人教版高中物理选修3-5 19．6核裂变（共54张PPT）

(共54张PPT)
核裂变
教学目标
知道核裂变反应
知道核电站的工作模式
了解裂变反应堆的工作原理，了解常用裂变反应堆的类型
知道原子弹原理
知道链式反应的发生条件
教学重点
链式反应及其释放核能的计算??
教学难点
通过核子平均质量与原子序数的关系，推理得出由质量数较
大的原子核分裂成质量数较小的原子核释放能量这一结论
重核裂变的核反应方程式的书写
核反应
_______
______
原子核
电子
在核物理学中，原子
核在其他粒子的轰击
下产生新原子核的过
程，称为核反应．
?
研究表明：原子核的质量虽然随着原子序数的增大而增大，但是二
者之间并不成正比关系
其核子的平均质量与原子序数有如图的关系：
核子的平均质量是：
原子核的质量
核子数
_____________
核子的平均结合能随质量数的变化
核子平均质量
平均结合能
知道重核分裂成两个质量接近的核称为核裂变?
?
会计算核裂变释放的能量
知道核裂变放出大量的能量
核裂变
核裂变
物理学中把重核分裂成两个较轻的核时，释放出核能的反应叫做核
裂变
核裂变的过程演示图：
铀核的裂变
发现
1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子
轰击铀核时，铀核发生了裂变。
裂变产物：
多种多样
重核的裂变只发生在人
为控制的核反应中，自
然界不会自发的产生
+
+
+
铀核的裂变
铀核裂变的产物是多种多样的，一种典型的反应是裂变为钡和氪，
同时放出三个中子，其核反应方程式：
求：
（1）一个铀核裂变释放的能量
解
亏损质量：
释放能量：
铀核的裂变
铀核裂变的产物是多种多样的，一种典型的反应是裂变为钡和氪，
同时放出三个中子，其核反应方程式：
求：
（2）试计算1kg铀235全部裂变时所释放的能量？
解
1kg铀中含铀核数量为：
N个铀核裂变放出能量为：
铀核的裂变
铀核裂变的产物是多种多样的，一种典型的反应是裂变为钡
和氪，同时放出三个中子，其核反应方程式：
求：
（3）已知1吨优质煤完全燃烧时释放的能量为?
计算1kg铀235全部裂变时所释放的能量相当于多少吨优质煤？
解
裂变中释放的能量
1kg铀全部裂变，它放出的能量超过2000t优质煤完全燃烧时释放
的能量
铀核发生裂变时具有多样性，下面几个是常见几种的裂变方程式
从上述裂变方程式，你发现了它们具有什么共同特征？
核裂变会产生
更多的中子
?
会发生什
么现象？
知道裂变中持续进行的条件是发生链式反应??
知道临界体积，能够发生链式反应必须体积大于临界体积
链式反应
链式反应
定义：由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，叫做核裂变的链式反应。
根据链式反应的原理，似乎任何铀块只
要有中子进入，都能发生链式反应
但事实并非如此
链式反应
原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大
如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，就有可能碰不到铀核而跑到铀块外面去，链式反应不能继续。
只有当铀块足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个铀核，使链式反应进行下去。
使裂变物质能够发生链式反应的最小体积，叫
做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量
链式反应的发生条件
发生链式反应的条件：
①要有足够浓度的铀235
②要有足够数量的慢中子
③铀块的体积要大于临界体积，
质量大于其临界质量
防止杂质吸
收中子，影
响链式反应
链式反应的过程
铀核裂变的过程
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
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
不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出2~3个中子，这些中子又引起其
他铀核裂变，这样裂变就会不断进行下去，释放出越来越多的核能
核能的释放：
由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中
等质量的原子核时，会发生质量亏损，释放核能
链式反应的过程
关于铀核裂变的说明：
①铀235俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大
②铀235只有在俘获的中子的能量大于1MeV时才能发生核反应，且裂变的几率较小。对于能量低于1MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不能引起核反应
链式反应的过程
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吗？
重核的裂变不能自发地进行，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
核裂变具有哪些特点？
①裂变的产物不是唯一的
②裂变的同时能放出2~3个（或更多个）中子
③裂变过程中能放出巨大的能量
我们如何利用链式反应中产生的巨大能量？
原子弹
核电站
原子弹
原子弹相关的几个描述
“小玩意儿”钚装药重6.1
kg,TNT当量2.2万吨，试
验中产生了上千万度的高
温和数百亿个大气压，致
使一座30米高的铁塔被熔
化为气体，并在地面上形
成一个巨大的弹坑
?
在半径为400米的范围
内，沙石被熔化成了黄
绿色的玻璃状物质，半
径为1600米的范围内，
所有的动物全部死亡
“原子弹之父”奥本海默在核爆观
测站里感到十分震惊，他想起了印
度一首古诗：“漫天奇光异彩，有
如圣灵逞威，只有一千个太阳，才
能与其郑辉，我是死神，我是世界
的毁灭者”
原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来
原子弹
美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤
在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，
爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里
多．
广岛市区80%的建筑化为灰烬，64000人丧生，
72000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%
．长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，
占全市37%
．
原子弹
中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图
核防护
足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量(critical?
mass)。
铀-235
的临界质量约为
1
kg，质量超过1
kg则发生
爆炸。
任何有核反应堆的国家都不难得到爆炸级的裂变材料，原子弹的基本设计又如此简单，从而为防止核武器扩散带来了困难。
核防护
对核袭击的防护大致可分为两大类
1、核爆炸瞬时效应防护
利用工事进行掩蔽
在开阔地面上的人员，当发现核爆闪光时，立即背向
爆心卧倒，可减轻伤害。
核防护
对核袭击的防护大致可分为两大类
2、放射性沾染防护
避开在沾染区或高照射量率的地区行动
及时穿戴个人防护器材，防止人体受沾染
人员通过沾染区时尽量乘坐车辆，在沾染区作业时要尽量
缩短时间
进入沾染区执行任务的人员，可服用抗辐射药，以减少放
射性物质在人体内的存留
原子核的链式反应可以在人工控制下进行，使核能较平缓地
释放出来，这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务
核电站
我
国
已
建
核
电
站
分
布
图
我
国
在
建
核
电
站
分
布
图
我
国
拟
建
核
电
站
分
布
图
知道核反应堆的结构?
?
知道为什么需要减速剂，减速剂要选与中子质量接近的粒子
知道镉棒的作用，镉棒插入越多，反应越慢
知道铀棒的作用，铀棒插入越多，反应越快
核反应堆
核电站工作流程
核电站工作流程示意图
工作原理：
核燃料裂变释放
能量，使反应区
温度升高
靠水和液态金属钠在反
应堆内外的循环流动，
把产生的热量传输出去
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
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
核反应堆
慢中子反应堆示意图
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
附在铀棒周围；用石墨、重水
或普通水，使裂变产生的中子
减速，以便铀235的吸收
防止射线辐
射出去
水泥防护层
控制棒——镉棒
燃料棒—铀棒
慢化剂
吸收中子能力很强，用
以控制反应速度
由浓缩铀（铀235
占3%~4%）制成
，放核能
核反应堆
在利用重核裂变制成的原子弹中，需不需要用镉制成的控制棒，为什么？
镉有吸收中子的特性，减少中子的数目，可以控制能量释放的速度，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，不需要控制速度，故不需要镉棒
核电站与火电站
核电站
火电站
一座百万千瓦级的核电站，每
年只消耗30吨左右的浓缩铀
同样功率的火电站，
每年要烧煤250万吨
作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量所能提
供的能量，比煤、石油等所提供的能量大15倍左右。
核电对环境的污染比火电小
核电技术已经成熟，在经济效
益方面也跟火力发电不相上下
核电站与火电站
核电站与火电站相比有何优缺点？
优点
①核电站消耗的燃料很少
③火电站烧煤要放出很多
污染物，而核电站放出的
污染物要少的多
②作为核燃料的铀、钍等
在地球上的可采储量很大
缺点
①一旦核泄漏会造
成严重的核污染
②核废料处理比较困难
核能
核发电量占总发电比例最多的10个国家是：
法国
75%?
?
立陶宛
73.1%?
??
比利时
57.7%?
?
保加利亚
47.1%?
?
斯洛伐克
47%??
瑞典
46.8%?
?
乌克兰
43.8%?
?
韩国
42.8%?
?
匈牙利
38.3%?
?
亚美尼亚
36.4%
世界核能发电占全部电量1/4
核污染的处理
为防止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，在反应堆外面需要修剪很厚的水泥层，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，需要装
入特质容器，深埋地下
问题与练习
什么是核裂变？什么是链式反应？
重原子核受到中子的轰击分裂成两个或两个以上中等质量原子核
的现象，称为核裂变。
由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，
叫做核裂变的链式反应
问题与练习
在核反应堆中，用什么方法控制核裂变的速度？
在核反应堆中，主要通过调节控制棒（镉棒）的位置控制核裂变
的速度
问题与练习
已知?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
的原子量分别是226.0254,222.0175,4.0026.
求出?
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?
??
衰变后的质量亏损为
1u相当于931MeV，因此释放的能量为
中放出的能量（以电子伏
特为单位）。
问题与练习
在一个反应堆中用石墨做慢化剂使快中子减速。碳核的质量是中子的12倍，
假设中子与碳核的每次碰撞都是弹性正碰，而且认为碰撞前碳核都是静止的。
（1）设碰撞前中子的动能是?
?
，经过一次碰撞，中子失去的动能是多少？
（2）至少经过多少次碰撞，中子的动能才能小于?
?
?
?
?
?
?
?？
（1）中子与原子核相碰，系统的合外力为0，动量守恒。
设中子的质量为m，碰撞前的速度为?
?
，碰撞后的速度为?
?
，碳核碰后的
速度为?
?
?.由动量守恒得?
由能量守恒得
?
两式联立得?
?
?
?
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?
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?
?
?
?
?
?
“-”表示碰撞后中子反向。中子损失的动能为
（2）中子每次与原子核相碰的情境都一样，由于没碰一次，中子的速度大小
?
?都变为碰前的?
?
?，因此碰撞n次后，中子的速度大小变为?
?
?
?
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?
?
?
?
?
?
，动能
?
?变为?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
问题与练习
在一个反应堆中用石墨做慢化剂使快中子减速。碳核的质量是中子的12倍，
假设中子与碳核的每次碰撞都是弹性正碰，而且认为碰撞前碳核都是静止的。??
问题与练习
问题与练习
第一座原子反应堆
1941年12月开始，费米选择了芝加哥大学的一
座运动场的看台下作为实验区，开始了核反应实
验。
?
?
费米
原子能之父
芝加哥一号堆，人类第一台（可控）核反应堆
第一座原子反应堆
但有两个问题需要解决
一是把快中子减速为慢中子，以提高核裂变的效率；重水是很好的中
子减速剂，但成本太高，普通水对中子减速太快，且由很强的吸收作
用；最后选择石墨作为中子减速剂。
?
二是严格控制核裂变的反应速度。最后选
择了隔来吸收中子，以控制核裂变速度。
?
设计方案为：
将反应堆做成立方点阵形式，铀层
和石墨层间隔地布置在方阵中。
第一座原子反应堆
1942年12月1日反应堆砌好，并达到临界状态。
次日抽出控制用的镉棒，自持的链式反应产生
了，得到的功率为0.5瓦。
人类第一次实现了原子能的可控释放。
为了保密，他们用暗语向美国国家保卫研
究委员会主席通话说：“意大利航海家登
上了新大陆。”从此开始了原子能利用的
新纪元
?
贫铀弹
天然铀中，含有?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?三种同位素，其中?
?
?
仅占0.72%
，?
??
占绝对优势，而只有?
?
?
才能用于核裂变反应，因此制造核武器和核电站
燃料的天然铀必须加工处理成富含?
?
?
?的浓缩铀，获取浓缩铀后剩余的铀
中?
?
?
含量更低，这种?
?
?
?含量比天然铀更低的铀叫贫铀
贫铀穿甲弹比目前其他远程炮弹能在更远的距离射穿更
厚、更硬的装甲或建筑物，就像用一把火红热刀切牛油
般容易。
究其原因，是由于贫铀具有高密度、高硬度、高韧性等
物理特性，贫铀的密度为19.3×?
?
?
km/?
?
，是铅的密
度的1.7倍，制成相同体积的弹丸时质量大
贫铀弹
根据能量守恒定律，
在同等火药的情况下，弹丸获得的动能相同。
而一个物体的动量p和动能?
?的关系为?
,可见弹丸在动能相同的情况下，
其动量和质量m的平方根成正比
而根据动量定理，弹丸穿甲时的平均穿透力F，穿甲时间?
?
和弹丸
动量p有这样的关系：?
?
?
?
?
?
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?
?
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?
?
,因此弹丸的穿透力和弹丸的
质量的平方根成正比，?
这就是贫铀穿甲弹穿甲性能很强的主要原因，
其次贫铀的高硬度也是重要因素。
__
贫铀弹
又由于贫铀容易氧化燃料，高速穿甲时产生高温化学反应，可
形成较大的后破坏作用；另一方面，贫铀的坚硬属性，亦另它
适宜用于强化坦克的装甲保护，如美国生产的新式M1A1坦克
就采用了贫铀装甲，大大提高了坦克的防护能力。