2019届高中物理第十九章原子核第6节核裂变讲义含解析 10页

核裂变重核的裂变[探新知·基础练]1．裂变定义重核分裂为质量较小的核，释放出核能的反应。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U＋n―→Ba＋Kr＋3n。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，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应。4．链式反应的条件发生裂变物质的体积大于等于临界体积或裂变物质的质量大于等于临界质量。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．核裂变反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，同时遵循电荷数守恒。(√)2．裂变物质的体积需要大于等于临界体积，链式反应才能顺利进行。(√)[释疑难·对点练]1．铀核的裂变和链式反应(1)哈恩的发现：1938年12月，德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼在利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变，向核能的利用迈出了第一步。(2)裂变的解释：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，由于复核中核子的激烈运动，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1MeV,1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t优质煤燃烧时释放的能量。裂变时能产生几万度的高温。(3)铀核裂变的条件：①铀核的裂变只能发生在人为的核反应中，自然界中不会自发地产生裂变，而是发生衰n变。②要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使其分裂，并放出更多的中子，这些中子再去轰击更多的铀核，产生更多的中子，就形成了链式反应。③链式反应速度很快，如不加以控制，能量在瞬间急剧释放引起剧烈爆炸(如原子弹)。如果运用一定办法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)。[特别提醒]　裂变的链式反应需要一定的条件才能维持下去：(1)要有足够浓度的铀235。(2)要有足够数量的慢中子。(3)铀块的体积要大于等于临界体积。[试身手]1．链式反应中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是(　　)A．质子　　　　　　　B．中子C．β粒子D．α粒子解析：选B　重核的裂变需要中子的轰击，在链式反应中，不断放出的高速中子使裂变可以不断进行下去，B项正确。核电站[探新知·基础练]1．核电站定义核电站是利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成：(1)燃料：铀棒。(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水作慢化剂。(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，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。2．工作原理核燃料裂变释放能量，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．核污染的处理为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外面需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。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)n1．核废料具有很强的放射性，需要深埋地下。(√)2．利用核能发电污染少。(√)[释疑难·对点练]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](1)核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体和烟尘，有利于环境保护。(2)为防止放射性物质的泄漏，核电站一般有4道安全屏障，大大提高了核能利用的安全性。[试身手]2．镉棒在核反应堆中的作用是(　　)A．使快中子变成慢中子B．使慢中子变成快中子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：选D　在核反应堆中石墨起着变快中子为慢中子的作用，镉棒起吸收中子、调节反应速度快慢的作用。D正确。对重核裂变的理解[典例1]　关于重核的裂变，以下说法正确的是(　　)A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B．中子从铀块中通过时，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，所以核子数要减少nD．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]选D　根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程。其释放的能量远大于等于其俘获中子时吸收的能量。链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于等于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生。在裂变反应中质量数、电荷数均守恒，即核子数守恒，所以核子数是不会减少的。因此选项A、B、C均错；重核裂变为中等质量的原子核时，会发生质量亏损，从而释放出核能，故D对。核能的计算[典例2]　U受中子轰击时会发生裂变，产生Ba和Kr，同时放出能量，已知每个铀核裂变时释放的能量为200MeV。(1)写出核反应方程。(2)现在要建设发电功率为5×105kW的核电站，用铀235作为核燃料，假设核裂变释放的能量一半转化为电能，那么该核电站一天消耗铀235多少千克？(阿伏加德罗常数为NA＝6.0×1023mol－1)[解析]　(1)核反应方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n＋200MeV。(2)核电站一天发出的电能为E1＝Pt＝5×108×24×3.6×103J＝4.32×1013J铀核裂变释放的总能量为E2＝2E1＝8.64×1013J由于每个铀核裂变时释放的能量E0＝200MeV＝3.2×10－11J，则铀核的物质的量为n＝＝mol＝4.5mol故一天消耗的U的质量为m＝nM＝4.5×235g≈1.06kg。[答案]　(1)U＋n→Ba＋Kr＋3n＋200MeV(2)1.06kg重核裂变释放的核能，计算方法与之前介绍的基本相同，具体可以从以下三个方面进行。(1)根据爱因斯坦质能方程计算。用裂变反应中质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中的光速(c＝3×108m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2。n(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量计算。用裂变反应中质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm(u)×931.5MeV。(3)由核能的转化量计算。[典例3]　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235.0439u、140.9139u、91.8973u、1.0087u)(2)1kg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2.94×107J/kg)[解析]　(1)裂变反应中的质量亏损为Δm＝(235.0439－140.9139－91.8973－2×1.0087)u＝0.2153u一个铀235原子核裂变释放的能量为ΔE＝0.2153×931.5MeV≈200.6MeV。(2)1kg铀235中铀核的个数为N＝≈2．56×10241kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量为E＝NΔE＝2.56×1024×200.6MeV≈5.14×1026MeV≈8.2×1013J设q为煤的热值，M为煤的质量，则有E＝qM，所以M＝＝kg≈2.8×103t。[答案]　(1)200.6MeV　(2)8.2×1013J　2.8×103t[课堂对点巩固]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，但只能裂变成两块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，最好用浓缩铀D．铀块的体积对产生链式反应无影响解析：选BC　铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，并放出几个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，且可以俘获各种能量的中子而引起裂变，而铀238只有俘获能量在1nMeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的概率小，而要引起链式反应，需使铀块体积大于等于临界体积。故选项B、C正确。2．利用重核裂变释放核能时选铀235，主要原因是(　　)A．它裂变放出的核能比其他重核裂变放出的核能多B．它可能分裂成三部分或四部分C．它能自动裂变，与体积无关D．它比较容易形成链式反应解析：选D　铀235比较容易发生裂变，铀235发生裂变时会生成2或3个中子，中子再去轰击铀核发生链式反应，但发生链式反应还必须要使铀块体积大于等于临界体积，所以选项A、B、C错误，选项D正确。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，依靠释放中子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解析：选C　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，而是利用镉棒对中子的吸收能力强的特点，控制中子数量的多少而控制核反应速度，故选项C正确。4．下列核反应中，表示核裂变的是(　　)A.U→Th＋HeB.C→N＋eC.U＋n→Ba＋Kr＋3nD.Be＋He→C＋n解析：选C　核反应中有四种不同类型的核反应，它们分别是衰变、人工转变、重核裂变、轻核聚变，其中衰变有α衰变、β衰变等。U→Th＋He是α衰变，C→N＋e是β衰变，Be＋He→C＋n是人工转变，只有C选项是重核裂变。[课堂小结][课时跟踪检测十七]n一、单项选择题1．1938年哈恩用中子轰击铀核(92U)，发现产物中有原子核钡(56Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线。下列关于这个实验的说法中正确的是(　　)A．这个实验的核反应方程是92U＋n→56Ba＋Kr＋nB．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和C．这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算D．实验中产生的γ射线穿透能力极强解析：选D　根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为92U＋n→56Ba＋Kr＋3n，选项A错误；铀核裂变过程中产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B、C错误；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项D正确。2．一个92U在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为92U＋n→X＋Sr＋2n，则下列说法正确的是(　　)A．X的原子核中含有86个中子B．X的原子核中含有141个核子C．因为裂变释放能量，出现质量亏损，所以裂变后的总质量数减少D．U是天然放射性元素，它的半衰期约为7亿年，随着地球环境的不断变化，半衰期可能变短也可能变长解析：选A　根据电荷数和质量数守恒，X的原子核中有92－38＝54个质子，235＋1－94－2＝140个核子，140－54＝86个中子，A项正确，B项错误；裂变过程总质量数守恒，C项错误；半衰期由核本身的因素决定，与外界条件无关，D项错误。3．我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U的裂变，现有四种说法：①U原子核中有92个质子，143个中子②U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为U＋n→Xe＋Sr＋2n③U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短④一个U裂变能放出200MeV的能量，合3.2×10－11J。以上说法中完全正确的是(　　)A．①②③　　　　　　　　B．②③④C．①③④D．①②④解析：选D　由U的质量数和电荷数关系易知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；通过计算易知④正确，故答案为D。n4．裂变反应中释放出的能量来自于(　　)A．核子消失转化为能量B．原子中电子与原子核之间的电势能减小C．入射的中子消失转化为能量D．原子核的比结合能变大，释放出能量解析：选D　发生裂变反应过程中，核子数保持守恒，中子也不会消失，故A、C错误；能量来自于原子核内部，由于重核在分裂为中等质量的原子核时，比结合能增加而释放出能量，B错误，D正确。5．一个铀235吸收一个中子后发生的核反应方程式是92U＋n→54Xe＋Sr＋10n，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ΔE等于(　　)A．(M－m1－m2)c2B．(M＋m－m1－m2)c2C．(M－m1－m2－9m)c2D．(m1＋m2＋9m－M)c2解析：选C　铀235裂变时的质量亏损Δm＝M＋m－m1－m2－10m＝M－m1－m2－9m，由质能方程可得ΔE＝Δmc2＝(M－m1－m2－9m)c2。故正确选项为C。6．1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196MeV的能量，则1g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏加德罗常数)(　　)A．NA×196MeVB．235NA×196MeVC．235×196MeVD.×196MeV解析：选D　1g纯铀235有×NA个铀235的原子核，因此1g纯铀吸收中子完全发生核反应，可以放出的能量为×196MeV，即D正确，A、B、C错误。二、多项选择题7．当一个重核裂变时，它所产生的两个核(　　)A．含有的质子数比裂变前重核的质子数少B．含有的中子数比裂变前重核的中子数少C．裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量D．可能是多种形式的两个核的组合解析：选BD　由于在裂变反应中吸收一个中子而释放出几个中子，质子数没有发生变化，而两个新核的中子数减少，A错误，B正确；反应前后质量发生了亏损而释放出能量，不等于俘获中子的能量，在裂变反应中，产物并不是唯一的，故C错误，D正确。n8．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输出热能解析：选ABD　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速度，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；水或液态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，同时也使反应堆冷却，控制温度，故D正确。三、非选择题9.92U受中子轰击时会发生裂变，产生56Ba和Kr，同时放出200MeV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？(阿伏加德罗常数取6.02×1023mol－1)解析：每天发电的总量E＝24×3.6×103×5×108J＝4.32×1013J。要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目n＝＝1.35×1024。则对应的质量m＝×235×10－3kg≈0.527kg。答案：0.527kg10．裂变反应是目前核能利用中常用的反应。以原子核92U为燃料的反应堆中，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92U　＋　n―→　54Xe＋　Sr　＋　3n235．0439　1.0087138.917893.9154反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u为单位)。(已知1u的质量对应的能量为931.5MeV)求此裂变反应过程中，(1)亏损质量为原子质量单位的多少倍？(2)释放出的能量是多少？n(3)铀核平均每个核子释放的能量有多大？解析：(1)92U裂变成54Xe和Sr，同时放出中子n，裂变前后质量变化Δm＝m前－m后＝(235.0439＋1.0087－138.9178－93.9154－3×1.0087)u＝0.1933u即亏损质量为原子质量单位的0.1933倍。(2)由爱因斯坦质能方程，得ΔE＝Δmc2＝0.1933×931.5MeV≈180MeV。(3)铀核平均每个核子释放的能量为＝≈0.766MeV。答案：(1)0.1933　(2)180MeV　(3)0.766MeV