高二物理课件 19.6 《核裂变》 （人教选修3-5）

欢迎进入物理课堂 一 重核裂变和链式反应 1 裂变的发现 1938年底 德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼 在用中子轰击铀核的实验中发现了铀核的裂变 向核能的利用迈出了一步 2 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 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 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 一般说来 平均每个核子放出的能量约为1MeV 1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤燃烧时释放的能量 裂变时能产生几万度的高温 3 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 1 23592U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 23892U只有在俘获的中子的能量大于1MeV时才能发生核反应 且裂变的几率较小 对于能量低于1MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞 不能引起核反应 典例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 重核裂变为中等质量的核时 要发生质量亏损 放出核能 解题指导 解答本题应注意以下三点 标准解答 选D 核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损 是核能转化为其他形式能的过程 其能量远大于俘获中子时吸收的能量 A错 D对 链式反应发生是有条件的 铀块的体积必须大于其临界体积 否则 中子从铀块中穿过时 可能碰不到原子核 则不会发生链式反应 B错 重核裂变时 核子数守恒 C错 规律方法 重核裂变的放能实质重核的裂变是放能核反应 原因是核反应前后质量有亏损 根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小 所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量 而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量 变式训练 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 为了使裂变的链式反应容易发生 最好直接利用裂变时产生的中子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 能否发生链式反应与铀块的质量无关 解析 选C 要使铀核裂变产生链式反应 铀块的体积必须大于临界体积或铀块的质量大于临界质量 只要组成铀块的体积小于临界体积 或质量小于临界质量就不会产生链式反应 裂变反应中产生的中子为快中子 这些快中子不能直接引发新的裂变 如果铀块的质量大 则其体积大 若超过临界体积则发生链式反应 由此知A B D错误 C正确 变式备选 下列核反应中 表示核裂变的是 A 23892U23490Th 42HeB 146C147N 0 1eC 23592U 10n14156Ba 9236Kr 310nD 94Be 42He126C 10n 解析 选C 23892U23490Th 42He是 衰变 146C147N 0 1e是 衰变 94Be 42He126C 10n是人工转变 只有C选项是重核裂变 二 核电站 1 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 2 反应堆工作原理 1 在核电站中 核反应堆是热源 如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 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 3 核电站发电的优点 1 消耗的核燃料少 一座百万千瓦级的核电站 一年只消耗浓缩铀30t左右 而同样功率的火电站每年要消耗250万吨优质煤 2 作为核燃料的铀 钍等在地球上可采储量大 3 对环境的污染要比火力发电小 1 核电站不排放二氧化碳 氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体和烟尘 有利于环境保护 2 为防止放射性物质的泄漏 核电站一般有4道安全屏障 大大提高了核能利用的安全性 典例2 一个铀235原子俘获一个中子后 裂变为氙139和锶94 同时放出三个中子 写出核反应方程并算出一个铀核裂变时释放的核能 已知mU 235 04394u mXe 138 91844u mSr 93 91557u mn 1 008665u 1u相当于931 5MeV 解题指导 解答此题应把握以下三点 标准解答 核反应方程为23592U 10n13954Xe 9438Sr 310n该反应的质量亏损为 m mU mn mXe mSr 3mn 235 04394 1 008665 u 138 91844 93 91557 3 1 008665 u 0 1926u 所以 一个铀核裂变释放的核能为 E 0 1926 931 5MeV 179 4MeV 互动探究 1kg铀完全裂变可释放出的能量 相当于多少热值为2 93 107J kg的煤完全燃烧时放出的热量 解析 1kg铀中含有的铀核数为 2 562 1024 个 1kg铀完全裂变共释放的能量为E N E 2 562 1024 179 4MeV 4 60 1026MeV 相当于完全燃烧的煤的质量为 2 51 106kg 2510t 答案 2510t 典例 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 解题指导 解答本题的关键是弄清核反应堆的主要结构和各个部分的作用 标准解答 选A B D 铀棒是核燃料 裂变时可放出能量 故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D正确 一 选择题1 2010 上海高考 现已建成的核电站的能量来自于 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 重核在裂变时发生质量亏损 释放出大量的核能 目前建成的核电站一般都是利用重核的裂变 故C正确 A B D错误 2 2010 泰州高二检测 核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置 它的主要组成部分是 A 核燃料 慢化剂 冷却系统和控制调节系统B 核燃料 慢化剂 发热系统和传热系统C 核燃料 调速剂 碰撞系统和传热系统D 核燃料 中子源 原子能聚存和输送系统 解析 选A 核反应堆的主要部分包括 核燃料 即铀235 慢化剂 采用石墨 重水和普通水 控制棒 控制链式反应的速度 冷却系统 水或液态钠等流体在反应堆内外循环流动 把反应堆的热量传输出去用于发电 故A正确 B C D错 3 当一个重核裂变时 它所产生的两个核 A 含有的质子数较裂变前重核的质子数少B 含有的中子数较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 选B D 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 产物并不是惟一的 故C错误 D正确 4 关于裂变反应 下列说法中正确的是 A 用中子轰击铀核发生裂变 其一定分裂为质量差不多的两部分B 铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量C 铀核发生裂变时可能分裂成二 三或四部分D 所有重核元素用中子轰击均能发生裂变反应 解析 选B C 用中子轰击23592U和23994Pu 钚 等少数几种重核元素才能发生裂变反应 发生裂变的原子核可能分裂为二部分 三部分或四部分 但产生两部分的概率很大 由此知B C正确 5 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 依靠释放中子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 6 23592U吸收一个慢中子后 分裂成13654Xe和9038Sr 还放出 A 1个 粒子B 3个中子C 10个中子D 10个质子 解析 选C 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 由题意可得由此判断该核反应放出的一定是中子 且个数是10 故C正确 7 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 196MeVB 235NA 196MeVC 235 196MeVD 196MeV 解析 选D 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D正确 8 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23592U的裂变 现有四种说法 23592U原子核中有92个质子 143个中子 23592U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核 反应方程为23592U 10n13954Xe 9538Sr 210n 23592U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 一个23592U裂变能放出200MeV的能量 合3 2 10 11J 以上说法中完全正确的是 A B C D 解析 选D 由23592U的质量数和电荷数关系易知 正确 由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知 正确 半衰期不受外界因素干扰 故 错误 通过计算知 正确 故答案为D 二 非选择题9 每昼夜消耗220g铀235的核电站 如果效率为25 它生产的电功率为多大 每个铀核裂变时放出的能量是200MeV 解析 一昼夜消耗的铀所产生的核能 E 200 106 1 6 10 19 6 02 1023J 1 80 1013J 电功率 5 2 107W 答案 5 2 107W 10 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 释放出大量核能 1 核反应方程式23592U 10n14156Ba 9236Kr aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种 10n为中子 X为待求粒子 a为X的个数 则X为 a 以mU mBa mKr分别表示23592U 14156Ba 9236Kr的质量 mn mp分别表示中子 质子的质量 c为光在真空中传播的速度 则在上述核反应过程中放出的核能 E 2 有一座发电能力为P 1 00 106kW的核电站 核能转化为电能的效率 40 假定反应堆中发生的裂变反应全是本题 1 中的核反应 已知每次核反应过程中放出的核能 E 2 78 10 11J 铀核的质量mU 390 10 27kg 求每年 1年 3 15 107s 消耗的23592U的质量 解析 1 由反应方程可知 X为10n a为3 释放的能量为 E mU mBa mKr 2mn c2 2 因核电站发电效率为40 故核电站消耗235U的功率为P 2 5 106kW 核电站每年消耗235U的能量为W P t 2 5 109 3 15 107J 7 875 1016J产生这些能量消耗的铀核的数目 n 2 83 1027 个 每年消耗235U的质量为M nmU 2 83 1027 390 10 27kg 1104kg 答案 1 10n3 mU mBa mKr 2mn c2 2 1104kg 方法技巧 裂变中核能的计算方法 1 根据爱因斯坦的质能方程计算 用核子结合成原子核时质量亏损 m 的千克数乘以真空中光速 c 3 108m s 的平方 即 E mc2 2 根据1原子质量单位 u 相当于931 5兆电子伏 MeV 能量计算 用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931 5MeV 即 E m 931 5MeV 3 由核能的转化量计算核能 Thankyou 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全