高中物理人教版选修3-5 自主复习学案 第十九章 第六节 核裂变 Word版含解析
文档属性
| 名称 | 高中物理人教版选修3-5 自主复习学案 第十九章 第六节 核裂变 Word版含解析 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 2.2MB | ||
| 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 | 2020-10-27 16:24:56 | ||
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文档简介
第六节 核裂变
『判一判』
(1)只要铀块的体积大于临界体积，就可以发生链式反应。(×)
(2)中子从铀块中通过时，一定发生链式反应。(×)
(3)重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小。(×)
(4)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。(√)
(5)核反应堆用过的核废料无毒无害。(×)
『选一选』
山东荣成石岛湾核电站总装机规模400万千瓦。核电站与火电站相比较，下列说法错误的是( B )
A．核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量
B．就可采储量来说，地球上核燃料资源远大于煤炭
C．在经济效益方面核电与火电不相上下
D．核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理
解析：核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量，A正确；就可采储量所提供的能量来说，核燃料资源远大于煤炭所能提供的能量，而不是采储量，B错误；在经济效益方面核电与火电不相上下，C正确；核电站是有污染的，核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理，D正确。
『想一想』
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？
答案：(1)不是 (2)不能
解析：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。
课内互动探究
细研深究·破疑解难·萃取精华
探究?
重核的裂变及链式反应
┃┃思考讨论1__■
1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400
m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1
600
m范围内所有动植物全部死亡
(1)巨大的核能是从哪里来的？
(2)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？
提示：(1)铀核的裂变
(2)不需要
┃┃归纳总结__■
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式。
(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，裂变就会不断进行下去，释放出越来越多的核能。
(3)常见的裂变方程：
①U＋n―→Xe＋Sr＋2n
②U＋n―→Ba＋Kr＋3n
2．链式反应的条件
(1)要有足够浓度的235U
(2)要有足够数量的慢中子
(3)铀块的体积要大于临界体积
3．裂变反应的能量
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。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200
MeV估算，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，裂变时能产生几百万度的高温。
┃┃典例剖析__■
典例1 关于重核裂变，下列说法正确的是( D )
A．重核裂变成中等核要吸收能量
B．中子进入铀块中时，一定能发生链式反应
C．重核裂变过程中质量数减少
D．较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出核能
解题指导：―→―→
解析：中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定。如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出能量。由此知A错误，D正确；当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子如果能引起其他铀核裂变，链式反应才能进行，B错误；核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，C错误。
┃┃对点训练__■
1．(2020·天津一中高二下学期期末)2019年4月23日，海军建军70周年阅兵式上，中国海军新型攻击核潜艇093改进型攻击核潜艇公开亮相。核潜艇是以核反应堆作动力源。关于核反应，下列说法正确的是( C )
A．核反应方程C→N＋e属于β衰发，而β射线来自原子外层的电子
B．核反应方程H＋H→He＋n属于裂变，是核潜艇的动力原理
C．核反应方程U＋n→Ba＋Kr＋3n属于裂变，是原子弹裂变反应原理
D．核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和
解析：β衰变是原子核的衰变，与核外电子无关，故A错误；质量数较小的核转化为质量较大的核，属于轻核聚变，故B错误；质量数较大的核裂变为质量中等的核，属于重核裂变，是原子弹裂变反应原理，故C正确；核反应前后核子数相等，核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，故D错误。
探究?
核电站
┃┃思考讨论2__■
如图所示为核电站工作流程示意图
(1)核电站的核心设施是什么？
(2)核电站是如何实现能量的转化与转移的？
提示：(1)核电站的核心设施是核反应堆。
(2)通过热交换器将核反应中产生的热量输送出来，推动汽轮机工作。
┃┃归纳总结__■
核反应堆
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，裂变反应堆的结构和工作原理如下表所示：
组成部分
材料
作用
裂变材料(核燃料)
浓缩铀(U)
提供核燃料
慢化剂(减速剂)
石墨、重水或普通水
使裂变产生的快速中子减速
控制棒
镉
吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层
石墨
阻止中子逃逸
热交换器
水
产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电
防护层
金属套和钢筋混凝土
防止射线对人体及其他生物体的侵害
特别提醒
在利用核反应堆发电时，一定要注意安全防护，历史上曾经有过核电站泄漏事故。
┃┃典例剖析__■
典例2 (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中正确的是( 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
解题指导：深入理解核反应堆的工作原理，是处理该类问题的关键。
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，即插入的深，吸收的多，反应将变慢，反之将加快，C正确，D错误。┃┃对点训练__■
2．原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成，它们是( A )
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、碰撞系统和传热系统
D．原子燃料、中子源、原子能存聚系统和输送系统
解析：原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统四部分组成，故A正确。
核心素养提升
易错警示·以题说法·启智培优
核能的利用与计算
1．核能的应用
原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来。核电站是利用缓慢释放的核能来发电，这是核能的和平利用。
2．核能的计算
(1)若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2
(2)若以原子质量单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×931.5
MeV
(3)两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1
MeV＝1×106×1.6×10－19
J＝1.6×10－13
J
案例 山东烟台海阳核电站项目，一期工程建设两台125万千瓦AP1000核电机组，于2016年并网发电。如果铀235在中子的轰击下裂变为Sr和Xe，质量mU＝235.043
9
u，mn＝1.008
7
u，mSr＝89.907
7
u，mXe＝135.907
2
u。
(1)写出裂变方程；
(2)求出一个铀核裂变放出的能量；
(3)若铀矿石的浓度为3%，一期工程建成后，一年将消耗多少吨铀矿石？
解析：(2)裂变过程的质量亏损Δm＝mU＋mn－mSr－mXe－10mn＝0.150
7
u
释放的能量ΔE＝Δmc2＝0.150
7×931
MeV≈140.3
MeV
(3)核电站一年的发电量E＝Pt＝2×125×107×365×24×60×60
J＝7.884×1016
J
由E＝NΔE＝NAΔE，得m＝＝
g≈4.57×107
g＝45.7
t
答案：(1)U＋n―→Sr＋Xe＋10n (2)140.3
MeV (3)45.7
t
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『判一判』
(1)只要铀块的体积大于临界体积，就可以发生链式反应。(×)
(2)中子从铀块中通过时，一定发生链式反应。(×)
(3)重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小。(×)
(4)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。(√)
(5)核反应堆用过的核废料无毒无害。(×)
『选一选』
山东荣成石岛湾核电站总装机规模400万千瓦。核电站与火电站相比较，下列说法错误的是( B )
A．核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量
B．就可采储量来说，地球上核燃料资源远大于煤炭
C．在经济效益方面核电与火电不相上下
D．核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理
解析：核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量，A正确；就可采储量所提供的能量来说，核燃料资源远大于煤炭所能提供的能量，而不是采储量，B错误；在经济效益方面核电与火电不相上下，C正确；核电站是有污染的，核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理，D正确。
『想一想』
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？
答案：(1)不是 (2)不能
解析：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。
课内互动探究
细研深究·破疑解难·萃取精华
探究?
重核的裂变及链式反应
┃┃思考讨论1__■
1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400
m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1
600
m范围内所有动植物全部死亡
(1)巨大的核能是从哪里来的？
(2)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？
提示：(1)铀核的裂变
(2)不需要
┃┃归纳总结__■
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式。
(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，裂变就会不断进行下去，释放出越来越多的核能。
(3)常见的裂变方程：
①U＋n―→Xe＋Sr＋2n
②U＋n―→Ba＋Kr＋3n
2．链式反应的条件
(1)要有足够浓度的235U
(2)要有足够数量的慢中子
(3)铀块的体积要大于临界体积
3．裂变反应的能量
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。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200
MeV估算，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，裂变时能产生几百万度的高温。
┃┃典例剖析__■
典例1 关于重核裂变，下列说法正确的是( D )
A．重核裂变成中等核要吸收能量
B．中子进入铀块中时，一定能发生链式反应
C．重核裂变过程中质量数减少
D．较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出核能
解题指导：―→―→
解析：中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定。如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出能量。由此知A错误，D正确；当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子如果能引起其他铀核裂变，链式反应才能进行，B错误；核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，C错误。
┃┃对点训练__■
1．(2020·天津一中高二下学期期末)2019年4月23日，海军建军70周年阅兵式上，中国海军新型攻击核潜艇093改进型攻击核潜艇公开亮相。核潜艇是以核反应堆作动力源。关于核反应，下列说法正确的是( C )
A．核反应方程C→N＋e属于β衰发，而β射线来自原子外层的电子
B．核反应方程H＋H→He＋n属于裂变，是核潜艇的动力原理
C．核反应方程U＋n→Ba＋Kr＋3n属于裂变，是原子弹裂变反应原理
D．核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和
解析：β衰变是原子核的衰变，与核外电子无关，故A错误；质量数较小的核转化为质量较大的核，属于轻核聚变，故B错误；质量数较大的核裂变为质量中等的核，属于重核裂变，是原子弹裂变反应原理，故C正确；核反应前后核子数相等，核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，故D错误。
探究?
核电站
┃┃思考讨论2__■
如图所示为核电站工作流程示意图
(1)核电站的核心设施是什么？
(2)核电站是如何实现能量的转化与转移的？
提示：(1)核电站的核心设施是核反应堆。
(2)通过热交换器将核反应中产生的热量输送出来，推动汽轮机工作。
┃┃归纳总结__■
核反应堆
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，裂变反应堆的结构和工作原理如下表所示：
组成部分
材料
作用
裂变材料(核燃料)
浓缩铀(U)
提供核燃料
慢化剂(减速剂)
石墨、重水或普通水
使裂变产生的快速中子减速
控制棒
镉
吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层
石墨
阻止中子逃逸
热交换器
水
产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电
防护层
金属套和钢筋混凝土
防止射线对人体及其他生物体的侵害
特别提醒
在利用核反应堆发电时，一定要注意安全防护，历史上曾经有过核电站泄漏事故。
┃┃典例剖析__■
典例2 (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中正确的是( 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
解题指导：深入理解核反应堆的工作原理，是处理该类问题的关键。
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，即插入的深，吸收的多，反应将变慢，反之将加快，C正确，D错误。┃┃对点训练__■
2．原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成，它们是( A )
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、碰撞系统和传热系统
D．原子燃料、中子源、原子能存聚系统和输送系统
解析：原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统四部分组成，故A正确。
核心素养提升
易错警示·以题说法·启智培优
核能的利用与计算
1．核能的应用
原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来。核电站是利用缓慢释放的核能来发电，这是核能的和平利用。
2．核能的计算
(1)若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2
(2)若以原子质量单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×931.5
MeV
(3)两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1
MeV＝1×106×1.6×10－19
J＝1.6×10－13
J
案例 山东烟台海阳核电站项目，一期工程建设两台125万千瓦AP1000核电机组，于2016年并网发电。如果铀235在中子的轰击下裂变为Sr和Xe，质量mU＝235.043
9
u，mn＝1.008
7
u，mSr＝89.907
7
u，mXe＝135.907
2
u。
(1)写出裂变方程；
(2)求出一个铀核裂变放出的能量；
(3)若铀矿石的浓度为3%，一期工程建成后，一年将消耗多少吨铀矿石？
解析：(2)裂变过程的质量亏损Δm＝mU＋mn－mSr－mXe－10mn＝0.150
7
u
释放的能量ΔE＝Δmc2＝0.150
7×931
MeV≈140.3
MeV
(3)核电站一年的发电量E＝Pt＝2×125×107×365×24×60×60
J＝7.884×1016
J
由E＝NΔE＝NAΔE，得m＝＝
g≈4.57×107
g＝45.7
t
答案：(1)U＋n―→Sr＋Xe＋10n (2)140.3
MeV (3)45.7
t
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