4.2核裂变 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-5）

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1、第第 2 节节 核裂变核裂变 目标定位 1.知道核裂变的概念以及重核裂变会释放能量.2.知道什么是链式反应以及发生 的条件.3.会计算重核裂变过程中释放出的能量.4.知道什么是核反应堆， 了解常用裂变反应堆 的类型 一、重核的裂变 1定义 用中子轰击重核，重核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量的核反应过程叫做核裂变， 核裂变释放的能量，称为裂变能，也称为核能或原子能 2铀核的裂变 (1)两种常见的核反应方程： 235 92U 1 0n 139 54Xe 95 38Sr2 1 0n 235 92U 1 0n 141 56Ba 92 36Kr3 1 0n (2)235 92U 裂变释放的能量是巨

2、大的，裂变反应中每个核子释放的能量约为 1_MeV. 二、链式反应 1链式反应 当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出 23 个中子，放出的中子再引起其他铀核裂变， 且能不断地增加，形成链式反应 2发生条件 (1)有持续不断的中子 (2)达到临界体积 三、裂变反应堆 1核反应堆 用人工的方法控制链式反应的速度，能维持和控制核裂变的装置，叫做核反应堆 2组成 核反应堆包括堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分其中堆芯由燃料棒、减速剂和 冷却剂组成 (1)燃料：浓缩铀； (2)减速剂：铀 235 容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水作减速剂； (3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少

3、中子的数目，采用在反应堆中插入 镉棒的方法，利用镉吸收中子的特性，就可以容易地控制链式反应的速度. 一、对裂变概念的理解 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库仑斥力 作用而分裂成几块，同时放出 23 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，形成链式反应 3能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量一般来说，平均 每个核子放出的能量约为 1 MeV，1 kg 铀 235 全部裂变放出的能量相当于 2

4、 000 t 标准煤完 全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几万度的高温 4用中子轰击铀核时，铀核裂变的产物是多种多样的，其中两种典型的反应是： 235 92U 1 0n 144 56Ba 89 36Kr3 1 0n； 235 92U 1 0n 139 54Xe 95 38Sr2 1 0n. 【例 1】 关于重核的裂变，下列说法正确的是( ) A核裂变时释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B重核裂变时释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少 C铀核自发放出 粒子、 粒子时要释放能量，核电站利用的就是这一能量 D重核的平均结合能小于中等质量核的平均结合能，所以重核裂变成中等质量核时，要

5、放 出核能，有质量亏损 答案 D 解析 重核的平均结合能小于中等质量核的平均结合能， 即将重核分成核子时比中等质量核 分成核子时每个核子平均吸收的能量小些， 可见由重核裂变成两个中等质量的核要放出能量， 选项 D 正确； 铀核裂变放出的能量是原子核的核能， 而不是中子具有的动能， 选项 A 错误； 裂变过程遵守质量数、电荷数守恒规律，选项 B 错误；衰变是自发的现象，铀核衰变后的 新核仍是重核，而核电站利用的是裂变能，选项 C 错误 借题发挥 重核裂变的实质 (1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大 量的能量，放出更多的中子的过程 (2)重核的裂变是放

6、能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的平均结合 能相比中等质量的核的平均结合能要小 所以在重核分解为两个中等质量的核的过程中要释 放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量 二、裂变反应中释放核能的计算 【例 2】 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 (1)写出核反应方程并计算出一个铀核裂变时释放的核能已知 mU235.043 94 u，mXe 138.918 44 u，mSr93.915 57 u，mn1.008 665 u. (2)计算 1 kg 铀完全裂变可释放出的能量， 其相当于多少热值为 2.93107 J/kg

7、 的煤完全燃烧 时放出的热量？ 答案 见解析 解析 计算重核裂变释放的核能， 首先写出正确的裂变方程式， 计算出裂变后的质量亏损m， 然后将 m 代入爱因斯坦质能方程 Emc2，计算出裂变释放的核能 (1)核反应方程为 235 92U 1 0n 139 54Xe 94 38Sr3 1 0n. 该反应的质量亏损为 m(mUmn)(mXemSr3mn) (235.043 941.008 665) u(138.918 4493.915 5731.008 665)u 0.192 6 u， 所以，一个铀核裂变释放的核能为 E0.192 6931.5 MeV179.4 MeV. (2)1 kg 铀中含有的

8、铀核数为 N1 000 235 NA1 000 235 6.0210232.5621024(个) 1 kg 铀完全裂变共释放的能量为 ENE2.5621024179.4 MeV4.601026 MeV. 相当于完全燃烧的煤的质量为 mE q 4.6010261061.610 19 2.93107 kg 2.51106 kg2 510 t. 借题发挥 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 E mc2.铀的摩尔质量为 235 g/mol,1 mol 铀含 6.021023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 针对训练 用中子轰击铀核(2

9、35 92U)，其中的一个可能反应是分裂成钡( 141 56Ba)和氪( 92 36Kr)两部分， 放出 3 个中子各个核和中子的质量如下： mU390.313 910 27 kg，m n1.674 910 27 kg； mBa234.001 610 27 kg，m Kr152.604 710 27 kg. 试写出核反应方程，求出反应中释放的核能 答案 1 0n 235 92U 141 56Ba 92 36Kr3 1 0n 3.220 210 11 J 解析 根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒，就可以写出核反应方程 根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能 铀核裂变方程为

10、10n235 92U 141 56Ba 92 36Kr3 1 0n， 则核反应前后的质量亏损为 mmUmnmBamKr3mn0.357 810 27 kg. 由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为 Emc20.357 810 27(3108)2 J3.220 21011 J. 对核裂变的理解 1铀核裂变时，关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 答案 C 解析 要使铀核裂变产生链式反应，

11、 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，若超过临界体积则能够发生链式反应，由此知 A、B、D 错误，C 正确 2(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中一种裂变反应为235 92U 1 0n 144 56Ba 89 36Kr 310n，下列说法正确的有( ) A上述裂变反应中伴随着中子放出 B铀块体积对链式反应的发生无影响 C铀核的链式反应可人工控制 D铀核的半衰期会受到环境温度的影响 答案 AC 解析 从裂变

12、反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出， A 对； 铀块体积对链式反应 的发生有影响，B 错； 铀核的链式反应可人工控制，C 对；铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，D 错 核能的利用和核能的计算 3关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是( ) A镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度 B用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量 C利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量 D镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度 答案 C 解析 镉棒并不能释放中子，也不能使中子减速，对铀核裂变也没有阻碍作用，而是利用其 对中子吸收能力强的特点，控制中子数量的多少从而控制核反应速度，故 C 正确 4一个铀 235 吸收一个中子后发生的核反应方程是235 92U 1 0n 136 54Xe 90 38Sr10 1 0n，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(Mm1m2)c2 B(Mmm1m2)c2 C(Mm1m29m)c2 D(m1m29mM )c2 答案 C 解析 铀 235 裂变时的质量亏损为 mMmm1m210mMm1m29m 由质能方程可得 Emc2(Mm1m29m)c2.