2019-2020学年高中物理第十九章原子核6核裂变课件新人教版选修3 .ppt

6核裂变 一 核裂变1 核裂变重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核 并放出核能的过程 2 铀核裂变用中子轰击铀核时 铀核发生裂变 其产物是多种多样的 其中一 3 链式反应当一个中子引起一个重核裂变后 裂变释放的中子再引起其他重核裂变 且能不断继续下去 这种反应叫核裂变的链式反应 4 链式反应的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 二 核电站1 核能释放的控制通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆 2 慢化剂反应堆中 为了使裂变产生的快中子减速 在铀棒周围要放 慢化剂 常用的慢化剂有石墨 重水和普通水 3 控制棒为了控制反应速度 还需要在铀棒之间插进一些镉棒 它吸收中子的能力很强 反应过于激烈时 可将其插入深一些 多吸收一些中子 链式反应的速度就会慢一些 这种镉棒叫做控制棒 4 能量输出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 用于发电 5 核能发电的效益 1 一座百万千瓦级的核电站 每年只消耗30吨左右的浓缩铀 而同样功率的火电站 每年要烧煤250万吨 2 核电技术已经成熟 在经济效益方面也跟火力发电不相上下 3 作为核燃料的铀 钍等在地球上的可采储量所能提供的能量 比煤 石油等所提供的能量大15倍左右 核电对环境的污染比火电小 6 核污染的处理为阻止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放射性污染 在反应堆外面需要修建很厚的水泥层 用来屏蔽裂变产物放出的各种射线 核废料具有很强的放射性 需要装入特制容器 深埋地下 自我检测1 思考辨析 1 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去轰击铀核 解析 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 因此不能直接使用快中子 答案 2 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 解析 铀核受到中子的轰击 会引起裂变 裂变的产物是多种多样的 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 答案 3 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 解析 铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素 原子核的体积非常小 原子内部的空隙很大 如果铀块不够大 中子在铀块中通过时就有可能碰不到铀核跑到外面去 链式反应不能继续 通常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 相应的质量叫临界质量 答案 4 铀核裂变时能释放出多个中子 答案 5 控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的 解析 在铀块中插入一些镉棒 镉吸收中子的能力很强 当反应过于激烈时 将镉棒插入的深一些 让它多吸收一些中子 链式反应的速度就会减慢一些 答案 2 探究讨论 1 铀核裂变是如何发生的 铀核裂变在自然界中能自发进行吗 答案 a 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 b 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 同时放出中子 这些中子又引起其他铀核裂变 这样 裂变反应一代接一代继续下去 形成链式反应 重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中 在自然界中不会自发地发生 铀核裂变不会自发地进行 要使铀核裂变 首先要利用中子轰击铀核 使铀核分裂 分裂产生更多的中子 这些中子继续与其他铀核发生反应 再引起新的裂变 这样就形成了链式反应 2 对于核电站的核污染应该如何处理 答案 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 探究一 探究二 核裂变问题探究1 秦山核电站是我国自行设计 建造和运营管理的第一座30万千瓦压水堆核电站 地处浙江省海盐县 秦山核电站工程建设自1985年3月20日开工 1991年12月15日并网发电 1994年2月投入商业运营 1995年7月顺利通过国家验收 经过14年的安全稳定运行 秦山地区尚未发现因核电站运行引起的放射性污染 周围地区民众对秦山核电厂运行给予了良好的评价 秦山核电站的建成发电 结束了中国大陆无核电的历史 实现了零的突破 使我国成为继美 英 法 俄 加拿大 瑞典之后世界上第七个能够自行设计 建造核电站的国家 核能跟常规能源相比 具有哪些优势 要点提示 核原料提供的能量巨大 核原料的储量丰富 核原料的运输和储存方便 核电站具有清洁卫生 对环境的污染小 成本低 可采储量大的优点 探究一 探究二 2 上图为核裂变示意图 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 要点提示 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 探究二 知识归纳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 探究一 探究二 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 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 探究一 探究二 典例剖析 例题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 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 思考问题 链式反应的条件是什么 提示 1 铀块的体积大于临界体积或铀块的质量大于临界质量 2 有足够数量的慢中子 探究一 探究二 解析 根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知 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 其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 在裂变反应中核子数是不会减少的 质量亏损是远小于一个核子的质量的 因此选项A B C均错 重核裂变为中等质量的原子核时 由于核子平均质量小 会发生质量亏损 从而释放出核能 选项D正确 答案 D规律总结准确理解裂变的特点 1 重核受中子轰击后生成中等质量的核 2 裂变中一般产生2 3个中子 3 裂变时产生质量亏损放出能量 探究一 探究二 变式训练1 多选 当一个重核裂变时 它所产生的两个核 A 含有的质子数比裂变前重核的质子数少B 含有的中子数比裂变前重核的中子数少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出几个中子 质子数没有发生变化 而两个新核的中子数减少 A错误 B正确 反应前后质量发生了亏损而释放出能量 并不等于俘获中子的能量 在裂变反应中 产物并不是唯一的 故C错误 D正确 答案 BD 探究一 探究二 核电站问题探究1 16世纪初 麦哲伦完成了环球旅行 但损失惨重 5艘船舰只剩下一艘 265人只有18人生还 四个世纪后 美国的 美人鱼 号步麦哲伦后尘 也环绕地球一周 不过这次航行全部在水下进行 为什么核潜艇有如此强大的航海本领 要点提示 核潜艇是利用核反应堆作为动力装置 核反应堆和蒸汽发生器装在舰体的堆仓内 核反应堆靠裂变释放大量的能量 使冷却水达到较高的温度 在蒸汽发生器里产生蒸汽 驱动装在机舱内的蒸汽轮机推动核潜艇前进 由于反应堆运行不需要来自水面上的空气 所以核潜艇能够长时间在水下航行 探究一 探究二 2 下图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 探究一 探究二 要点提示 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 探究一 探究二 知识归纳1 核电站的主要组成核电站的核心设施是核反应堆 反应堆用的核燃料是铀235 它的主要部件列表如下 探究一 探究二 2 反应堆工作原理 1 在核电站中 核反应堆是热源 右图为简化的核反应堆示意图 铀棒是燃料 由天然铀或浓缩铀 铀235的含量占2 4 制成 石墨 重水 为慢化剂 使反应生成的快中子变为慢中子 便于铀235的吸收 发生裂变 慢化剂附在铀棒周围 探究一 探究二 2 镉棒的作用是吸收中子 控制反应速度 所以也叫控制棒 控制棒插入深一些 吸收中子多 反应速度变慢 插入浅一些 吸收中子少 反应速度加快 采用电子仪器自动调节控制棒的升降 就能使反应堆安全正常地工作 3 核反应释放的能量大部分转化为内能 这时通过水 液态钠等作冷却剂 在反应堆内外循环流动 把内能传输出去 用于推动蒸汽机 使发电机发电 发生裂变反应时 会产生一些有危险的放射性物质 很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面 探究一 探究二 3 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 探究一 探究二 典例剖析 例题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正确的是 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 探究一 探究二 思考问题 如何控制核反应堆链式反应的快慢 提示 镉控制棒可以吸收中子 因而可以控制核反应的快慢 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 即插入得深 吸收得多 反应将变慢 反之将加快 C正确 D错误 答案 BC 探究一 探究二 变式训练2 多选 某原子核反应堆由铀棒 镉棒 减速剂 冷却剂和水泥防护层等组成 关于它们的作用 下列说法中正确的是 A 铀棒是核反应堆的燃料B 镉棒是吸收中子的材料C 减速剂 如石墨 重水等 起减慢核反应的作用D 冷却剂把反应堆的热量传递出去 同时使反应堆冷却解析 由反应堆的结构和原理可知 铀棒是反应堆的燃料 镉棒是吸收中子的材料 故A B正确 减速剂能使快中子减速 而并不能减慢核反应的速度 故C错误 冷却剂的作用是将反应中的热量传递出去 同时使反应堆冷却 故D正确 答案 ABD 1 2 3 1 多选 关于铀核裂变 下列说法正确的是 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数目不等的中子C 为了使裂变的链式反应容易进行 最好用纯铀235D 铀块的体积对产生链式反应无影响解析 铀核受到中子的冲击 会引起裂变 裂变的产物是多种多样的 具有极大的偶然性 但裂变成两块的情况比较多 也有的分裂成多块 并放出数目不等的中子 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以上的中子时才能引起裂变 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B C正确 答案 BC 1 2 3 A M m1 m2 c2B M m m1 m2 c2C M m1 m2 9m c2D m1 m2 9m M c2解析 铀235裂变时的质量亏损 m M m m1 m2 10m M m1 m2 9m 由质能方程可得E mc2 M 9m m1 m2 c2 答案 C 1 2 3 mU 390 3139 10 27kg mn 1 6749 10 27kg mBa 234 0016 10 27kg mKr 152 6047 10 27kg 试写出核反应方程 求出反应中释放的核能 解析 根据反应前后质量数守恒 电荷数守恒就可以写出核反应方程 根据核反应前后的质量亏损 用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能 则核反应前后的质量亏损为 m mU mn mBa mKr 3mn 0 3578 10 27kg E mc2 0 3578 10 27 3 108 2J 3 2202 10 11J 1 2 3