高二物理人教版选修3-5学案 第十九章 6 核裂变 Word版含解析
文档属性
| 名称 | 高二物理人教版选修3-5学案 第十九章 6 核裂变 Word版含解析 |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 762.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-10-20 16:09:58 | ||
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文档简介
6 核裂变
如图所示为我国于1964年10月16日发射的第一颗原子弹爆炸成功的图片．同时，我国政府郑重承诺：中国在任何时候、任何情况下，都不首先使用核武器，不对无核国家或地区使用或威胁使用核武器．我国研制成功原子弹，极大地增强了我国的国防力量．
你知道这其中蕴涵的物理知识吗？
提示：原子弹是利用重核的裂变反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸．
核能作为一种新型能源，在人类的发展过程中所起的作用越来越重要．核反应堆中发生着怎样的核反应？
提示：核反应堆中发生的是可控链式反应．
考点一 重核的裂变及链式反应
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2～3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)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．
(4)铀的存在形式
在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是U,0.70%的是U，虽然中子都能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子作用的情况明显不同．
①U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．
②U只有在俘获的中子的能量大于1 MeV时才能发生核反应，且裂变的几率较小．对于低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不能引起核反应．
2．链式反应的条件
铀块的体积大于或等于临界体积、质量大于或等于临界质量，只要满足其中之一即可．
【例1】 (多选)关于铀核裂变，下述说法正确的是( )
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．铀核裂变时还能同时释放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．铀块的体积对发生链式反应无影响
1．什么是核裂变？
2．什么是链式反应？
3．链式反应发生的条件是什么？
【答案】 BC
【解析】 铀核受到中子的轰击，会发生裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两种不同的核的情况较多，也有的分裂成多种不同的核，并放出2～3个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量较高的中子时才能引起裂变，且裂变的概率小，而要发生链式反应，需使铀块体积大于或等于临界体积，故选项B、C正确．
总结提能 本题考查了重核裂变的知识．重核裂变是重核受中子轰击后分裂成中等质量核的反应，其释放能量的原因是重核的比结合能比中等质量核小．
关于重核的裂变，以下说法正确的是( D )
A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B．中子进入铀块中时，一定发生链式反应
C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数量减小
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
解析：根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，而并非中子的能量，故A错误．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于或等于其临界体积．如果体积小，中子进入铀块时，裂变中产生的中子散失到外界，没有足够的中子，则链式反应就不会发生，故B错误．在裂变反应中核子数是不会减少的，如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，核子数是不会减少的，因此C错误．重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，发生质量亏损，从而释放出核能，故D正确．故选D.
考点二 核电站
1．核心：核电站的核心是核反应堆，其简化示意图如下：
各部分的作用如下：
(1)铀棒：由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，它是核反应堆的燃料．
(2)石墨(或重水)：石墨(或重水)作为减速剂，附着在铀棒周围，使反应生成的快速中子变为慢中子，便于铀235吸收，发生裂变．
(3)镉棒：主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫做控制棒．
(4)混凝土防护层：屏蔽射线防止放射性污染．
2．核电站发电的优点
(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30 t左右，而同样功率的火电站每年要消耗250万吨．
(2)污染小：核电对环境的污染比火电小．
【例2】 铀核裂变的许多可能的核反应中的一个是
U＋n→Ba＋Kr＋3n.
(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量(U、Ba、Kr、n的质量分别为235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u)；
(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？它相当于燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107 J/kg)
【答案】 (1)200.6 MeV (2)5.14×1026 MeV 2 800 t
【解析】 (1)铀核裂变的质量亏损为Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7)u＝0.215 3 u.
一个铀235原子核裂变后释放的能量为
ΔE＝Δmc2＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV.
(2)1 kg铀235中含有原子核的个数为
N＝×6.02×1023≈2.56×1024，
1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量
E＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV.
设q为煤的热值，m为煤的质量，有E＝qm，所以
m＝＝ kg≈2 800 t.
总结提能 解答此类题的关键在于如何把已知与所求联系起来，特别是要能考虑到利用相对原子质量和阿伏加德罗常数去计算1 kg铀所含的原子核的个数，只要能想到这儿，一切问题就都迎刃而解了．
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？若改用火力发电，需要燃烧值为2.94×107 J/kg的煤多少吨？阿伏加德罗常数为6.02×1023 mol－1.
答案：0.527 kg 1.47×103 t
解析：根据发电功率计算出每天应发电能的总量
E＝24 h×3.6×103×P＝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＝·μ＝×235×10－3 kg＝0.527 kg.
需要的煤的质量为
m′＝＝ kg＝1.47×106 kg
＝1.47×103 t.
重难疑点辨析
了解原子弹的原理
原子弹是利用快中子导致链式反应而发生原子爆炸的武器．在裂变材料的体积大于临界体积时，可以使增殖系数K>1，这时中子数可逐代倍增，最后引起原子爆炸．对纯U，其K＝2.若N0＝1，则到第90代时，中子数已增到N＝280个，其已大到相当于1 kg铀的原子数，因此1 kg纯U只要经过80代裂变就可以全部发生裂变．若将1 kg铀做成球状，其直径不过5 cm，而快中子的速度约为2×107 m·s－1，所以裂变进行得极其迅猛，其爆炸可在百分之一秒内完成．
原子弹的结构形式有许多种，一般是将两块和多块小于临界体积的U(或U、Pu等)放在一个密封的弹壳内，平时这几块相隔一定的距离，所以不会爆炸．使用时可通过引爆装置使它们骤然合为一体，由于其体积超过临界体积，爆炸立刻发生．
【典例】 1964年10月16日，我国在新疆罗布泊沙漠成功地进行了第一颗原子弹试验，结束了中国无核时代．
(1)原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量，由于裂变物质的体积超过临界体积而爆炸．
①完成下面核裂变反应方程式：
U＋n→( )Xe＋Sr＋2n＋200 MeV.
②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么？
(2)为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染环境，需采取哪些措施？(写两种)
【解析】 (1)①根据核反应过程质量数、电荷数守恒可知，U裂变为Xe.②裂变自动持续下去的反应叫链式反应．
(2)核反应堆外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线；放射性核废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理．
【答案】 (1)①Xe ②链式反应 (2)见解析
原子弹与核电站都是核能利用的成果，都是利用了重核裂变，但原子弹爆炸时的反应速度是不可控的．
1．镉棒在核反应堆中的作用是( D )
A．使快中子变慢中子
B．使慢中子变快中子
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：在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，镉棒起吸收中子，控制反应速度，调节功率大小的作用．
2.U吸收一个慢中子后，分裂成Xe和Sr，还放出( C )
A．1个α粒子 B．3个中子
C．10个中子 D．10个质子
解析：设放出的粒子的质量数为x，电荷数为y，核反应过程满足质量数守恒和电荷数守恒．由题意可得
解得
由此判断该核反应放出的一定是中子，且个数是10.
3．原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等，在下列核反应中，属于核裂变反应的是( D )
A.B＋n→Li＋He
B.U→Th＋He
C.N＋He→O＋H
D.U＋n→Ba＋Kr＋3n
解析：由链式反应特点知：反应过程中由一个中子引发裂变，放出2～3个中子促成链式反应，故D正确．
4．(多选)如图是慢中子反应堆的示意图，对核反应堆的下列说法正确的是( BC )
A．铀235容易吸收快中子发生裂变反应
B．快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D．若要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
解析：根据铀235的特点，它更容易吸收慢中子而发生裂变，A错误；在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量从而更易让铀235吸收裂变，B正确；链式反应的剧烈程度取决于裂变释放出的中子总数，镉控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反应的快慢，即插入得深，吸收得多，反应将变慢，反之将加快，C正确，D错误．
答案：1.10×103 kg
解析：反应堆每年提供的核能E总＝，其中T表示1年的时间．以M表示每年消耗的U的质量，得M?mU＝E总?ΔE，解得M＝，代入数据得M＝1.10×103 kg.
如图所示为我国于1964年10月16日发射的第一颗原子弹爆炸成功的图片．同时，我国政府郑重承诺：中国在任何时候、任何情况下，都不首先使用核武器，不对无核国家或地区使用或威胁使用核武器．我国研制成功原子弹，极大地增强了我国的国防力量．
你知道这其中蕴涵的物理知识吗？
提示：原子弹是利用重核的裂变反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸．
核能作为一种新型能源，在人类的发展过程中所起的作用越来越重要．核反应堆中发生着怎样的核反应？
提示：核反应堆中发生的是可控链式反应．
考点一 重核的裂变及链式反应
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2～3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)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．
(4)铀的存在形式
在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是U,0.70%的是U，虽然中子都能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子作用的情况明显不同．
①U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．
②U只有在俘获的中子的能量大于1 MeV时才能发生核反应，且裂变的几率较小．对于低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不能引起核反应．
2．链式反应的条件
铀块的体积大于或等于临界体积、质量大于或等于临界质量，只要满足其中之一即可．
【例1】 (多选)关于铀核裂变，下述说法正确的是( )
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．铀核裂变时还能同时释放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．铀块的体积对发生链式反应无影响
1．什么是核裂变？
2．什么是链式反应？
3．链式反应发生的条件是什么？
【答案】 BC
【解析】 铀核受到中子的轰击，会发生裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两种不同的核的情况较多，也有的分裂成多种不同的核，并放出2～3个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量较高的中子时才能引起裂变，且裂变的概率小，而要发生链式反应，需使铀块体积大于或等于临界体积，故选项B、C正确．
总结提能 本题考查了重核裂变的知识．重核裂变是重核受中子轰击后分裂成中等质量核的反应，其释放能量的原因是重核的比结合能比中等质量核小．
关于重核的裂变，以下说法正确的是( D )
A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B．中子进入铀块中时，一定发生链式反应
C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数量减小
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
解析：根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，而并非中子的能量，故A错误．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于或等于其临界体积．如果体积小，中子进入铀块时，裂变中产生的中子散失到外界，没有足够的中子，则链式反应就不会发生，故B错误．在裂变反应中核子数是不会减少的，如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，核子数是不会减少的，因此C错误．重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，发生质量亏损，从而释放出核能，故D正确．故选D.
考点二 核电站
1．核心：核电站的核心是核反应堆，其简化示意图如下：
各部分的作用如下：
(1)铀棒：由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，它是核反应堆的燃料．
(2)石墨(或重水)：石墨(或重水)作为减速剂，附着在铀棒周围，使反应生成的快速中子变为慢中子，便于铀235吸收，发生裂变．
(3)镉棒：主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫做控制棒．
(4)混凝土防护层：屏蔽射线防止放射性污染．
2．核电站发电的优点
(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30 t左右，而同样功率的火电站每年要消耗250万吨．
(2)污染小：核电对环境的污染比火电小．
【例2】 铀核裂变的许多可能的核反应中的一个是
U＋n→Ba＋Kr＋3n.
(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量(U、Ba、Kr、n的质量分别为235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u)；
(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？它相当于燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107 J/kg)
【答案】 (1)200.6 MeV (2)5.14×1026 MeV 2 800 t
【解析】 (1)铀核裂变的质量亏损为Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7)u＝0.215 3 u.
一个铀235原子核裂变后释放的能量为
ΔE＝Δmc2＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV.
(2)1 kg铀235中含有原子核的个数为
N＝×6.02×1023≈2.56×1024，
1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量
E＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV.
设q为煤的热值，m为煤的质量，有E＝qm，所以
m＝＝ kg≈2 800 t.
总结提能 解答此类题的关键在于如何把已知与所求联系起来，特别是要能考虑到利用相对原子质量和阿伏加德罗常数去计算1 kg铀所含的原子核的个数，只要能想到这儿，一切问题就都迎刃而解了．
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？若改用火力发电，需要燃烧值为2.94×107 J/kg的煤多少吨？阿伏加德罗常数为6.02×1023 mol－1.
答案：0.527 kg 1.47×103 t
解析：根据发电功率计算出每天应发电能的总量
E＝24 h×3.6×103×P＝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＝·μ＝×235×10－3 kg＝0.527 kg.
需要的煤的质量为
m′＝＝ kg＝1.47×106 kg
＝1.47×103 t.
重难疑点辨析
了解原子弹的原理
原子弹是利用快中子导致链式反应而发生原子爆炸的武器．在裂变材料的体积大于临界体积时，可以使增殖系数K>1，这时中子数可逐代倍增，最后引起原子爆炸．对纯U，其K＝2.若N0＝1，则到第90代时，中子数已增到N＝280个，其已大到相当于1 kg铀的原子数，因此1 kg纯U只要经过80代裂变就可以全部发生裂变．若将1 kg铀做成球状，其直径不过5 cm，而快中子的速度约为2×107 m·s－1，所以裂变进行得极其迅猛，其爆炸可在百分之一秒内完成．
原子弹的结构形式有许多种，一般是将两块和多块小于临界体积的U(或U、Pu等)放在一个密封的弹壳内，平时这几块相隔一定的距离，所以不会爆炸．使用时可通过引爆装置使它们骤然合为一体，由于其体积超过临界体积，爆炸立刻发生．
【典例】 1964年10月16日，我国在新疆罗布泊沙漠成功地进行了第一颗原子弹试验，结束了中国无核时代．
(1)原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量，由于裂变物质的体积超过临界体积而爆炸．
①完成下面核裂变反应方程式：
U＋n→( )Xe＋Sr＋2n＋200 MeV.
②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么？
(2)为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染环境，需采取哪些措施？(写两种)
【解析】 (1)①根据核反应过程质量数、电荷数守恒可知，U裂变为Xe.②裂变自动持续下去的反应叫链式反应．
(2)核反应堆外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线；放射性核废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理．
【答案】 (1)①Xe ②链式反应 (2)见解析
原子弹与核电站都是核能利用的成果，都是利用了重核裂变，但原子弹爆炸时的反应速度是不可控的．
1．镉棒在核反应堆中的作用是( D )
A．使快中子变慢中子
B．使慢中子变快中子
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：在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，镉棒起吸收中子，控制反应速度，调节功率大小的作用．
2.U吸收一个慢中子后，分裂成Xe和Sr，还放出( C )
A．1个α粒子 B．3个中子
C．10个中子 D．10个质子
解析：设放出的粒子的质量数为x，电荷数为y，核反应过程满足质量数守恒和电荷数守恒．由题意可得
解得
由此判断该核反应放出的一定是中子，且个数是10.
3．原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等，在下列核反应中，属于核裂变反应的是( D )
A.B＋n→Li＋He
B.U→Th＋He
C.N＋He→O＋H
D.U＋n→Ba＋Kr＋3n
解析：由链式反应特点知：反应过程中由一个中子引发裂变，放出2～3个中子促成链式反应，故D正确．
4．(多选)如图是慢中子反应堆的示意图，对核反应堆的下列说法正确的是( BC )
A．铀235容易吸收快中子发生裂变反应
B．快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D．若要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
解析：根据铀235的特点，它更容易吸收慢中子而发生裂变，A错误；在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量从而更易让铀235吸收裂变，B正确；链式反应的剧烈程度取决于裂变释放出的中子总数，镉控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反应的快慢，即插入得深，吸收得多，反应将变慢，反之将加快，C正确，D错误．
答案：1.10×103 kg
解析：反应堆每年提供的核能E总＝，其中T表示1年的时间．以M表示每年消耗的U的质量，得M?mU＝E总?ΔE，解得M＝，代入数据得M＝1.10×103 kg.