物理选修3-5人教新课标19.6重核的裂变学案

选修3-5 第十九章 原子核 19.6重核裂变

【教学目标】

1．知道重核的裂变和链式反应。 2．会计算核裂变释放的能量。

3．知道什么是核反应堆，了解核电站及核能的优缺点。 重点：重核的裂变和链式反应。 难点：计算核裂变释放的能量。 【自主预习】

1.铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应称为原子核的____。

2．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，叫做核裂变的______。

3．铀块的________是链式反应能否进行的重要因素，通常把裂变物质能够发生链式反应的________体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做________。

4．在核电站中，常用的慢化剂有________、________和普通水(也叫轻水)；为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，这种镉棒叫做________。 5.核裂变 (1)核裂变

重核在其他粒子的轰击下分裂成中等质量大小的原子核并放出能量的变化叫做核裂变。

铀核裂变的产物是多样的，一种典型的铀核裂变产物是钡和氪，同时释放出3个中子，

其核反应方程是 92U＋0n→ 56Ba＋36Kr＋30n

(2)链式反应

①重核裂变时产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫做链式反应。 ②临界体积：能发生链式反应的最小体积叫做临界体积，相应的质量叫做临界质量。

(3)裂变产生的能量

铀核裂变产物不同，释放的能量也有差异。一个铀核裂变释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀全部裂变放出的能量相当于2 800 t优质煤完全燃烧时释放的化学能。 6.核电站 (1)了解核电站

核电站的核心是核反应堆，如图19－6－1所示，核反应堆的主要组成部分及其作用：

①核燃料：反应堆使用浓缩铀(铀235占3%—4%)制成铀棒作为核燃料，释放核能。

②中子减速剂：铀235具有易俘获慢中子、不易俘获快中子的特

点，而核反应中释放的中子多数为快中子，应使用减速剂使它们的速度降下来，常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水。

③控制棒：由吸收中子能力很强的镉制成，用以控制反应速度。 ④保护层：反应堆外层是很厚的水泥壁，可防止射线辐射出去。

⑤热交换器：靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去。 (2)核电站的优点

①消耗的“燃料”很少。

2351144891

②作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大。 ③对环境的污染比火电站要小。 【典型例题】

【例1】关于重核的裂变，以下说法中正确的是( )

A．铀235被中子轰击后都会分裂成两块质量差不多的碎块，同时放出几个中子 B．铀235被中子轰击后二者都会发生分裂 C．要使铀块发生链式反应，其体积必须足够大

D．铀235分裂成两个中等质量的核，比结合能减小，放出核能

23514192

【例2】用中子轰击铀核( 92U)，其中的一个可能反应是分裂成钡( 56Ba)和氪(36Kr)两部分，放出3个中子。各个核和中子的质量如下：

mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg

试写出核反应方程，算出反应中释放的核能。

【例3】已知一个铀235核裂变时能释放200 MeV的能量，问1 kg铀完全裂变能释放多少能量？相当于多少吨燃烧值为2.94×107 J/kg的煤所放出的能量？

【例4】（2010·上海单科）现已建成的核电站发电的能量来自于 ( )

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

【课后练习】

1．下列核反应中，表示核裂变的是( )

2344

A. 23892U→ 90Th＋2He

1144891

B. 23592U＋0n→ 56Ba＋36Kr＋30n 300C.15P→3014Si＋1e 4121D.94Be＋2He→ 6C＋0n

2．关于铀核裂变，下述说法正确的是( )

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，最好用纯铀235 D．铀块的体积对产生链式反应无影响

3．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，所以核子数要减小

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

4．利用重核裂变释放核能时选用铀235，主要因为( ) A．它比较容易发生链式反应 B．能自动裂变，与体积无关

C．铀核比较容易分裂成为三部分或四部分，因而放出更多的核能

D．铀235价格比较便宜，而且它裂变时放出的核能比其他重核裂变时放出的核能要多

5．原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要有哪四部分组成( )

A．原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统 B．原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统 C．原子燃料、慢化剂、碰撞系统和传热系统 D．原子燃料、中子源、原子能聚存系统和输送系统

6．2009年9月，山东荣成石岛湾核电站开工，计划总装机规模400万千瓦。核电站与火电站相比较，其优势在于( )

A．核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量 B．就可采储量来说，地球上核燃料资源远多于煤炭 C．核电站造成的污染远小于相等发电能力的火电站

D．核电站比火电站更容易建造

190136

7．在核反应方程式 23592U＋0n→38Sr＋ 54Xe＋kX中( )

A．X是中子，k＝9 C．X是质子，k＝9

B．X是中子，k＝10 D．X是质子，k＝10

23518．一个235 92U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程式为 92U＋0941n―→X＋38Sr＋20n，则下列叙述正确的是( )

A．X原子核中含有86个中子 B．X原子核中含有141个核子

C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，所以裂变后的总质量数增加 D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量减少

9．下列核反应方程中，符号“X”表示中子的是 ( ) A．

9Be +4He→12C+X

426C．204Hg+1n→202Pt +21H+X

108078 B．14N+4He→17O+X 反

应

7D．23992U→239Np+X

932810．下列核方程中正确的是

( )

A．238U →234Th+2H B．9Be +4He →12C +1n C．234 Th →

90

9290234Pa+0e D．31P →31Si+0e 90?1151426014114489

11． .235 92U 受中子轰击时会发生裂变，产生 56Ba和36Kr，同时放出200兆电子伏特的能量。现要建设发电能力是50万千瓦的核电站，用铀235作为原子锅炉的燃料。假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天需要纯铀235的质量为多大？(阿伏加德罗常数取6.02×1023个/摩尔)

例题答案：

1.解析：铀核也有三分裂、四分裂现象，A错误；慢中子最适于引发裂变，但并不是轰击后都会发生分裂，B错误；要发生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积，C正确；中等质量核的比结合能最大，铀核分裂时比结合能增大，放出核能，D错误。 答案：C

2.【解析】根据反应前后核的质量数守恒、核电荷数守恒和反应中的能量守恒，就可以写出核反应方程。

根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦的质能方程就可算出释放的核能。 此铀核裂变方程为

12351419210n＋ 92U→ 56Ba＋36Kr＋30n 则核反应前后的质量亏损为

－27

Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.357 8×10 kg 由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为

ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(2.997 9×108)2 J＝3.215 7×10－11 J。 3. 【答案】8.2×1013 J 2 789 t

【解析】首先求出1 kg铀235中含有的原子核数，然后即可根据已知求解。 1 kg铀235中含有的原子核数为：

1 000

2324

235×6.02×10＝2.562×10个

每个铀核裂变能放出200 MeV的能量，则1 kg铀核裂变能释放ΔE＝2.562×1024×200 MeV

26 32－19 13

＝5.124×10MeV＝5.124×10×1.6×10J＝8.2×10J。 设与1 kg铀235相当的优质煤是m kg，则有： m×2.94×107 J/kg＝8.2×1013 J

8.2×1013

6

解得m＝2.94×107 kg＝2.789×10 kg＝2 789 t。 4. 【答案】C

【解析】现在核电站所用原料主要是铀，利用铀裂变放出的核能发电，故C项正确。

课后练习答案：

1. 解析：重核的裂变是指重核在中子的轰击下分裂成中等质量原子核的核反应，故B正确。

答案：B

2.解析：铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是各种各样的，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，并放出几个中子的情况。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，C正确。 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，故上述选项B、

答案：B、C

3. 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。因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小的，

23590136

如 92U裂变为38Sr和 54Xe的核反应，其核反应方程为

2351901361

92U＋0n→38Sr＋ 54Xe＋100n，

其中各粒子质量分别为

mU＝235.043 9 u，mn＝1.008 67 u， mSr＝89.907 7 u，mXe＝135.907 2 u。 质量亏损为

Δm＝(mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn) ＝0.151 0 u

可见铀核裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此选项A、B、C均错。重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，还会再发生质量亏损，从而释放出核能。综上所述，选项D正确。

答案：D

4. 解析：铀235容易俘获慢中子发生裂变，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能发生裂变。铀核在发生链式反应时，铀块体积必须超过其临界体积，故仅A选项正确。

答案：A 5. 答案：A

6. 解析：核电站与火电站相比，相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多，地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的15倍，只要措施得当，核电站造成的污染很小，核能属于清洁能源，A、B、C均正确；核电站的建造难度较大，D错误。

答案：A、B、C

7. 解析：核反应方程应遵循电荷数守恒和质量数守恒，在题目所给核反应中，设X的质子数为x，则核反应方程的左边质子数为92＋0＝92，右边质子数为38＋54＋x＝92，x＝0，X的质子数为0，所以X为中子，左边质量数为235＋1＝236，右边质量数为90＋136＋k×1＝236，k＝10，所以k的数值为10。

答案：B

8. 解析：X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140个，B错误；中子数为140－(92－38)＝86个，A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D错。

答案：A

9. AC 10.BD

11. 解析：核电站每一天的发电量为：

E＝Pt＝50×104×103×24×3 600 J＝4.32×1013 J。

据题意知，核电站一天的发电量就等于发电站在一天时间内铀235裂变所释放的总能量，故核电站每天所消耗的铀235核的个数为：

4.32×1013E

n＝200×106×1.6×10－19＝3.2×10－11个＝1.35×1024个。

故发电站每一天需要的纯铀235的质量为： 1.35×1024n

m＝NA·M＝6.02×1023×235×10－3 kg＝0.527 kg。 答案：0.527 kg

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