核裂变的说法正确的是(　　)
A．重核裂变为两个中等质量的核时，重核的核子数要比裂变后的两个中等质量核的核子数少
B．只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应
C．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
D．裂变过程中没有质量亏损，不释放能量
解析：选C　重核裂变为两个中等质量的核时，会产生2～3个中子，因而分裂后的核子数减少，A错；链式反应的发生是有条件的，铀块的体积必须大于其发生链式反应的临界体积，链式反应一旦发生，中子轰击铀核裂变产生的中子再次引起其他铀核的裂变，且能不断继续下去，B错，C对；重核裂变时质量发生亏损，要对外释放能量，D错。
2．[多选]关于铀核裂变，下列说法正确的是(　　)
A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核
B．铀核裂变还能同时释放2～3个中子
C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235
D．铀块的体积对产生链式反应无影响
解析：选BC　铀核裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两个核的情况较多，也会分裂成多个核，并放出几个中子。铀235被中子轰击时，裂变的概率大，且可以俘获各种能量的中子引起裂变，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能发生裂变，且裂变的机率小，而要引起链式反应，必须使铀块的体积大于临界体积。故选项B、C正确。
裂变反应中核能的计算
1．核反应方程
(1)U裂变为氙和锶，核反应方程为n＋U―→Sr＋Xe＋2n。
(2)U裂变为钡和氪，核反应方程为n＋U―→Ba＋Kr＋3n。
2．核能的计算
裂变过程中质量数守恒、电荷数守恒。由爱因斯坦质能方程得释放的核能ΔE＝Δmc2。铀的物质的量为235 g/mol，1 mol铀含6.02×1023个铀核，1 kg铀完全裂变可释放的能量，等于各个铀核所释放能量的总和。
[例2]　现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：U＋n―→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ν
(1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零。试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；
(2)已知铀(U)核的质量为235.049 3 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u。又知1 u＝1.660 6×10－27 kg，试计算，1 kg铀235大约能产生的能量是多少？(1 u对应931.5 MeV的能量，1 eV＝1.6×10－19 J)
[思路点拨]　根据核反应前后质量数和电荷数守恒确定锆(Zr)的质量数和电荷数，先求一个U裂变释放出的能量，再求1 kg U的原子核数，最后求出1 kg U裂变释放的能量。
[解析]　(1)根据电荷数和质量数守恒，可得
Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40，
质量数A＝236－143－3×1＝90。
(2)方法一：质量亏损
Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.217 4 u。
一个铀核裂变释放能量
ΔE＝Δm×931.5 MeV
＝0.217 4×931.5 MeV≈202.5 MeV
1 kg铀核含有的原子核数为
n＝×6.02×1023个≈2.562×1024个
1 kg铀核产生的能量
E总＝n·ΔE＝2.562×202.5×1024 MeV
≈5.2×1026 MeV＝5.2×1026×106×1.6×10－19 J
≈8.3×1013 J。
方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)
＝0.217 4 u＝0.217 4×1.660 6×10－27 kg
≈3.6×10－28 kg
ΔE＝Δmc2＝3.6×10－28×(3×108)2 J＝3.24×10－11 J
n＝×6.02×1023个≈2.562×1024个
E总＝nΔE＝2.562×1024×3.24×10－11 J≈8.3×1013 J。
[答案]　(1)40　90　(2)8.3×1013 J
计算重核裂变释放核能的两个角度
(1)根据ΔE＝Δmc2计算，其中质量亏损(Δm)的单位用kg，核能(ΔE)的单位用J。
(2)利用原子质量单位计算，1 u对应着931.5 MeV的能量，用质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV，此时Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV。　　　　
1．一个铀235吸收一个中子后的核反应是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，故选项C正确。
2．裂变反应是目前核能利用中常用的反应。以原子核U为燃料的反应堆中，当U俘获一个慢中子后发生裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为
U　　＋　n ―→　Xe　＋　Sr　＋　3n
235．043 9　1.008 7　138.917 8　93.915 4　3.026 1
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9.3×102 MeV，此裂变反应释放出的能量为_____ MeV。
解析：裂变过程中质量亏损为Δm＝(235.043 9＋1.008 7－138.917 8－93.915 4－3.026 1) u＝0.193 3 u
由质能方程ΔE＝Δmc2，又1 u相当于9.3×102 MeV，则ΔE＝Δm×9.3×102 MeV＝1.80×102 MeV。
答案：1.80×102