全国通用版高中物理第十九章原子核第六节核裂变学案新人教版.docx
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全国通用版高中物理第十九章原子核第六节核裂变学案新人教版
教学课件
第六节 核裂变
学习目标
※
知道什么是裂变
※
了解铀核的裂变特点
※
知道重核裂变能放出能量，知道链式反应
※
了解核电站的工作原理
知识导图
知识点1 重核的裂变
1．定义
使重核分裂成__中等质量__的原子核的核反应叫重核的裂变。
2．核反应类型
重核的裂变只发生在__人为控制__的核反应中，自然界不会自发的产生。
3．一种典型的铀核裂变
U＋n―→Ba＋Kr＋__3n__。
知识点2 链式反应
1．定义
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链式反应。
2．条件
发生裂变物质的体积大于__临界体积__或裂变物质的质量大于__临界质量__。
知识点3 核电站
1．核电站的工作原理
核电站的核心是__核反应堆__，其简化示意图如图所示。
各部分作用如下：
（1）核燃料：
反应堆使用浓缩铀（铀235占3%～4%）制成__铀棒__作为核燃料，释放__核能__。
（2）减速剂：
用__石墨、重水和普通水__，使裂变中产生的中子减速，以便被铀235吸收。
（3）控制棒：
由吸收中子能力很强的__镉__制成，用以控制__反应速度__。
（4）水泥防护层：
反应堆外层是很厚的__水泥壁__，可防止射线辐射出去。
（5）热交换器：
靠__水__和__液态金属钠__在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去。
2．核电站与火电站相比有何优缺点
（1）优点：
①核电站消耗的燃料__很少__。
②作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量__很大__。
③火电站烧煤要放出很多污染物，而核电站放出的污染物要__少得多__。
（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
解析：
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：
―→―→
解析：
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
解析：
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
S 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？
提示：
（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。
G
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。
D
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
解题指导：
深入理解核反应堆的工作原理，是处理该类问题的关键。
解析：
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
解析：
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？
解析：
（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
答案：
（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
解析：
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__。
解析：
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2×1
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