高中物理第十九章原子核第六节核裂变学案新人教版选修3Word文档下载推荐.docx
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（2）缺点：
①一旦核泄漏会造成严重的__核污染__。
②核废料处理__比较困难__。
预习反馈
『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，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
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。
探究一 重核的裂变及链式反应
S
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400m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1600m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
G
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200MeV估算，1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t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。
D
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：
―→―→
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〕 （多选）（河北省邯郸市2017～2018学年高三模拟）铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中一种裂变反应式是U＋n→Ba＋Kr＋3n。
下列说法正确的有（ AC ）
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
裂变反应式中的n为中子，铀块只有体积大于临界体积，才能发生链式反应，且铀核的链式反应是可控的，A、C对B错；
放射性元素的半衰期不受外界压强、温度的影响，D错。
探究二 核电站
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？
（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。
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
深入理解核反应堆的工作原理，是处理该类问题的关键。
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
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）若以原子单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×
931.5MeV
（3）两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1MeV＝1×
106×
1.6×
10－19J＝1.6×
10－13J
案例 山东烟台海阳核电站项目，一期工程和2号常规岛正在进行设备安装，一期工程规划建设两台125万千瓦AP1000核电机组，预计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＝235.0439u，mn＝1.0087u，mSr＝89.9077u，mXe＝135.9072u。
（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？
（2）裂变过程的质量亏损Δm＝mU＋mn－mSr－mXe－10mn＝0.1507u
释放的能量ΔE＝Δmc2＝0.1507×
931MeV≈140.3MeV
（3）核电站一年的发电量E＝Pt＝2×
125×
107×
365×
24×
60×
60J＝7.884×
1016J
由E＝NΔE＝NAΔE，得m＝＝g≈4.57×
107g＝45.7t
（1）U＋n―→Sr＋Xe＋10n
（2）140.3MeV （3）45.7t
1．（安徽省池州市2018届高三上学期期末）前不久，新华社评出2017年国际十大新闻：
朝鲜核导试验半岛局势趋紧列第五。
有关核反应方程，下列说法正确的是（ A ）
A．U→Th＋He属于α衰变
B．N＋He→O＋H是β衰变
C．核反应方程Po→X＋He中的y＝206，X的中子个数为128
D．铀核裂变的核反应为U→Ba＋Kr＋2n
α衰变是重核自发的放出α粒子的天然放射现象，其中α粒子是He，故A正确；
N＋He→O＋H是发现质子的原子核人工转变，故B错误；
X的中子个数为206－82＝124，故C错误；
铀核裂变属于重核裂变，不能自发进行，故D错误。
2．（湖南永州2016～2017学年高三二模）在所有能源中，核能具有能量密度大、区域适应性强的优势。
在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。
核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量的核能。
其中用中子轰击铀核发生裂变是核反应堆中最常见的反应，请完成此核反应方程U＋n―→Ba＋Kr＋__3n__；
在此核反应中，分别用mn和mp表示中子和质子的质量，用mU、mBa、mKr表示U、Ba、Kr的质量，用c表示真空中的光速，该反应过程中释放的核能为__（mU－mBa－mKr－2mn）c2__。
核反应过程中质量数和电荷数分别守恒；
质量亏损等于核反应过程中，反应前的质量减反应后的质量，然后由质能方程求解核能。
3．（山东日照市2016～2017学年高二下学期调研）2015年9月3日，是我国纪念抗日战争和世界反法西斯战争胜利70周年。
1945年7月，为了加速日本军国主义的灭亡，促使日本早日无条件投降，美国在日本的广岛、长崎投下了两枚原子弹。
落在日本广岛的原子弹，其爆炸力相当于2×
104tTNT爆炸的能量（约8.4×
1013J），由此可知该原子弹中铀235的质量是多少千克？
（已知裂变的核反应方程U＋n→Ba＋Kr＋3n＋201MeV，阿伏加德罗常数NA＝6.02×
1023）
1.02kg
由核反应方程知，一个铀核裂变能放出201MeV的能量，1mol铀核裂变放出的能量为ΔE1＝6.02×
1023×
201MeV＝1.936×
1013J,1mol铀核的质量为0.235kg，则原子弹中铀核的质量为m＝×
0.235kg＝×
0.235kg＝1.02kg。
基础夯实
一、选择题（1～4题为单选题，5、6题为多选题）
1.U吸收一个慢中子后，分裂成Xe和Sr，还放出（ C ）
A．1个α粒子 B．3个中子
C．10个中子D．10个质子
设放出的粒子的质量数为x，电荷数为y，核反应过程满足质量数守恒和电荷数守恒。
由题意可知
则
由此判定该核反应放出的一定是中子，且个数是10，C选项正确。
2．中国承诺到2020年碳排放量下降40%～45%。
为了实现负责任大国的承诺，我国将新建核电站项目。
目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是（ A ）
A．U＋n―→Sr＋Xe＋10n
B．Na―→Mg＋e
C．N＋He―→O＋H
D．U―→Th＋He
重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；
B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变。
3．1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡（Ba）、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（ D ）
A．这个实验的核反应方程是U＋n―→Ba＋Kr＋n
B．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
根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：
U＋n―→Ba＋Kr＋3n，选项A不正确；
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不正确；
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。
4．在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是（ C ）
A．使用浓缩铀
B．改变铀块的临界体积
C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以改变参与反应的中子数
D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
在核反应中，使用的浓缩铀达到临界条件才能发生链式反应；
在反应中石墨作为“慢化剂”使快中子减速为慢中子，使铀核能进一步反应，故它们都不是用来控制核反应速度的方法，A、B、D错误。
调节中子数目是控制反应速度的方法，镉棒具有很强的吸收中子的能力，C正确。
5．（重庆一中2015～2016学年高二下学期期中）下列说法正确的是（ AC ）
A．卢瑟福通过实验发现了质子的核反应方程为He＋N→O＋H
B．铀核裂变的核反应是U→Ba＋Kr＋2n
C．已知质子、中子、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，那么，2个质子和2个中子结合成一个α粒子，释放的能量是（2m1＋2m2－m3）c2
D．铀（U）经过多次α、β衰变形成稳定的铅（Pb）的过程中，有4个中子转变成质子
根据物理学史知选项A正确；
铀核裂变必须吸收慢中子，B错误；
根据爱因斯坦质能方程，知C正确；
U→Pb＋8He＋6e，有6个中子转变或原子，故D错误。
6．关于原子核反应堆，下列说法正确的是（ ABD ）
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
铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，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，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，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，D正确。
二、非选择题
7．一个铀235核裂变时释放出196MeV的能量，则1kg铀235完全裂变时所放出的能量为多少？
它相当于多少吨优质煤完全燃烧时放出的能量。
（煤的热值为3.36×
106J/kg）
8.03×
1013J 2.39×
104t
根据一个铀235原子核裂变后释放的能量为ΔE＝196MeV。
1kg铀235中含原子核的个数为
N＝NA＝×
6.02×
1023≈2.56×
1024
则1kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量
ΔEN＝NΔE＝2.56×
1024×
196MeV≈5.02×
1026MeV＝8.03×
1013J；
令q＝3.36×
106J/kg为煤的热值，设m为煤的质量，
则有ΔEN＝qm，
所以m＝＝kg＝2.39×
107kg＝2.39×
104t。
能力提升
一、选择题（1～2题为单选题，3、4题为多选题）
1．关于重核的裂变，以下说法正确的是（ D ）
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，所以核子数要减小
D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因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。
在裂变反应中核子数是不会减小的，如U裂变为Sr和Xe的核反应，其核反应方程为
U＋n―→Sr＋Xe＋10n，
其中各粒子质量分别为
mU＝235.0439u，mn＝1.00867u，
mSr＝89.9077u，mXe＝135.9072u，
质量亏损为
Δm＝（mU＋mn）－（mSr＋mXe＋10mn）＝0.1510u
可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，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，由于核子平均质量小，会发生质量亏损，从而释放出核能。
综上所述，选项D正确。
2．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，反应方程为U＋n→Xe＋Sr＋2n；
③U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。
以个说法中完全正确的是（ D ）
A．①②③B．②③④
C．①③④D．①②④
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；
通过计算知④正确，故答案为D。
3．下面是铀核裂变反应中的一个：
U＋n―→Xe＋Sr＋10n
已知铀235的质量为235.0439u，中子质量为1.0087u，锶90的质量为89.9077u，氙136的质量为135.9072u，则此核反应中（ BD ）
A．质量亏损为Δm＝235.0439u＋1.0087u－89.9077u－135.9072u
B．质量亏损为Δm＝（235.0439＋1.0087－89.9077－135.9072－10×
1.0087）u
C．释放的总能量为ΔE＝（235.0439＋1.0087－89.9077－135.9072－10×
1.0087）×
（3×
108）2J
D．释放的总能量为ΔE＝（235.0439＋1.0087－89.9077－135.9072－10×
计算亏损质量时要用反应前的总质量减去反应后的总质量，二者之差可用“u”或“kg”作单位，故A错误，B正确；
质量单位为“u”时，可直接用“1u的亏损放出能量931.5MeV”计算总能量，故D正确，当质量单位为“kg”时直接乘以（3.0×
108）2，总能量单位才是焦耳，故C错误。
4．2011年3月由9.0级地震引发的海啸摧毁了日本福岛第一核电站的冷却系统，导致大量I泄露在大气中，I是一种放射性物质，会发生β衰变而变成Xe元素。
下列说法中正确的是（ BC ）
A．福岛第一核电站是利用原子核衰变时释放的核能来发电
B．I发生β衰变的方程式为I→Xe＋e
C．I原子核内有53个质子，78个中子
D．如果将碘131的温度降低到0度以下，可以延缓其衰变速度
核电站是利用核裂变来发电，A错；
根据原子核的结构和方程式书写规则可判BC正确；
衰变与物质所处的物理、化学状态无关，D错。
5．（湖北省部分重点中学2015～2016学年高二下学期期中）在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。
（1）核反应方程U＋n→Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，则a的值为多少，X表示哪一种核？
（2）有一座核能发电站，发电能力P＝1×
106kW，核能转化为电能的效率η＝45%，设反应堆中发生的裂变反应全是
（1）中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×
10－11J，铀核的质量mU＝3.9×
10－25kg，求每年需要消耗的铀的质量。
（结果保留2位有效数字）
（1）3 中子
（2）0.98t
（1）根据质量数和核电荷数守恒可得：
X的电荷数为0，质量数为1，X为中子，a＝3。
（2）该核能发电站一年发出的电能为：
W1＝Pt＝1×
109×
3600J＝3.1536×
需要核反应产生的能量为：
W＝＝7.008×
这么多核能需要燃烧的铀核质量为m＝
代入数据，解得：
m＝980kg＝0.98t
予少家汉东，汉东僻陋无学者，吾家又贫无藏书。
州南有大姓李氏者，其于尧辅颇好学。
予为儿童时，多游其家，见有弊筐贮故书在壁间，发而视之，得唐《昌黎先生文集》六卷，脱落颠倒无次序，因乞李氏以归。
读之，见其言深厚而雄博，然予犹少，未能悉究其义．徒见其浩然无涯，若可爱。
是时天下学者杨、刘之作，号为时文，能者取科第，擅名声，以夸荣当世，未尝有道韩文者。
予亦方举进士，以礼部诗赋为事。
年十有七试于州，为有司所黜。
因取所藏韩氏之文复阅之，则喟然叹曰：
学者当至于是而止尔！
因怪时人之不道，而顾己亦未暇学，徒时时独念于予心，以谓方从进士干禄以养亲，苟得禄矣，当尽力于斯文，以偿其素志。
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