1、6 核裂变核裂变 学科素养与目标要求 物理观念：1.知道什么是裂变.2.知道链式反应及链式反应的条件 科学思维：1.会利用质量亏损计算裂变产生的核能.2.了解核反应的工作原理，知道如何控制 核反应的速度 科学态度与责任：了解如何防止核污染 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235 92U 1 0n 144 56Ba 89 36Kr3 1 0n. 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
2、变的链式反应 4链式反应的条件 (1)铀块的体积大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量 (2)有足够数量的慢中子 二、核电站 1核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成： (1)燃料：铀棒 (2)慢化剂：石墨、重水和普通水(也叫轻水) (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， 当反应过于激烈时， 将镉棒插入深一些， 让它多吸收一些中子， 链式反应的速度就会慢一些， 这种镉棒叫做控制棒 2工作原理 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物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
3、 3核污染的处理 在反应堆的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，需要装入特制的容器，深埋地下 1判断下列说法的正误 (1)铀核的裂变是一种天然放射现象( ) (2)铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能不停地进行下去( ) (3)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变( ) (4)铀核裂变的产物是钡和氪，且固定不变( ) (5)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度( ) (6)核反应堆用过的核废料无毒无害( ) 2 下面是铀核裂变反应中的一个： 235 92U 1 0n 136 54Xe 90 38Sr10 1 0n.已知铀 235 的质量为
4、 235.043 9 u，中子质量为 1.008 7 u，氙 136 的质量为 135.907 2 u，锶 90 的质量为 89.907 7 u，则此核 反应中释放的总能量是多少？(1 u 相当于 931.5 MeV 的能量) 答案 140.4 MeV 解析 释放的总能量为 E(235.043 91.008 7135.907 289.907 7101.008 7) 931.5 MeV140.4 MeV. 一、核裂变及链式反应 如图为铀核裂变示意图 (1)铀核裂变是如何发生的？试写出一种铀核裂变的核反应方程 (2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？ 答案 (1)当中子进入铀235后， 便形
5、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 235 92U 1 0n 144 56Ba 89 36Kr3 1 0n (2)只有铀块体积大于或等于临界体积才能发生链式反应 1常见的裂变方程 (1)235 92U 1 0n 139 54Xe 95 38Sr2 1 0n (2)235 92U 1 0n 144 56Ba 89 36Kr3 1 0n 2链式反应发生的条件 (1)铀块的体积大于或等于临界
6、体积 (2)有足够浓度的铀 235. (3)有足够数量的慢中子 3铀的同位素中铀 235 比铀 238 更易发生链式反应 例 1 (2019 临川一中质检)1938 年德国化学家、 物理学家哈恩等发现用中子轰击铀核的产物 中含有中等质量的原子核钡和氪， 这种现象称为核裂变， 其反应方程为235 92U 1 0n 141 56Ba 92 36Kr 3X.下列说法正确的是( ) A核反应方程中 X 为质子 B核反应方程中 X 为电子 C由核反应方程可得钡核的比结合能比铀核的比结合能大 D此核反应能自动延续下去，故铀块的体积对于维持核反应是无关紧要的 答案 C 解析 根据核反应中质量数守恒和电荷数守
7、恒， 可得核反应方程中 X 为中子10n， A、 B 错误； 根据原子核的比结合能曲线可知，钡核的比结合能比铀核的比结合能大，C 正确；如果铀块 的体积小于临界体积，此核反应不能自动延续下去，所以铀块的体积对于维持核反应是很重 要的，D 错误 针对训练 核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，235 92U 是核电站常用的核燃 料.235 92U 受一个中子轰击后裂变成 144 56Ba 和 89 36Kr 两部分，并产生_个中子要使链式反 应发生，裂变物质的体积要_(选填“大于”或“小于”)它的临界体积 答案 3 大于 解析 由质量数和电荷数守恒可知，裂变的核反应方程为235 92U
8、 1 0n 144 56Ba 89 36Kr3 1 0n，可见 产生了 3 个中子；链式反应的一个条件是裂变物质的体积必须大于或等于它的临界体积 二、核电站的主要部件和工作原理 如图所示为核反应堆示意图： (1)核反应堆中各部件的作用是什么？ (2)核电站发电有什么优点？ 答案 (1)镉棒：吸收中子，控制反应速度 慢化剂：通常采用石墨、重水和普通水作用是降低中子速度，便于铀 235 吸收 铀棒：发生链式反应，产生能量 保护层：是很厚的水泥外壳，屏蔽射线，防止放射性污染 (2)核电站发电的优点 消耗的核燃料少 作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量所能提供的能量大 对环境的污染要比火力发电小 1核
9、电站的主要部件及作用 组成部分 材料 作用 裂变材料(核燃料) 浓缩铀 提供核燃料 减速剂(慢化剂) 石墨、 重水或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速 控制棒 镉或硼 吸收减速后的中子，控制反应速度 热交换器 水或液态的金属钠 传输热量 防护层 金属套、钢筋混凝土 防止射线泄露，对人体及其他生物 体造成伤害 2.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 30 t 左右，而同样功率的 火电站每年要消耗煤 250 万吨 (2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量所能提供的能量大 (3)对环境的污染要比火力发电小 例 2 (多选)关于核反应堆，下列说法
10、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传输热量 答案 ABD 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；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；冷却剂在反应堆 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 三、重核裂变中核能的计算 重核裂变中核能的计算，与前面介绍的核能的计算方法基本相同
11、1根据爱因斯坦质能方程计算，Emc2. 2根据原子质量单位计算，1 u 相当于 931.5 MeV 的能量，Em(u)931.5 MeV. 3根据能量守恒定律计算 例 3 铀核裂变的许多核反应中的其中一个是235 92U 1 0n 141 56Ba 92 36Kr3 1 0n. (1)试计算一个铀 235 原子核裂变后释放的能量(235 92U、 141 56Ba、 92 36Kr、 1 0n 的质量分别为 235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u,1 u 相当于 931.5 MeV)； (2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？
12、这相当于完全燃烧多少煤释放的能量？ (煤的热值为 2.94107 J/kg) 答案 (1)200.6 MeV (2)5.141026MeV 相当于完全燃烧 2 797.3 t 煤 解析 (1)裂变反应的质量亏损为 m(235.043 91.008 7140.913 991.897 331.008 7) u0.215 3 u一个铀 235 原子 核裂变后释放的能量为 Emc20.215 3931.5 MeV200.6 MeV. (2)1 kg 铀 235 原子核中含原子核的个数为 N10 3 2356.0210 232.561024个， 1 kg 铀 235 原子核发生裂变时释放的总能量 ENN
13、E2.561024200.6 MeV5.141026 MeV. 设完全燃烧的煤的质量为 m， 有 ENqm， 所以 mEN q 5.1410 261061.61019 2.94107 kg2 797.3 t 1计算核电站向外输送的能量需要多少核燃料的思路是： (1)计算一个核反应释放的核能(或已知)E； (2)计算需要输送的能量 E； (3)由公式 m E E M NA计算出需要的核燃料质量 m. 2若计算相当于多少煤时，要注意单位的统一，一般用焦耳(J)作为能量的单位 1 (核裂变及链式反应)(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源， 其中的一种裂变反应为235 92U 10n144 56Ba
14、 89 36Kr3 1 0n，下列说法正确的有( ) 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 答案 AC 解析 从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，A 对；铀块体积对链式反应 的发生有影响，B 错；铀核的链式反应可人工控制，C 对；铀核的半衰期不会受到环境温度 的影响，D 错 2(核裂变反应方程的认识)铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应： 235 92U 1 0nab2 1 0n，则 ab 可能是( ) A.140 54Xe 93 36Kr B.141 56Ba 92 3
15、6Kr C.141 56Ba 93 38Sr D.140 54Xe 94 38Sr 答案 D 解析 根据核反应中的质量数和电荷数守恒可知，a 和 b 的总质量数应为 23512234， 总质子数应为 92，A 项中质量数为 14093233，B 项中质量数是 14192233，C 项中 质量数为 14193234，质子数为 563894，D 项中质量数为 14094234，质子数为 543892.综上可知，答案为 D. 3(核电站与核反应堆)秦山核电站第三期工程的两个 6105 kW 发电机组已实现并网发电， 发电站的核能来源于235 92U 的裂变，下列说法正确的是( ) A反应堆中核反应速
16、度通常是采用调节235 92U 的体积来控制的 B.235 92U 的一种裂变可能是 235 92U 1 0n 139 54Xe 95 38Sr2 1 0n C.235 92U 是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短 D虽然核电站能提供很大的能量，但它对环境的污染比火电站严重 答案 B 解析 反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子来控制， A 错； 235 92U 裂变有多种可能性， 这是其中常见的一种，B 对；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温度、压强等外界 条件无关，C 错；核电对环境的污染比火电小，D 错 4(核能的计算)用中子轰击铀核(235 92U)，其中的一个可能反
17、应是分裂成钡( 141 56Ba)和氪( 92 36Kr) 两部分，放出 3 个中子各核和中子的质量如下： mU390.313 910 27 kg，m n1.674 910 27 kg； mBa234.001 610 27 kg，m Kr152.604 710 27 kg. 试写出核反应方程并求出反应中释放的核能 答案 1 0n 235 92U 141 56Ba 92 36Kr3 1 0n 3.220 210 11 J 解析 铀核裂变方程为10n235 92U 141 56Ba 92 36Kr3 1 0n， 则核反应前后的质量亏损为 mmUmnmBamKr3mn3.57810 28 kg， 由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为Emc23.57810 28(3108)2 J3.220 21011 J.