高中物理第三章原子核第5节核裂变教学案教科版选修35.docx
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高中物理第三章原子核第5节核裂变教学案教科版选修35
教学资料参考范本
【2019-2020】高中物理第三章原子核第5节核裂变教学案教科版选修3_5
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(对应学生用书页码P44)
一、核裂变
1.定义
重核分裂为几个中等质量原子核的过程。
2.裂变常见的方程
U+n―→Ba+Kr+3n
[特别提醒] 同一重核发生裂变时,产生的中等核可能不同。
二、链式反应
1.链式反应
一个反应过程的产物能够再次引起这种反应,从而使反应一旦开始就能自动延续下去,这种反应过程就称为链式反应。
2.临界体积
能够发生链式反应的裂变物质的最小体积。
三、核电站
1.核电站
利用核能发电,它的核心设施是核反应堆,它主要由以下几部分组成:
燃料、慢化剂、控制棒。
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.注重核污染的防护
1.判断:
(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。
( )
(2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。
( )
(3)铀核裂变时会吸收大量的能量。
( )
(4)中子的速度越快,越容易发生铀核裂变。
( )
(5)核能发电对环境的污染比火力发电要小。
( )
答案:
(1)×
(2)√ (3)× (4)× (5)√
2.思考:
核反应堆中的控制棒是由什么制成的?
控制棒起什么作用?
提示:
控制棒由镉棒制成,镉吸收中子的能力很强,在铀棒之间插进一些镉棒,可以控制链式反应的速度。
(对应学生用书页码P45)
对重核裂变和链式反应的分析
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)铀块的体积大于临界体积。
(2)铀块的质量大于临界质量。
以上两个条件满足一个即可。
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最易发生链式反应
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.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,但核子数不会减少
D.所有重核元素用中子轰击均能发生裂变反应
解析:
选C 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即发生核反应,是核能转化为其他形式能的过程,因此其释放的能量是远大于其俘获中子时吸收的能量的。
发生链式反应是有条件的,即铀块的体积必须大于临界体积。
如果体积过小,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少的,因此选项A、B错误,C正确。
用中子轰击U和Pu(钚)等少数几种重元素才能发生裂变反应,D错误。
裂变反应堆
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
产生高温蒸气,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
2.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( )
A.铀块的质量是重要因素,与体积无关
B.为了使铀235裂变的链式反应容易发生,最好直接利用裂变时产生的快中子
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.裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关
解析:
选C 要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于临界体积(或临界质量),故A、D错,C对,铀235俘获慢中子发生裂变的概率大,快中子使铀235发生裂变的几率小,故B错。
(对应学生用书页码P45)
重核的裂变
[例1] 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4种说法:
①U原子核中有92个质子,有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+2n
③
U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
以上说法中正确的是( )
A.①②③ B.②③④
C.①③④D.①②④
[解析] 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,故正确选项为D。
[答案] D
裂变核能的计算
[例2] 铀核(U)裂变成钡(Ba)和氪(Kr)。
已知U、Ba、Kr以及中子的质量分别是235.0439u、140.9139u、91.8973u和1.0087u。
(1)试写出铀核裂变反应方程,并计算1个235U核裂变时放出的核能;
(2)我国秦山核电站的装机容量为3.0×105kW,假如全部235U都能够发生这样的裂变,释放核能的1.2%可转化为电能,试由此估算电站1年要消耗多少U?
[解析]
(1)根据裂变的生成物及核反应前后质量数守恒,由核电荷数守恒可确定产生中子的数目。
U+
n―→
Ba+
Kr+3
n,
核反应中的质量亏损为
Δm=235.0439u-140.9139u-91.8973u-2×1.0087u=0.2153u
根据质能方程可知每一个235U核裂变所释放的能量为
ΔE=Δmc2=0.2153×1.66×10-27×(3×108)2J
=3.22×10-11J。
(2)电站1年所产生的电能为E=Pt,t=365×24×3600s。
每摩尔235U全部裂变所释放的能量为NA·ΔE,NA为阿伏加德罗常数,而235U的摩尔质量为
MU=0.235kg/mol,所以
m=MU
=kg
=9.6×103kg。
[答案] 见解析
(对应学生用书页码P46)
1.下列说法正确的是( )
A.α粒子大角度散射表明α粒子很难进入原子内部
B.氢原子跃迁发出的光从空气射入水时可能发生全反射
C.裂变反应有质量亏损,质量数不守恒
D.γ射线是一种波长很短的电磁波
解析:
选D α粒子大角度散射现象说明原子中原子核很小,原子内部十分“空旷”,A错误;发生全反射的条件之一是光由光密介质向光疏介质中传播,故光从空气射入水中,不可能发生全反射,B错误;所有的核反应都遵循电荷数与质量数守恒,反应过程中,质量有亏损,C错误;γ射线是一种电磁波,且频率很高,波长很短,D正确。
2.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:
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,而是利用其对中子吸收能力强的特点,控制中子数量的多少而控制核反应速度,故C正确。
3.下列核反应中,表示核裂变的是( )
A.U→Th+He
B.C→N+e
C.U+n→Ba+Kr+3n
D.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。
4.U吸收一个慢中子后,分裂成Xe和Sr,同时还放出( )
A.一个α粒子B.一个氘核
C.三个中子D.两个中子
解析:
选C 该裂变反应的方程为U+n→Xe+Sr+3n,放出的粒子只能是3个中子,故C正确。
5.现已建成的核电站发电的能量来自于( )
A.天然放射性元素衰变放出的能量
B.人工放射性同位素放出的能量
C.重核裂变放出的能量
D.化学反应放出的能量
解析:
选C 现在核电站所用原料主要是铀,利用铀裂变放出的核能发电,故C项正确。
6.关于铀核裂变,下述说法中正确的是( )
A.铀核裂变的产物是多种多样的,但只能裂变成两种不同的核
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,最好用纯铀235
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,裂变的产物是各种各样的,具有极大的偶然性,但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,而铀238只有俘获能量在1MeV以上的中子才能引起裂变,且裂变的几率小。
而要引起链式反应,需使铀块体积超过临界体积。
故上述选项B、C正确。
7.(广东高考)铀核裂变是核电站核能的重要来源,其一种裂变反应式是U+n→Ba+Kr+3n。
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
解析:
选AC 本题考查裂变反应的特点及条件、原子核半衰期的特点,意在考查考生对原子核不同变化形式的区别的掌握。
从铀核裂变方程可以看出,反应中伴随着中子放出,A项正确;铀块的体积必须大于临界体积才能发生链式反应,B项错误;通过控制中子数可以控制链式反应,C项正确;铀核的半衰期与物理、化学状态无关,因此不受环境影响,D项错误。
8.1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×196MeV B.235NA×196MeV
C.235×196MeVD.×196MeV
解析:
选D 由于1mol的铀核质量为235g,1g铀235的物质的量为mol,因此1g铀235释放的能量
E=×196MeV,故D正确。
9.贫铀炸弹是一种杀伤力很强的武器,贫铀是提炼铀235以后的副产品,其主要成分为铀238,贫油炸弹不仅有很强的穿甲能力,而且铀238具有放射性,残留物可长期对环境起破坏作用而造成污染。
人长期生活在该环境中会受到核辐射而患上皮肤癌和白血病。
下列叙述错误的是( )
A.铀238的衰变方程式为:
U―→Th+He
B.U和U互为同位素
C.人患皮肤癌和白血病是因为核辐射导致了基因突变
D.贫铀弹的穿甲能力很强,也是因为它的放射性
解析:
选D 铀238具有放射性,放出一个α粒子,变成钍234,A正确。
铀238和铀235质子数相同,互为同位素,B正确。
核辐射能导致基因突变,是皮肤癌和白血病的诱因之一,C正确。
贫铀弹的穿甲能力很强,是因为它的弹芯是由高密度、高强度、高韧性的铀合金组成,袭击目标时产生高温化学反应,所以其爆炸力、穿透力远远超过一般炸弹,D错。
10.曾落在日本广岛上的原子弹,相当于2万吨TNT炸药放出的能量。
原子弹放出的能量约8.4×1013J,试问有多少个U原子核进行分裂?
该原子弹中含铀U的质量最小限度为多少千克?
(一个铀U原子核分裂时所产生的能量约为200MeV)
解析:
一个U原子核分裂时所产生的能量约为
200MeV=200×106eV=2.0×108×1.6×10-19J
=3.2×10-11J。
设共有n个U核发生裂变:
n=个≈2.6×1024个,
铀的质量m=235×10-3×kg≈1.015kg。
答案:
2.6×1024个 1.015kg
11.若U俘获一个中子裂变成Sr及Xe两种新核,且三种原子核的质量分别为235.0439u、89.9077u和135.9072u,中子质量为1.0087u(1u=1.6606×10-27kg,1u·c2相当于931.50MeV)
(1)写出铀核裂变的核反应方程;
(2)求9.2kg纯铀235完全裂变所释放的能量是多少?
(取两位有效数字)
解析:
(1)U+n―→Sr+Xe+10n。
(2)因为一个铀核裂变的质量亏损
Δm=(235.0439u+1.0087u)-(89.9077u+135.9072u+10×1.0087u)=0.1507u,
故9.2kg的铀裂变后总的质量亏损为
ΔM=6.02×1023×0.1507×9.2×103/235u
=3.55×1024u,
所以ΔE=ΔMc2=3.55×1024×931.50MeV
=3.3×1027MeV。
答案:
(1)U+n―→Sr+Xe+10n
(2)3.3×1027MeV