第2节 核裂变教师用书

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第2节 核裂变教师用书

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莲山 课件 w w
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第2节 核裂变
学 习 目 标 知 识 脉 络
1.知道核裂变的概念,知道重核裂变中能释放出巨大的能量.(重点)
2.知道什么是链式反应.
3.会计算重核裂变过程中释放出的能量.(重点)
4.知道什么是核反应堆.了解常用裂变反应堆的类型.(难点) 

 
重 核 的 裂 变
 
[先填空]
1.重核的裂变
(1)核裂变:用中子轰击铀核,铀核分裂成质量相近的两部分,并释放出能量的核反应过程叫做核裂变.
(2)裂变能:核裂变释放出的能量称为裂变能,也称核能或原子能.核裂变是释放核能的方法之一.
(3)铀核裂变的产物多种多样,其中有代表性的有:
10n+235 92U→9538Sr+139 54Xe+210n
10n+235 92U→141 56Ba+9236Kr+310n.
2.链式反应
(1)定义:在235 92U核裂变释放出巨大能量的同时,平均每次可以放出2~3个中子,这些中子称为第1代中子,如果其中至少有一个继续轰击235 92U,使之发生裂变,就能产生第2代中子,这样不断继续下去,中子会不断增加,裂变反应就会不断加强,就形成了裂变的链式反应.能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做临界体积.
(2)条件:发生链式反应必须具备两个条件:a.铀核的体积达到临界体积;b.必须存在持续不断的中子源.
[再判断]
1.原子核释放粒子的过程也是核裂变的过程.(×)
2.用中子轰击重核使之分裂实现核裂变.(√)
3.利用不可控的快中子轰击超过临界体积的铀块产生链式反应制成原子弹.(√)
[后思考]
重核裂变反应是否满足电荷数守恒?是否满足质量数守恒?
【提示】 重核裂变反应属于核反应,满足电荷数守恒,质量数守恒.
 
[核心点击]
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:
①235 92U+10n―→139 54Xe+9538Sr+210n.
②235 92U+10n―→144 56Ba+8936Kr+310n.
2.链式反应的条件
(1)有慢中子轰击.
(2)铀块的体积大于临界体积,或铀块的质量大于临界质量.
以上两个条件满足一个,则另一个条件自动满足.
3.裂变反应的能量: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.一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算,1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量,裂变时能产生几百万度的高温.
4.铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应
在天然铀中,主要有两种同位素,99.3%的是铀238,0.7%的是铀235,中子能引起这两种铀核发生裂变,但它们和中子发生作用的情况不同.
(1)铀235: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)铀238:只有俘获能量大于1 MeV的中子才能发生裂变,且裂变的几率小.能量低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞,不引起裂变.因此,为了使链式反应容易发生,最好利用纯铀235.
 
1.(多选)关于重核的裂变,以下说法正确的是(  )
A.核裂变释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量
B.铀核裂变在自然界中会自发地产生
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
【解析】 根据重核发生裂变的条件和裂变释放能量的原理分析可知,裂变时因铀核俘获中子发生核反应,是核能转化为其他形式能的过程,因而释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量;重核裂变只能发生在人为核反应中;在裂变反应中核子数是不会减少的,因此A正确,B、C错误.重核裂变为中等质量的原子核时,由于平均质量减小,必然发生质量亏损,从而释放出核能,所以D正确.
【答案】 AD
2.(多选)1938年哈恩用中子轰击铀核,发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线.下列关于这个实验的说法中正确的是(  )
A.这个实验的核反应方程是235 92U+10n―→144 56Ba+8936Kr+310n
B.这是一个核裂变过程,反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和
C.实验中产生的γ射线穿透能力极强
D.这个反应中释放出的能量可以用爱因斯坦的质能方程来计算
【解析】 根据质量数守恒、电荷数守恒,铀核裂变的核反应方程应为:235 92U+10n―→144 56Ba+8936Kr+310n,选项A正确;铀核裂变过程中产生γ射线,放出能量,发生质量亏损,释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算,选项B错误,D正确;核反应中产生的γ射线,穿透能力极强,是能量极高的光子,选项C正确.
【答案】 ACD
3.现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是:235 92U+10n→143 60Nd+Zr+310n+8 0-1e+ν
(1)核反应方程中的ν是中微子,它不带电,质量数为零.试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数;
(2)已知铀(U)核的质量为235.049 3 u,中子质量为1.008 7 u,钕(Nd)核质量为142.909 8 u,锆核质量为89.904 7 u.又知1 u=1.660 6×10-27 kg,试计算,1 kg铀235大约能产生的能量是多少?
【解析】 (1)根据电荷数和质量数守恒,可得
Zr的电荷数Z=92-60+8=40
质量数A=236-143-3×1=90.
(2)方法一:质量亏损
Δm=(mU+mn)-(mNd+mZr+3mn)=0.217 4 u.
一个铀核裂变释放能量
ΔE=Δm×931.5 MeV
=0.217 4×931.5 MeV≈202.5 MeV
1 kg铀核含有的原子核数为
n=1 000235×6.02×1023个≈2.562×1024个
1 kg铀核产生的能量
E总=n•ΔE=2.562×202.5×1024MeV
≈5.2×1026MeV=5.2×1026×106×1.6×10-19 J
≈8.3×1013 J.
方法二:Δm=(mU+mn)-(mNd+mZr+3mn)
=0.217 4 u=0.217 4×1.660 6×10-27 kg
≈3.6×10-28 kg
ΔE=Δmc2=3.6×10-28×(3×108)2 J=3.24×10-11 J
n=1 000235×6.02×1023个≈2.562×1024个
E总=nΔE=2.562×1024×3.24×10-11 J≈8.3×1013 J.
【答案】 (1)40 90 (2)8.3×1013 J
 
重核裂变核能计算的方法
解答这类问题,一般是先根据核反应方程求出一个重核裂变时发生的质量亏损,由质能方程计算出释放的能量,然后用阿伏加德罗常数把核能与重核质量联系起来;另外,在计算过程中要注意单位的统一.
 
 
裂 变 反 应 堆
 
[先填空]
1.核反应堆:能维持和控制核裂变的装置.
2.核反应堆的构成:堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分.
(1)堆芯:由燃料棒、减速剂和冷却剂组成.
(2)中子反射层:反射核裂变中产生的中子,使其进一步参加链式反应.
(3)控制棒:用能吸收慢中子的镉或硼钢制成,以控制链式反应的速度.
[再判断]
1.核反应堆可以人工控制核反应速度.(√)
2.减速剂的作用使快中子减速变成慢中子.(√)
3.链式反应一旦形成无法进行人工控制.(×)
[后思考]
核反应堆中的防护层的构造和作用是什么?
【提示】 核反应堆中的防护层一般由金属套、防止中子外逸的水层以及1 m~2 m厚的钢筋混凝土构成,可以有效地防止射线对人体及其他生命的侵害.
 
[核心点击]
1.核反应堆的组成
核反应堆由堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分组成.其中控制棒用能吸收慢中子的镉或硼钢制成,以控制链式反应的速度.之所以把它叫做“堆”,是因为世界上第一个核反应堆是用石墨块(用以控制反应速度)和金属铀块(反应燃料)一层一层交替地“堆”起来而构成的.
2.核反应堆与原子弹爆炸的比较
原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的,为了用人工方法控制链式反应的速度,使核能比较平缓地释放出来,人们制成了核反应堆(核电站的核心设施).核反应堆是人工控制链式反应的装置.
3.核电站发电的主要原理
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流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去.反应堆放出的热使水变成水蒸气,这些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电.这一部分的工作原理和火力发电相同.
 
4.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】 镉棒不是离子源不会释放中子,A错误,也不是减速剂,不能使快中子变为慢中子,B、D错误,镉棒对中子有吸收作用,通过中子强度检测器检测,当反应太强,镉棒能自动插入,多吸收中子,反之,自动抽出,少吸收中子,故镉棒也叫控制棒,C正确.
【答案】 C
5.(多选)关于原子核反应堆,下面哪种说法是正确的(  )
A.镉棒是核燃料,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量
【解析】 核燃料即为用浓缩铀制成的铀棒,铀棒裂变时释放核能;镉棒具有很强的吸收慢中子的能力,通过控制镉棒插入的深度来控制链式反应的速度,即可控制反应堆的功率;石墨的作用是使裂变产生的快中子减速成为慢中子;冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热量.则B、D正确,A、C错误.
【答案】 BD
学业分层测评(十二)
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学业达标]
1.(多选)当一个重核裂变时,它所产生的两个核(  )
A.含有的质子数较裂变前重核的质子数不变
B.含有的中子数较裂变前重核的中子数不变
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2~3个中子,质子数并没有发生变化,而两个新核的中子数减少,故选项A正确,B错误;反应后质量发生了亏损而释放能量,并不等于俘获中子时得到的能量,在裂变反应中,产物并不是唯一的,而是多种多样的,故选项D正确,选项C错误.
【答案】 AD
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,但不一定发生链式反应
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.重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能
【解析】 根据重核发生裂变的条件和裂变释放核能的原理分析可知,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.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.在裂变反应中质量数、电荷数均守恒;即核子数守恒,所以核子数是不会减小的,因此选项A、C错误,B正确;重核裂变为中等质量的原子核时,发生质量亏损,从而释放出核能,选项D正确.
【答案】 BD
3.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(  ) 【导学号:64772108】
A.反应堆中铀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】 要使铀核裂变发生链式反应,铀块的体积必须等于或大于临界体积,如果组成铀块的体积小于临界体积,则不会发生链式反应.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.
【答案】 C
4.(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源,其一种裂变反应式是235 92U+10n→144 56Ba+8936Kr+310n.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
【解析】 根据裂变反应的规律和影响半衰期的因素解决问题.裂变反应式中的10n为中子,铀块体积大于临界体积,才能发生链式反应,且铀核的链式反应是可控的,选项A、C正确,选项B错误;放射性元素的半衰期不受外界压强、温度的影响,选项D错误.
【答案】 AC
5.下列核反应中,表示核裂变的是(  )
A.238 92U―→234 90Th+42He
B.235 92U+10n―→144 56Ba+8936Kr+310n
C.14 6C―→14 7N+ 0-1e
D.94Be+42He―→12 6C+10n
【解析】 题目选项中,238 92U―→234 90Th+42He是α衰变,14 6C―→14 7N+ 0-1e是β衰变,94Be+42He―→12 6C+10n是人工转变,只有C选项是重核裂变,故B正确.
【答案】 B
6.(多选)2020年以前我国将新增投产2 300万千瓦的核电站,核电站与火电站相比较,下列说法正确的是(  )
A.核燃料释放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大于煤炭
C.在经济效益方面核电与火电不相上下
D.核电站没有任何污染
【解析】 核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量,A项正确;就可采储量所提供的能量来说,远大于煤炭所能提供的能量,而不是采储量,B项错;在经济效益方面核电与火电不相上下,C项正确;核电站是有污染的,核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性,要做特殊处理,D项错误.
【答案】 AC
7.下面是铀核裂变反应中的一个:235 92U+10n―→136 54Xe+9038Sr+1010n.已知铀235的质量为235.043 9 u,中子的质量为1.008 7 u,锶90的质量为89.907 7 u,氙136的质量为135.907 2 u,则此核反应中质量亏损Δm=________u,释放的核能ΔE=________MeV.
【导学号:64772053】
【解析】 质量亏损Δm=235.0439 u+1.0087 u-135.9072 u-89.9077 u-10×1.0087 u=0.1507 u
由ΔE=Δmc2可求得释放的核能ΔE=0.1507 uc2=0.1507×931.5 MeV=140.3771 MeV.
【答案】 0.1507 140.3771
8.落在日本广岛上的原子弹,相当于2万吨TNT炸药放出的能量.原子弹放出的能量约8.4×1013 J,试问有多少个235 92U原子核进行分裂?该原子弹中含235 92U的质量最小限度为多少千克?(一个235 92U原子核分裂时所产生的能量约为200 MeV)
【解析】 一个235 92U原子核分裂时所产生的能量约为200 MeV=200×106 eV=2.0×108×1.6×10-19 J=3.2×10-11 J.
设共有n个235 92U核发生裂变:n=8.4×10133.2×10-11个≈2.6×1024个,铀的质量m=235×10-3×2.6×10246.02×1023kg≈1.015 kg.
【答案】 2.6×1024个 1.015 kg
能力提升]
9.(多选)我国秦山核电站第三期工程中有两组60万千瓦的发电机组,发电站的核能来源于235 92U的裂变,下列说法正确的是(  )
A.235 92U原子核中有92个质子,143个中子
B.235 92U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235 92U+10n―→139 54Xe+9538Sr+210n
C.235 92U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
D.一个235 92U裂变能放出200 MeV的能量,合3.2×10-11 J
【解析】 由235 92U的质量数和电荷数关系易知A正确;由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知B正确;半衰期不受外界因素干扰,故C错误;因为200 MeV=200×106×1.6×10-19 J=3.2×10-11 J,所以D正确.
【答案】 ABD
10.(多选)人们发现,不同的原子核,其核子的平均质量(原子核的质量除以核子数)与原子序数有如图4­2­1所示的关系.下列关于原子结构和核反应的说法正确的是(  )
 
图4­2­1
A.由图可知,原子核D和E聚变成原子核F时会有质量亏损,要吸收能量
B.由图可知,原子核A裂变成原子核B和C时会有质量亏损,要放出核能
C.由原子核A裂变成原子核B和C时要吸收能量
D.在核反应堆的铀棒之间插入镉棒是为了控制核反应速度
【解析】 原子核D和E的核子平均质量大,结合成原子核F时存在质量亏损,要释放能量,A错误;原子核A的核子平均质量大,裂变成原子核B和C时质量亏损,要放出核能,B正确、C错误;镉棒可以吸收中子,在反应堆中能控制反应速度,D正确.
【答案】 BD
11.235 92U受中子轰击时会发生裂变,产生139 56Ba和9436Kr,同时放出200 MeV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的质量为多少?(阿伏加德罗常数取6.02×1023 mol-1)
【解析】 每天发电的总量
E=24×3.6×103×5×108 J=4.32×1013 J.
要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目n=4.32×10132×108×1.6×10-19=1.35×1024(个).
则对应的质量
m=nNA•μ=1.35×10246.02×1023×235×10-3 kg=0.527 kg.
【答案】 0.572 kg
12.在所有能源中,核能具有能量密度大,地区适应性强的优势,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+10n―→14156Ba+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核的质量,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ΔE是多少?
(2)有一座发电能力为P=1.00×106 kW的核电站,核能转化为电能的效率η=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放出的核能ΔE=2.78×10-11 J,核的质量mU=390×10-27 kg,求每年(1年=3.15×107 s)消耗的235 92U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
ΔE=(mU-mBa-mKr-2mn)c2.
(2)因电站发电效率为40%,故电站消耗235 92U的功率为P′=P40%=10640% kW=2.5×106 kW,
电站每年消耗235U的能量为W=Pt=2.5×109×3.15×107 J=7.875×1016 J.
每年消耗235 92U的质量为
M=WΔEmU=7.875×1016×390×10-272.78×10-11 kg=1 105  kg.
【答案】 (1)10n 3 (mU-mBa-mKr-2mn)c2
(2)1 105 kg

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