第4章 第2节 核裂变.docx

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第4章第2节核裂变

第4章第2节核裂变

第2节　核裂变

学习目标

知识脉络

1.知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量．（重点）

2.知道什么是链式反应.

3.会计算重核裂变过程中释放出的能量．（重点）

4.知道什么是核反应堆．了解常用裂变反应堆的类型．（难点）

重核的裂变

1．重核的裂变

（1）核裂变：

用中子轰击铀核，铀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．

（2）裂变能：

核裂变释放出的能量称为裂变能，也称核能或原子能．核裂变是释放核能的方法之一．

（3）铀核裂变的产物多种多样，其中有代表性的有：

n＋U→Sr＋Xe＋2n

n＋U→Ba＋Kr＋3n.

2．链式反应

（1）定义：

在U核裂变释放出巨大能量的同时，平均每次可以放出2～3个中子，这些中子称为第1代中子，如果其中至少有一个继续轰击U，使之发生裂变，就能产生第2代中子，这样不断继续下去，中子会不断增加，裂变反应就会不断加强，就形成了裂变的链式反应．能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做临界体积．

（2）条件：

发生链式反应必须具备两个条件：

a.铀核的体积达到临界体积；b.必须存在持续不断的中子源．

1．原子核释放粒子的过程也是核裂变的过程．（×）

2．用中子轰击重核使之分裂实现核裂变．（√）

3．利用不可控的快中子轰击超过临界体积的铀块产生链式反应制成原子弹．（√）

重核裂变反应是否满足电荷数守恒？

是否满足质量数守恒？

【提示】　重核裂变反应属于核反应，满足电荷数守恒，质量数守恒．

1．铀核的裂变和裂变方程

（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2或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）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）有慢中子轰击．

（2）铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量．

以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足．

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．

4．铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应

在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是铀238，0.7%的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同．

（1）铀235：

俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大．

（2）铀238：

只有俘获能量大于1MeV的中子才能发生裂变，且裂变的几率小．能量低于1MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变．因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235.

1．（多选）关于重核的裂变，以下说法正确的是（　　）

A．核裂变释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量

B．铀核裂变在自然界中会自发地产生

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

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

【解析】　根据重核发生裂变的条件和裂变释放能量的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，因而释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量；重核裂变只能发生在人为核反应中；在裂变反应中核子数是不会减少的，因此A正确，B、C错误．重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，必然发生质量亏损，从而释放出核能，所以D正确．

【答案】　AD

2．（多选）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（　　）

A．这个实验的核反应方程是U＋n―→Ba＋Kr＋3n

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．实验中产生的γ射线穿透能力极强

D．这个反应中释放出的能量可以用爱因斯坦的质能方程来计算

【解析】　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错误，D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C正确．

【答案】　ACD

3．现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：

U＋n→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ν

（1）核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零．试确定生成物锆（Zr）的电荷数与质量数；

（2）已知铀（U）核的质量为235.0493u，中子质量为1.0087u，钕（Nd）核质量为142.9098u，锆核质量为89.9047u．又知1u＝1.6606×10－27kg，试计算，1kg铀235大约能产生的能量是多少？

【解析】　

（1）根据电荷数和质量数守恒，可得

Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40

质量数A＝236－143－3×1＝90.

（2）方法一：

质量亏损

Δm＝（mU＋mn）－（mNd＋mZr＋3mn）＝0.2174u.

一个铀核裂变释放能量

ΔE＝Δm×931.5MeV

＝0.2174×931.5MeV≈202.5MeV

1kg铀核含有的原子核数为

n＝××1023个≈×1024个

1kg铀核产生的能量

E总＝n·ΔE××1024MeV

≈×1026×1026×106××10－19J

≈×1013J.

方法二：

Δm＝（mU＋mn）－（mNd＋mZr＋3mn）

＝0.2174u＝0.2174×1.6606×10－27kg

≈×10－28kg

ΔE＝Δmc2×10－28×（3×108）2×10－11J

n＝××1023个≈×1024个

E总＝nΔE×1024××10－11J≈×1013J.

【答案】　×1013J

重核裂变核能计算的方法

解答这类问题，一般是先根据核反应方程求出一个重核裂变时发生的质量亏损，由质能方程计算出释放的能量，然后用阿伏加德罗常数把核能与重核质量联系起来；另外，在计算过程中要注意单位的统一．

裂变反应堆

1．核反应堆：

能维持和控制核裂变的装置．

2．核反应堆的构成：

堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分．

（1）堆芯：

由燃料棒、减速剂和冷却剂组成．

（2）中子反射层：

反射核裂变中产生的中子，使其进一步参加链式反应．

（3）控制棒：

用能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度．

1．核反应堆可以人工控制核反应速度．（√）

2．减速剂的作用使快中子减速变成慢中子．（√）

3．链式反应一旦形成无法进行人工控制．（×）

核反应堆中的防护层的构造和作用是什么？

【提示】　核反应堆中的防护层一般由金属套、防止中子外逸的水层以及1m～2m厚的钢筋混凝土构成，可以有效地防止射线对人体及其他生命的侵害．

1．核反应堆的组成

核反应堆由堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分组成．其中控制棒用能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度．之所以把它叫做“堆”，是因为世界上第一个核反应堆是用石墨块（用以控制反应速度）和金属铀块（反应燃料）一层一层交替地“堆”起来而构成的．

2．核反应堆与原子弹爆炸的比较

原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆（核电站的核心设施）．核反应堆是人工控制链式反应的装置．

3．核电站发电的主要原理

核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高．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．反应堆放出的热使水变成水蒸气，这些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电．这一部分的工作原理和火力发电相同．

4．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

【解析】　镉棒不是离子源不会释放中子，A错误，也不是减速剂，不能使快中子变为慢中子，B、D错误，镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强，镉棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出，少吸收中子，故镉棒也叫控制棒，C正确．

【答案】　C

5．（多选）关于原子核反应堆，下面哪种说法是正确的（　　）

A．镉棒是核燃料，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量

【解析】　核燃料即为用浓缩铀制成的铀棒，铀棒裂变时释放核能；镉棒具有很强的吸收慢中子的能力，通过控制镉棒插入的深度来控制链式反应的速度，即可控制反应堆的功率；石墨的作用是使裂变产生的快中子减速成为慢中子；冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热量．则B、D正确，A、C错误．

【答案】　BD

学业分层测评（十二）

（建议用时：

45分钟）

[学业达标]

1．（多选）当一个重核裂变时，它所产生的两个核（　　）

A．含有的质子数较裂变前重核的质子数不变

B．含有的中子数较裂变前重核的中子数不变

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】　由于在裂变反应中吸收一个中子而释放2～3个中子，质子数并没有发生变化，而两个新核的中子数减少，故选项A正确，B错误；反应后质量发生了亏损而释放能量，并不等于俘获中子时得到的能量，在裂变反应中，产物并不是唯一的，而是多种多样的，故选项D正确，选项C错误．

【答案】　AD

2．（多选）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，但不一定发生链式反应

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．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】　根据重核发生裂变的条件和裂变释放核能的原理分析可知，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．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．在裂变反应中质量数、电荷数均守恒；即核子数守恒，所以核子数是不会减小的，因此选项A、C错误，B正确；重核裂变为中等质量的原子核时，发生质量亏损，从而释放出核能，选项D正确．

【答案】　BD

3．铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是（　　）【导学号：

64772108】

A．反应堆中铀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

【解析】　要使铀核裂变发生链式反应，铀块的体积必须等于或大于临界体积，如果组成铀块的体积小于临界体积，则不会发生链式反应．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，若超过临界体积则发生链