高中物理 第4章 波與粒子 第2節(jié) 核裂變教師用書 魯科版選修3-5

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第2節(jié)　核裂變 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.知道核裂變的概念，知道重核裂變中能釋放出巨大的能量．(重點(diǎn)) 2.知道什么是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．(重點(diǎn)) 3.會(huì)計(jì)算重核裂變過程中釋放出的能量．(重點(diǎn)) 4.知道什么是核反應(yīng)堆．了解常用裂變反應(yīng)堆的類型．(難點(diǎn)) 重 核 的 裂 變 [先填空] 1．重核的裂變 (1)核裂變：用中子轟擊鈾核，鈾核分裂成質(zhì)量相近的兩部分，并釋放出能量的核反應(yīng)過程叫做核裂變． (2)裂變能：核裂變釋放出的能量稱為裂變能，也稱核能或原子能．核裂變是釋放核能的方法之一． (3)鈾核裂變的產(chǎn)物多種多樣，其中有代表性的有： n＋U→Sr＋Xe＋2n n＋U→Ba＋Kr＋3n. 2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng) (1)定義：在U核裂變釋放出巨大能量的同時(shí)，平均每次可以放出2～3個(gè)中子，這些中子稱為第1代中子，如果其中至少有一個(gè)繼續(xù)轟擊U，使之發(fā)生裂變，就能產(chǎn)生第2代中子，這樣不斷繼續(xù)下去，中子會(huì)不斷增加，裂變反應(yīng)就會(huì)不斷加強(qiáng)，就形成了裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積叫做臨界體積． (2)條件：發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)必須具備兩個(gè)條件：a.鈾核的體積達(dá)到臨界體積；b.必須存在持續(xù)不斷的中子源． [再判斷] 1．原子核釋放粒子的過程也是核裂變的過程．() 2．用中子轟擊重核使之分裂實(shí)現(xiàn)核裂變．(√) 3．利用不可控的快中子轟擊超過臨界體積的鈾塊產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)制成原子彈．(√) [后思考] 重核裂變反應(yīng)是否滿足電荷數(shù)守恒？是否滿足質(zhì)量數(shù)守恒？ 【提示】　重核裂變反應(yīng)屬于核反應(yīng)，滿足電荷數(shù)守恒，質(zhì)量數(shù)守恒． [核心點(diǎn)擊] 1．鈾核的裂變和裂變方程 (1)核子受激發(fā)：當(dāng)中子進(jìn)入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核，復(fù)核中由于核子的激烈運(yùn)動(dòng)，使核變成不規(guī)則的形狀． (2)核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時(shí)放出2或3個(gè)中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會(huì)不斷地進(jìn)行下去，釋放出越來越多的核能． (3)常見的裂變方程： ①U＋n―→Xe＋Sr＋2n. ②U＋n―→Ba＋Kr＋3n. 2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件 (1)有慢中子轟擊． (2)鈾塊的體積大于臨界體積，或鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量． 以上兩個(gè)條件滿足一個(gè)，則另一個(gè)條件自動(dòng)滿足． 3．裂變反應(yīng)的能量：鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量．一個(gè)鈾235核裂變時(shí)釋放的能量如果按200 MeV估算，1 kg鈾235全部裂變放出的能量相當(dāng)于2 800 t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的能量，裂變時(shí)能產(chǎn)生幾百萬度的高溫． 4．鈾的同位素中鈾235比鈾238更易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 在天然鈾中，主要有兩種同位素，99.3%的是鈾238，0.7%的是鈾235，中子能引起這兩種鈾核發(fā)生裂變，但它們和中子發(fā)生作用的情況不同． (1)鈾235：俘獲各種能量的中子都會(huì)發(fā)生裂變，且俘獲低能量的中子發(fā)生裂變的概率大． (2)鈾238：只有俘獲能量大于1 MeV的中子才能發(fā)生裂變，且裂變的幾率?。芰康陀? MeV的中子只與鈾核發(fā)生彈性碰撞，不引起裂變．因此，為了使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好利用純鈾235. 1．關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是(　　) A．核裂變釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時(shí)得到的能量 B．鈾核裂變?cè)谧匀唤缰袝?huì)自發(fā)地產(chǎn)生 C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少 D．由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時(shí)，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能 E．美國(guó)扔在廣島的第一顆原子彈‘小男孩’是用鈾235制成的，之所以不用鈾238，是因其不易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 【解析】　根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變釋放能量的原理分析可知，裂變時(shí)因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程，因而釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時(shí)吸收的能量；重核裂變只能發(fā)生在人為核反應(yīng)中；在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會(huì)減少的，因此A正確，B、C錯(cuò)誤．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)，由于平均質(zhì)量減小，必然發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能，所以D正確，鈾235比鈾238易于發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，可以短時(shí)間內(nèi)放出巨大的核能，因此用鈾235制作原子彈而不用鈾238，故E正確． 【答案】　ADE 2．1938年哈恩用中子轟擊鈾核，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中有原子核鋇(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射線．下列關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)的說法中正確的是(　　) A．這個(gè)實(shí)驗(yàn)的核反應(yīng)方程是U＋n―→Ba＋Kr＋3n B．這是一個(gè)核裂變過程，反應(yīng)后粒子質(zhì)量之和大于反應(yīng)前粒子質(zhì)量之和 C．這個(gè)反應(yīng)中釋放出的能量可以用愛因斯坦的光電效應(yīng)方程來計(jì)算 D．實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的γ射線穿透能力極強(qiáng) E．這個(gè)反應(yīng)中釋放出的能量可以用愛因斯坦的質(zhì)能方程來計(jì)算 【解析】　根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，鈾核裂變的核反應(yīng)方程應(yīng)為：U＋n―→Ba＋Kr＋3n，選項(xiàng)A正確；鈾核裂變過程中產(chǎn)生γ射線，放出能量，發(fā)生質(zhì)量虧損，釋放的能量根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程計(jì)算，選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤，E正確；核反應(yīng)中產(chǎn)生的γ射線，穿透能力極強(qiáng)，是能量極高的光子，選項(xiàng)D正確． 【答案】　ADE 3．現(xiàn)有的核電站比較廣泛采用的核反應(yīng)之一是：U＋n→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ν (1)核反應(yīng)方程中的ν是中微子，它不帶電，質(zhì)量數(shù)為零．試確定生成物鋯(Zr)的電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù)； (2)已知鈾(U)核的質(zhì)量為235.049 3 u，中子質(zhì)量為1.008 7 u，釹(Nd)核質(zhì)量為142.909 8 u，鋯核質(zhì)量為89.904 7 u．又知1 u＝1.660 610－27 kg，試計(jì)算，1 kg鈾235大約能產(chǎn)生的能量是多少？ 【解析】　(1)根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，可得 Zr的電荷數(shù)Z＝92－60＋8＝40 質(zhì)量數(shù)A＝236－143－31＝90. (2)方法一：質(zhì)量虧損 Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.217 4 u. 一個(gè)鈾核裂變釋放能量 ΔE＝Δm931.5 MeV ＝0.217 4931.5 MeV≈202.5 MeV 1 kg鈾核含有的原子核數(shù)為 n＝6.021023個(gè)≈2.5621024個(gè) 1 kg鈾核產(chǎn)生的能量 E總＝nΔE＝2.562202.51024MeV ≈5.21026MeV＝5.210261061.610－19 J ≈8.31013 J. 方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn) ＝0.217 4 u＝0.217 41.660 610－27 kg ≈3.610－28 kg ΔE＝Δmc2＝3.610－28(3108)2 J＝3.2410－11 J n＝6.021023個(gè)≈2.5621024個(gè) E總＝nΔE＝2.56210243.2410－11 J≈8.31013 J. 【答案】　(1)40　90　(2)8.31013 J 重核裂變核能計(jì)算的方法 解答這類問題，一般是先根據(jù)核反應(yīng)方程求出一個(gè)重核裂變時(shí)發(fā)生的質(zhì)量虧損，由質(zhì)能方程計(jì)算出釋放的能量，然后用阿伏加德羅常數(shù)把核能與重核質(zhì)量聯(lián)系起來；另外，在計(jì)算過程中要注意單位的統(tǒng)一． 　裂 變 反 應(yīng) 堆 [先填空] 1．核反應(yīng)堆：能維持和控制核裂變的裝置． 2．核反應(yīng)堆的構(gòu)成：堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和防護(hù)層等部分． (1)堆芯：由燃料棒、減速劑和冷卻劑組成． (2)中子反射層：反射核裂變中產(chǎn)生的中子，使其進(jìn)一步參加鏈?zhǔn)椒磻?yīng)． (3)控制棒：用能吸收慢中子的鎘或硼鋼制成，以控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度． [再判斷] 1．核反應(yīng)堆可以人工控制核反應(yīng)速度．(√) 2．減速劑的作用使快中子減速變成慢中子．(√) 3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)一旦形成無法進(jìn)行人工控制．() [后思考] 核反應(yīng)堆中的防護(hù)層的構(gòu)造和作用是什么？ 【提示】　核反應(yīng)堆中的防護(hù)層一般由金屬套、防止中子外逸的水層以及1 m～2 m厚的鋼筋混凝土構(gòu)成，可以有效地防止射線對(duì)人體及其他生命的侵害． [核心點(diǎn)擊] 1．核反應(yīng)堆的組成 核反應(yīng)堆由堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和防護(hù)層等部分組成．其中控制棒用能吸收慢中子的鎘或硼鋼制成，以控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度．之所以把它叫做“堆”，是因?yàn)槭澜缟系谝粋€(gè)核反應(yīng)堆是用石墨塊(用以控制反應(yīng)速度)和金屬鈾塊(反應(yīng)燃料)一層一層交替地“堆”起來而構(gòu)成的． 2．核反應(yīng)堆與原子彈爆炸的比較 原子彈爆炸時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度是無法控制的，為了用人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使核能比較平緩地釋放出來，人們制成了核反應(yīng)堆(核電站的核心設(shè)施)．核反應(yīng)堆是人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置． 3．核電站發(fā)電的主要原理 核燃料裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高．水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去．反應(yīng)堆放出的熱使水變成水蒸氣，這些高溫高壓的蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電．這一部分的工作原理和火力發(fā)電相同． 4．關(guān)于核反應(yīng)堆中用鎘棒控制反應(yīng)速度的原理，下列說法不正確的是(　　) A．鎘棒能釋放中子，依靠釋放的多少控制反應(yīng)速度 B．用鎘棒插入的多少控制快中子變?yōu)槁凶拥臄?shù)量 C．利用鎘棒對(duì)中子吸收能力強(qiáng)的特點(diǎn)，依靠插入的多少控制中子數(shù)量 D．鎘棒對(duì)鈾核裂變有一種阻礙作用，利用其與鈾的接觸面積的大小控制反應(yīng)速度 E．鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒 【解析】　鎘棒不是離子源不會(huì)釋放中子，A錯(cuò)誤，也不是減速劑，不能使快中子變?yōu)槁凶?，B、D錯(cuò)誤，鎘棒對(duì)中子有吸收作用，通過中子強(qiáng)度檢測(cè)器檢測(cè)，當(dāng)反應(yīng)太強(qiáng)，鎘棒能自動(dòng)插入，多吸收中子，反之，自動(dòng)抽出，少吸收中子，故鎘棒也叫控制棒，C、E正確． 【答案】　ABD 5．關(guān)于原子核反應(yīng)堆，下面哪種說法是正確的(　　) A．鎘棒是核燃料，裂變時(shí)釋放核能 B．鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率 C．石墨的作用是吸收中子 D．冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱量 E．石墨為慢化劑，使反應(yīng)生成的快中子減速為慢中子以利于被鈾235吸收，發(fā)生裂變 【解析】　核燃料即為用濃縮鈾制成的鈾棒，鈾棒裂變時(shí)釋放核能；鎘棒具有很強(qiáng)的吸收慢中子的能力，通過控制鎘棒插入的深度來控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，即可控制反應(yīng)堆的功率；石墨的作用是使裂變產(chǎn)生的快中子減速成為慢中子；冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱量．則B、D、E正確，A、C錯(cuò)誤． 【答案】　BDE