学年新设计高中物理人教课改地区专用版选修35讲义主题三 33 原子核336Word版含答案.docx

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学年新设计高中物理人教课改地区专用版选修35讲义主题三33原子核336Word版含答案

3.3.6　核裂变

学习目标

核心提炼

1.知道重核的裂变反应。

2.知道链式反应的产生条件。

3.了解裂变反应堆的工作原理，了解常用裂变反应堆的类型。

4.知道核电站的工作模式。

1个概念——核裂变

1个条件——链式反应条件

一、核裂变及链式反应

1.核裂变：

重核被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反应。

2.铀核裂变：

用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多样的，其中一种典型的裂变是U＋n―→Ba＋Kr＋3n。

3.链式反应：

由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫核裂变的链式反应。

4.临界体积和临界质量：

把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。

5.核裂变的能量：

1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2__800__t标准煤完全燃烧时释放的化学能。

思考判断

（1）铀核裂变的产物是固定的，就是生成钡和氪，同时放出3个中子。

（　　）

（2）裂变中放出的中子数目是固定的3个中子。

（　　）

（3）只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）√

二、核电站

1.核电站：

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、重水或普通水做慢化剂。

（3）控制棒：

为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。

镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度会慢一些，这种镉棒叫做控制棒。

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。

同时也使反应堆冷却。

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。

思考判断

（1）在核反应中，中子的速度越大越容易击中铀核。

（　　）

（2）核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。

（　　）

（3）核反应堆用过的核废料无毒无害。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）×

　重核裂变与其释放核能的计算

[要点归纳]

1.常见的裂变方程

（1）U＋n―→Xe＋Sr＋2n

（2）U＋n―→Ba＋Kr＋3n

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更容易发生链式反应。

[精典示例]

[例1]（多选）关于重核裂变的说法正确的是（　　）

A.重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多

B.只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应

C.为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子

D.裂变过程中释放能量，质量亏损

审题指导　解答本题时应注意以下三点：

（1）原子核裂变时释放能量。

（2）链式反应的条件。

（3）核反应遵循的规律。

解析　重核裂变为两个中等质量的核时，会产生两到三个中子，因而分裂后的中子数减小，选项A正确；链式反应的发生是有条件的，铀块的体积必须大于其发生链式反应的临界体积，链式反应一旦发生，中子轰击铀核裂变产生的中子再次引起其他铀核的裂变，且能不断继续下去，选项B、C错；重核裂变时质量发生亏损，总能量减小，减小的能量对外释放，选项D正确。

答案　AD

[针对训练1]铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是（　　）

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　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，故选项A、D错误，C正确；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，故选项B错误。

答案　C

　核电站

[要点归纳]

1.核电站的主要部件及作用如下表

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。

[精典示例]

[例2]如图1是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法正确的是（　　）

图1

A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应

B.快中子跟慢化剂的原子核碰撞后的能量减少，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

解析　快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟慢化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B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉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，选项C、D都错误。

答案　B

[针对训练2]（多选）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　铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故选项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，故选项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，故选项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，故选项D正确。

答案　ABD

1.（多选）铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应为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　从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，选项A正确；铀块体积对链式反应的发生有影响，选项B错误；铀核的链式反应可人工控制，选项C正确；铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，选项D错误。

答案　AC

2.为使链式反应平稳进行，可采用下列办法中的（　　）

A.铀块可制成任何的体积

B.铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核

C.通过慢化剂将产生的中子减速

D.用镉棒作为慢化剂使中子减速

解析　使铀块发生链式反应的体积应大于等于临界体积，故选项A错误；铀核裂变释放出的为快中子，不能直接去轰击另外的铀核，必须用慢化剂减速，而镉棒是用于控制中子数量的，故选项C正确，B、D错误。

答案　C

3.镉棒在核反应堆中的作用是（　　）

A.使快中子变慢中子

B.使慢中子变快中子

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　在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，镉棒起吸收中子、控制反应速度、调节功率大小的作用。

答案　D

4.如图2是核反应堆的示意图，对于核反应堆的认识，下列说法正确的是（　　）

图2

A.铀棒是核燃料，核心物质是铀238

B.石墨起到吸收中子的作用

C.镉棒起到使中子减速的作用

D.水泥防护层的作用是为了阻隔γ射线，避免放射危害

解析　铀棒是核燃料，核心物质是铀235，选项A错误；在核反应堆中用石墨做慢化剂使中子减速，选项B、C错误；水泥防护层的作用是了阻隔γ射线，避免放射性危害，选项D正确。

答案　D

5.裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核U为燃料的反应堆中，当U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：

U＋n→Xe＋Sr＋3n。

已知U的原子质量为235.0439u，n的原子质量为1.0087u，Xe的原子质量为138.9178u，Sr的原子质量为93.9154u，且1u的质量对应的能量为9.3×102MeV，此裂变反应释放出的能量是________MeV。

解析　ΔE＝Δm·c2＝（235.0439＋1.0087－138.9178－93.9154－3×1.0087）×9.3×102MeV＝1.8×102MeV。

答案　1.8×102

1.链式反应中，重核裂变时放出的可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　在重核的裂变中，铀235需要吸收一个慢中子后才可以发生裂变，所以重核裂变时放出的可使裂变反应不断进行下去的粒子是中子。

答案　B

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，我们将新建核电站项目。

目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是（　　）

A.U＋n―→Sr＋Xe＋10nB.Na―→Mg＋e

C.N＋He―→O＋HD.U―→Th＋He

解析　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，选项A正确；B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变。

答案　A

3.在众多的裂变反应中，有一种反应方程为U＋n―→Ba＋Kr＋aX，其中X为某种粒子，a为X的个数，则（　　）

A.X为中子，a＝2B.X为中子，a＝3

C.X为质子，a＝2D.X为质子，a＝3

解析　根据核电荷数守恒可知，X的电荷数为0，X必为中子n，由质量数守恒可知，a＝3，选项B正确。

答案　B

4.92U吸收一个慢中子后，分裂成54Xe和Sr，还放出（　　）

A.1个α粒子B.3个中子

C.10个中子D.10个质子

解析　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，选项C正确。

答案　C

5.一个铀235吸收一个中子发生核反应时大约放出196MeV的能量，则1g纯U完全发生核反应时放出的能量为（NA为阿伏加德罗常数）（　　）

A.NA×196MeVB.235NA×196MeV

C.235×196MeVD.×196MeV

解析　由于1mol的铀核质量为235g，1g铀235的摩尔数为，因此1g铀235释放的能量E＝×196MeV，故选项D正确。

答案　D

6.1938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正确的是（　　）

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

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