物理选修36 核裂变学案设计

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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，其中一种典型的反应是eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n.
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外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)铀核的裂变是一种天然放射现象．(×)
(2)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．(√)
(3)铀核裂变时能释放出多个中子．(√)
(4)控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的．(√)
(5)核电废料难以处理，对环境的污染比火电大．(×)
2．(多选)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，但核子数不变
D．重核裂变为中等质量的核时，放出核能
[解析] 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错误，D正确；发生链式反应是有条件的，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错误；重核裂变时，核子数守恒，C正确．
[答案] CD
3．(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．铀棒的作用是控制反应堆的功率
D．石墨的作用是吸收中子
[解析] 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，C错误；慢中子最容易引发铀核裂变，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D错误．
[答案] AB
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：
①eq \\al(1,0)n＋eq \\al(235, 92)U→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
②eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(90,38)Sr＋eq \\al(136, 54)Xe＋10eq \\al(1,0)n
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。
【例1】 (多选)2017年11月17日，“中国核潜艇之父”——黄旭华获评全国道德模范，颁奖典礼上，习总书记为他“让座”的场景感人肺腑，下列有关核反应的说法错误的是( )
A．目前核潜艇是利用重核裂变提供动力
B．重核裂变反应前后一定有质量亏损
C．eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(140, 54)U＋eq \\al(94,38)Sr＋deq \\al(1,0)n式中d＝1
D．铀核裂变后的新核比铀核的比结合能小
[解析] 目前核潜艇是利用重核裂变提供动力，选项A正确；重核裂变要释放核能，则反应前后一定有质量亏损，选项B正确；根据质量数和电荷数守恒可知，该核反应中的d＝2，选项C错误；铀核不如裂变后生成的新核稳定，可知铀核的比结合能比裂变后生成的新核的比结合能小，选项D错误．
[答案] CD
对重核裂变的两点理解
(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程．
(2)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．
1．下列核反应中，表示核裂变的是( )
A．eq \\al(238, 92)U→eq \\al(234, 90)Th＋eq \\al(4,2)He
B．eq \\al(14, 6)C→eq \\al(14, 7)N＋eq \\al( 0,－1)e
C．eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
D．eq \\al(9,4)Be＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(12, 6)C＋eq \\al(1,0)n
[解析] eq \\al(238, 92)U→eq \\al(234, 90)Th＋eq \\al(4,2)He是α衰变，eq \\al(14, 6)C→eq \\al(14, 7)N＋eq \\al( 0,－1)e是β衰变，eq \\al(9,4)Be＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(12, 6)C＋eq \\al(1,0)n是人工转变，只有选项C是重核裂变．
[答案] C
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：
2.反应堆工作原理
(1)热源：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、重水或普通水为慢化剂，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．
反应堆示意图
(2)控制棒：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插入深度，就能控制核反应的剧烈程度．
(3)冷却剂：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．
(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．
【例2】 每昼夜消耗220 g铀235的原子能发电站，如果效率为25%，它能产生的电功率为多大？(每个铀核裂变时放出的能量是200 MeV)
[解析] 一昼夜消耗的铀所能产生的核能为：
ΔE＝200×eq \f(220,235)×6.02×1023×106×1.6×10－19 J＝1.8×1013 J
电功率P＝ηeq \f(ΔE,t)＝eq \f(1.80×1013×25%,24×3600) W＝5.2×107 W.
[答案] 5.2×107 W
2．在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是( )
A．使用浓缩铀
B．改变铀块的临界体积
C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制反应速度
D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
[解析] 利用控制系统吸收慢中子，控制链式反应的速度，C选项正确．
[答案] C
1．(多选)当一个重核裂变时，它能产生的两个核( )
A．一定是稳定的
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．可以是多种形式的两个核的组合
[解析] 重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出2个或3个中子，裂变释放的能量比俘获中子的能量大，C错误；质子数不变，中子数会减少，故B正确；重核裂变的产物是多种多样的，故A错误，D正确．
[答案] BD
2．在下列四个方程中，X1、X2、X3、X4各代表某种粒子，判断正确的是( )
①eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(95,38)Sr＋eq \\al(138, 54)Xe＋3X1
②eq \\al(2,1)H＋X2→eq \\al(3,2)He＋eq \\al(1,0)n
③eq \\al(238, 92)U→eq \\al(234, 90)Th＋X3
④eq \\al(24,12)Mg＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(27,13)Al＋X4
A．X1是中子 B．X2是质子
C．X3是氘核D．X4是氚核
[解析] 根据电荷数和质量数守恒可得X1的电荷数为0，质量数为1，因此确定X1为中子，A对；根据电荷数和质量数守恒可得X2的电荷数为1，质量数为2，因此确定X2为氘核，B错；根据电荷数和质量数守恒可得X3的电荷数为2，质量数为4，因此确定X3为α粒子，C错；根据电荷数和质量数守恒可得X4的电荷数为1，质量数为1，因此确定X4为质子，D错．
[答案] A
3．(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2～3个中子
C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用铀235而不用铀238
D．铀块的体积对产生链式反应无影响
[解析] 铀核受到中子的轰击，会引起裂变，放出2～3个中子，裂变的产物是多样的，具有极大的偶然性，只是裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，A错误，B正确；铀235受慢中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小，C正确；而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故D错误．
[答案] BC
4．(多选)用中子(eq \\al(1,0)n)轰击铀核(eq \\al(235, 92)U)发生裂变反应，会产生钡核(eq \\al(141, 56)Ba)和氪(eq \\al(92,36)Kr)并释放中子(eq \\al(1,0)n)，当达到某些条件时可发生链式反应，一个铀核(eq \\al(235, 92)U)裂变时，释放的能量约为200 MeV(1 eV＝1.6×10－19J)．以下说法正确的是( )
A．eq \\al(235, 92)U的裂变方程为eq \\al(235, 92)U→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋eq \\al(1,0)n
B．eq \\al(235, 92)U的裂变方程为eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
C．eq \\al(235, 92)U发生链式反应的条件与铀块的体积有关
D．一个eq \\al(235, 92)U裂变时，质量亏损约为3.6×10－28 kg
[解析] eq \\al(235, 92)U的裂变方程为eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n，故A错误，B正确；当铀块体积大于临界体积时链式反应才会发生，C正确；1 u＝1.66×10－27 kg，又1 u相当于931.56 MeV，则200 MeV相当于0.214 7 u，故质量亏损约为3.6×10－28 kg，故D正确．
[答案] BCD
对核裂变和链式反应的分析
核电站
部件名称
慢化剂
控制棒
热循环介质
保护层
采用的材料
石墨、重水或普通水(也叫轻水)
镉
水或液态钠
很厚的水泥外壳
作用
降低中子速度，便于铀235吸收
吸收中子，控制反应
速度
把反应堆内的热量传输出去
屏蔽射线，防止放射性污染
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.核裂变：重核分裂为质量较小的核，释放出核能的反应．
2．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．
3．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.