3.5核裂变 学案（2020年教科版高中物理选修3-5）

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1、5 核裂变核裂变 学科素养与目标要求 物理观念：1.知道什么是核裂变.2.知道链式反应及链式反应的条件. 科学思维：1.会利用质量亏损计算核裂变产生的核能.2.了解核反应的工作原理，知道如何控 制核反应的速度. 科学态度与责任：了解如何防止核污染. 一、核裂变 1.核裂变 重核被中子轰击后分裂成两个(或几个)中等质量原子核，并放出核能的过程. 2.铀核裂变 用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是235 92U 1 0n 144 56Ba 89 36Kr3 1 0n. 3.链式反应 当一个中子引起一个重核裂变后， 裂变释放的中子再引起其他重核裂变， 且能不断继续

2、下去， 这种反应称为链式反应. 4.链式反应的条件 (1)铀块的体积大于等于临界体积. (2)有足够数量的慢中子. 二、核电站 1.核反应堆：利用核能发电的核心设施是核反应堆.它主要由以下几部分组成： (1)燃料：铀棒. (2)减速剂：铀 235 容易捕获慢中子发生反应，可采用石墨、重水、普通水作减速剂. (3)控制棒：为控制能量释放的速度，需控制中子的数目，采用镉或硼作为控制棒来控制链式 反应的速度. 2.工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高. 3.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. 4.核污染的处理：在反应堆的外面需

3、要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射 线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下或海底. 1.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)铀块的体积大于或等于临界体积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)铀核裂变的产物是钡和氪，且固定不变.( ) (5)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度.( ) (6)核反应堆用过的核废料无毒无害.( ) 2.当235 92U 俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式， 其中一种可表示为： 235 92U 1 0n 139 54Xe 94 3

4、8Sr3 1 0n. 已知235 92U 的原子质量为235.043 9 u， 1 0n 的原子质量为1.008 7 u， 139 54Xe 的原子质量为138.917 8 u， 94 38Sr 的原子质量为 93.915 4 u，且 1 u 的质量对应的能量为 9.310 2 MeV，此裂变反应释放出 的能量是_MeV.(结果保留两位有效数字) 答案 1.8102 解析 Em c2(235.043 91.008 7138.917 893.915 431.008 7)9.3102 MeV 1.8102 MeV. 一、核裂变及链式反应 1.常见的裂变方程 (1)235 92U 1 0n 139

5、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，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

6、式反应. 例 1 (2018 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.由核反应方程可得钡核的比结合能比铀核的比结合能大 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； 根据原子核的比结合能曲线可知，钡核的比结合能比铀核的

7、比结合能大，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. 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；链式反应的一个条

8、件是裂变物质的体积必须大于或等于它的临界体积. 二、核电站 1.核电站的主要组成：核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀 235，它的主要 部件列表如下： 部件名称 项目 减速剂 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 水或液态的金属钠 很厚的水泥外壳 作用 降低中子速度， 便 于铀 235 吸收 吸收中子，控 制反应速度 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)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 2 如图 1

9、 所示是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是( ) 图 1 A.铀 235 容易吸收快中子后发生裂变反应 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.控制棒由镉或硼做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子， 链式反应的速度就会慢一些 D.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 答案 B 解析 快中子容易与铀 235“擦肩而过”，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，选项

10、B 正确，A 错误；控制棒由镉或硼 做成，吸收中子的能力很强，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，要使反应更激烈，应使控制棒插入浅一些，选项 C、D 都 错误. 三、重核裂变中核能的计算 重核裂变中核能的计算，与前面介绍的核能的计算方法基本相同. 1.根据爱因斯坦质能方程计算，Emc2. 2.根据原子质量单位计算，1 u 相当于 931.5 MeV 的能量，Em(u)931.5 MeV. 3.根据能量守恒定律计算. 例 3 铀核裂变的许多核反应中的其中一个是235 92U 1 0n 141 56Ba 92 36Kr3 1 0n. (1)试计算一

11、个铀235 原子核裂变后释放的能量(235 92U、 141 56Ba、 92 36Kr、 1 0n 的质量分别为235.043 9 u、 140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u,1 u 相当于 931.5 eV)； (2)1 kg 铀 235 原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于完全燃烧多少煤释放的能 量？(煤的热值为 2.94107 J/kg) 答案 (1)200.6 MeV (2)5.141026MeV 相当于完全燃烧 2 797.3 t 煤 解析 (1)裂变反应的质量亏损为 m(235.043 91.008 7140.913 991.897 331.0

12、08 7) u0.215 3 u.一个铀 235 原子核 裂变后释放的能量为 Emc20.215 3931.5 MeV200.6 MeV. (2)1 kg 铀 235 原子核中含原子核的个数为 N10 3 2356.0210 232.561024个， 1 kg 铀 235 原子核发生裂变时释放的总能量 ENNE2.561024200.6 MeV5.141026 MeV. 设完全燃烧的煤的质量为 m， 有 ENqm， 所以 mEN q 5.1410 261061.61019 2.94107 kg2 797.3 t 1.计算核电站向外输送的能量需要多少核燃料的思路是： (1)计算一个核反应释放的核

13、能(或已知)E； (2)计算需要输送的能量 E； (3)由公式 m E E M NA计算出需要的核燃料质量 m. 2.若计算相当于多少煤时，要注意单位的统一，一般用焦耳(J)作为能量的单位. 1.(核裂变及链式反应)(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中的一种裂变反应为235 92U 10n144 56Ba 89 36Kr3 1 0n，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

14、 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. 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 10nab210n，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和电荷数守恒可知，a 和 b 的总质量数应为 23512234， 总质子数应为 92，A 项中质量数为 14093233，B 项中质量数是 14192233，C

15、项中 质量数为 14193234，质子数为 563894，D 项中质量数为 14094234，质子数为 543892.综上可知，答案为 D. 3.(核电站与核反应堆)秦山核电站第三期工程的两个 6105 kW 发电机组已实现并网发电， 发 电站的核能来源于235 92U 的裂变，下列说法正确的是( ) A.反应堆中核反应速度通常是采用调节235 92U 的体积来控制的 B.235 92U 的一种裂变可能是 235 92U 1 0n 139 54Xe 95 38Sr2 1 0n C.235 92U 是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短 D.虽然核电站能提供很大的能量，但它对环境的污染比火

16、电站严重 答案 B 解析 反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子来控制， A 错； 235 92U 裂变有多种可能性， 这是其中常见的一种，B 对；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温度、压强等外界 条件无关，C 错；核电对环境的污染比火电小，D 错. 4.(核能的计算)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 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.