5.2裂变及其应用 学案（2020年沪科版高中物理选修3-5）

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1、52 裂变及其应用裂变及其应用 学习目标 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.会判断和书写核裂变方程，能计 算核反应释放的能量.3.了解核电站的安全性能及核废料的处理 一、核裂变和链式反应 导学探究 如图 1 为铀核裂变示意图 图 1 1铀核裂变是如何发生的？ 答案 (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，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继 续下去，形成链式反应 2铀核裂

2、变在自然界中能自发进行吗？ 答案 重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自发地发生，故铀核裂 变不会自发地进行要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多 的中子，这些中子继续与其他铀核发生反应，再引起新的裂变，这样就形成了链式反应 知识梳理 1核裂变 重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程 2铀核裂变：235 92U 裂变的产物及核反应方程 (1)235 92U 裂变为锶 95 38Sr 和氙 139 54Xe，核反应方程 1 0n 235 92U 95 38Sr 139 54Xe2 1 0n. (2)235 92U 裂变为钡 14

3、1 56Ba 和氪 92 36Kr，核反应方程 1 0n 235 92U 141 56Ba 92 36Kr3 1 0n. 3链式反应：铀核裂变时，通常会放出 2 到 3 个中子，这些中子可以作为新的“炮弹”轰击 其他的铀核，使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫做链式反应 4发生链式反应的条件： (1)发生裂变物质的体积大于等于临界体积或发生裂变物质的质量大于等于临界质量 (2)中子的“再生率”要大于 1. 即学即用 判断下列说法的正误 (1)铀核的裂变是一种天然放射现象( ) (2)铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能不停地进行下去( ) (3)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变( )

4、(4)铀核裂变的产物是钡和氪，且固定不变，同时放出三个中子( ) 二、核电站 1核电站利用核能发电，它的核心设施是裂变反应堆，主要由以下几部分组成： (1)裂变材料：铀棒； (2)慢化剂：铀235 容易捕获慢中子而发生反应，通常用石墨、重水或普通水(也叫轻水)作 慢化剂； (3)控制棒：用镉或硼钢制成，用来吸收减速后的中子，控制反应强度； (4)反射层：一般用石墨做材料，阻止中子逃逸； (5)热交换器：利用水循环，把反应堆中的热量传输出去； (6)防护层：由金属套、防止中子外逸的水层以及 12 m 厚的钢筋混凝土构成 2裂变反应堆的常见类型 (1)重水堆：采用重水做慢化剂的反应堆 (2)高温气

5、冷堆：采用石墨为慢化剂、氦为冷却剂的反应堆 (3)快中子增殖反应堆：以铀235 作为主要裂变材料的反应堆其最大特点是可以合理利用 有限的铀资源，使核燃料增殖 3核电站的工作模式 以核反应堆为能源，用它产生高压蒸汽，取代发电厂的锅炉，从而进行发电 4核安全性与核废料处理 (1)核电站的安全性能：为了防止放射性物质的泄漏，核电站设置了 4 道安全屏障 第一道屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块 第二道屏障：锆合金包壳 第三道屏障：由反应堆压力容器和冷却回路构成的压力边界 第四道屏障：安全壳 (2)核废料的处理：我国对核废料采用后处理技术，即先回收铀、钚等，然后处理剩下的放射 性废料和其他途径产生的核废料

6、即学即用 判断下列说法的正误 (1)核反应堆通过调节中子数目以控制反应速度( ) (2)核反应堆用过的核废料无毒无害( ) (3)快中子和减速剂中的原子核碰撞后，变为慢中子( ) 一、重核裂变与其释放核能的计算 1常见的裂变方程 (1)235 92U 1 0n 139 54Xe 95 38Sr2 1 0n (2)235 92U 1 0n 144 56Ba 89 36Kr3 1 0n 2链式反应发生的条件 (1)铀块的体积大于或等于临界体积体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核 (2)有足够浓度的铀 235. (3)有足够数量的慢中子 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

7、，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 释放的化学能，裂变时能产生几百万度的高温 4铀的同位素中铀 235 比铀 238 更容易发生链式反应 例 1 (2019 临川一中质检)1938 年德国化学家、 物理学家哈恩等发现用中子轰击铀核的产物 中含有中等质量的原子核钡和氪，这种现象称为核裂变，其反应方程为235 92U 1 0n 141 56Ba 92 36 Kr3X.下列说法正确的是( ) A核反应方程中 X 为质子 B核反应方程中 X 为电子 C钡核的平均结合能比铀核的平均

8、结合能大 D此核反应能自动延续下去，故铀块的体积对于维持核反应是无关紧要的 答案 C 解析 根据核反应中质量数守恒和电荷数守恒，可得核反应方程中 X 为中子10n，A、B 错误； 根据原子核的平均结合能曲线可知，钡核的平均结合能比铀核的平均结合能大，C 正确；如 果铀块的体积小于临界体积，此核反应不能自动延续下去，所以铀块的体积对于维持核反应 是很重要的，D 错误 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，放出更多中子的过程 (2)重核的裂变是释放核能反应，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 能比中等质量的

9、核的平均结合能要小 所以在重核分裂成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 针对训练 核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电， 235 92U 是核电站常用的核燃 料.235 92U 受一个中子轰击后裂变成 144 56Ba 和 89 36Kr 两部分，并产生_个中子要使链式反 应发生，裂变物质的体积不能_(选填“大于”或“小于”)它的临界体积 答案 3 小于 解析 由质量数守恒和电荷数守恒可知，裂变的核反应方程为235 92U 1 0n 144 56Ba 89 36Kr3 1 0n， 可见产生了 3 个中子；链式反应发生的一个条件是裂变物质的体积

10、必须大于或等于它的临界 体积 例 2 用中子轰击铀核(235 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. 试写出核反应方程并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 铀核裂变方程为10n235 92U 141 56Ba 92 36Kr3 1

11、0n， 则核反应前后的质量亏损为 mmUmnmBamKr3mn3.57810 28 kg， 由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为Emc23.57810 28(3108)2 J3.220 21011 J. 二、核电站 1核电站的主要部件及作用如下表： 部件名称 项目 慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层 采用的 材料 石墨、 重水或普通 水(也叫轻水) 镉或硼钢 水或液态的金 属钠 金属套、 防止中子 外逸的水层以及 很厚的水泥外壳 作用 降低中子速度， 便 于铀 235 吸收 吸收减速后的中 子， 控制反应强度 把反应堆内的 热量传输出去 屏蔽射线， 防止放 射性污染 2.核电站发电的优点 (1)

12、消耗的核燃料少 (2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大，所能提供的能量大 (3)对环境的污染要比火力发电小 例 3 (多选)关于核反应堆，下列说法正确的是( ) A铀棒是核燃料，裂变时释放核能 B镉棒的作用是控制反应堆的功率 C石墨的作用是吸收中子 D冷却剂的作用是控制反应堆的温度和传输热量 答案 ABD 解析 铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故 A 正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调 节中子数目以控制反应强度，即控制反应堆功率，故 B 正确；慢中子最容易引发核裂变，所 以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故 C 错误；冷却剂在反应堆 内外循环流动，把反应堆内的热

13、量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控制温度， 故 D 正确. 1 (对核裂变的理解)一个235 92U 原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应的裂变方程为 235 92U 1 0nX 94 38Sr2 1 0n，则下列叙述正确的是( ) AX 原子核中含有 86 个中子 BX 原子核中含有 141 个核子 C因为裂变时释放能量，根据 Emc2，所以裂变后的总质量数增加 D因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少 答案 A 解析 X 原子核中的核子数为(2351)(942)140 个，B 错误；中子数为 140(9238) 86 个，A 正确；裂变时释放能量，出现质

14、量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D 错误 2(核裂变反应方程的认识)铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应： 235 92U 1 0nab2 1 0n，则 ab 可能是( ) A.140 54Xe 93 36Kr B.141 56Ba 92 36Kr C.141 56Ba 93 38Sr D.140 54Xe 94 38Sr 答案 D 解析 根据核反应中的质量数守恒和电荷数守恒可知，a 和 b 的总质量数应为 23512 234，总质子数应为 92，A 项中质量数为 14093233，B 项中质量数是 14192233，C 项中质量数为 14193234，质子数为 5638

15、94，D 项中质量数为 14094234，质子 数为 543892.综上可知，答案为 D. 3(质量亏损和核能的计算)一个铀 235 吸收一个中子后发生的一种核反应方程是235 92U 1 0 n136 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 mMmm1m210mMm1m29m，由质

16、能方程 可得 Emc2(M9mm1m2)c2. 4(核能的计算)(2018 莆田市二十五中高二期末)用一个中子轰击235 92U，可发生裂变反应生成 141 56Ba 和 92 36Kr，已知 235 92U 的质量为 235.043 9 u， 141 56Ba 的质量为 140.913 9 u， 92 36Kr 的质量为 91.897 3 u，中子质量为 1.008 7 u，(1 u 相当于 931.5 MeV 的能量，阿伏加德罗常数 NA6.021023 mol 1，结果均保留两位有效数字) (1)请写出裂变中的核反应方程； (2)求一个235 92U 在裂变反应中释放的核能； (3)求

17、1 g235 92U 全部反应释放的能量 答案 (1)235 92U 1 0n 141 36Ba 92 36Kr3 1 0n (2)2.0102 MeV (3)5.11023 MeV 解析 (1)根据质量数守恒和电荷数守恒可得该核反应方程为： 235 92U 1 0n 141 56Ba 92 36Kr3 1 0n； (2)质量亏损为：m(235.043 91.008 7140.913 991.897 331.008 7)u0.215 3 u 释放的核能为： E0.215 3931.5 MeV2.0102 MeV (3)1 g235 92U 中 U 核的摩尔数为：n 1 235 mol； 1 g235 92U 中 U 核的个数为：NnNA； 因此 1 g235 92U 完全裂变时释放的能量：ENE 解得 E5.11023 MeV.