高中物理第三章原子核第5节核裂变教学案教科版选修35.docx
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高中物理第三章原子核第5节核裂变教学案教科版选修35
教学资料参考范本
【2019-2020】高中物理第三章原子核第5节核裂变教学案教科版选修3_5
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（对应学生用书页码P44）
一、核裂变
1．定义
重核分裂为几个中等质量原子核的过程。
2．裂变常见的方程
U＋n―→Ba＋Kr＋3n
[特别提醒] 同一重核发生裂变时，产生的中等核可能不同。
二、链式反应
1．链式反应
一个反应过程的产物能够再次引起这种反应，从而使反应一旦开始就能自动延续下去，这种反应过程就称为链式反应。
2．临界体积
能够发生链式反应的裂变物质的最小体积。
三、核电站
1．核电站
利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成：
燃料、慢化剂、控制棒。
2．工作原理
核燃料裂变释放能量，使反应区温度升高。
3．能量输出
利用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，用于发电。
4．注重核污染的防护
1．判断：
（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）铀核裂变时会吸收大量的能量。
（ ）
（4）中子的速度越快，越容易发生铀核裂变。
（ ）
（5）核能发电对环境的污染比火力发电要小。
（ ）
答案：
（1）×
（2）√ （3）× （4）× （5）√
2．思考：
核反应堆中的控制棒是由什么制成的？
控制棒起什么作用？
提示：
控制棒由镉棒制成，镉吸收中子的能力很强，在铀棒之间插进一些镉棒，可以控制链式反应的速度。
（对应学生用书页码P45）
对重核裂变和链式反应的分析
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：
①U＋n―→Xe＋Sr＋2n
②U＋n―→Ba＋Kr＋3n
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。
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200MeV估算，1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t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最易发生链式反应
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1MeV的中子才能发生裂变，且裂变的几率小。
能量低于1MeV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．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，但核子数不会减少
D．所有重核元素用中子轰击均能发生裂变反应
解析：
选C 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即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，因此其释放的能量是远大于其俘获中子时吸收的能量的。
发生链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于临界体积。
如果体积过小，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少的，因此选项A、B错误，C正确。
用中子轰击U和Pu（钚）等少数几种重元素才能发生裂变反应，D错误。
裂变反应堆
原子核的链式反应可以在人工控制下进行，使核能较平缓地释放出来，这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务。
裂变反应堆的结构和工作原理如下表所示：
组成部分
材料
作用
裂变材料
（核燃料）
浓缩铀（
U）
提供核燃料
慢化剂
（减速剂）
石墨、重水或普通水
使裂变产生的快中子减速
控制棒
镉
吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层
石墨
阻止中子逃逸
热交换器
水
产生高温蒸气，推动汽轮发电机发电
防护层
金属套和钢筋混凝土
防止射线对人体及其他生物体的侵害
2．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．为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子
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．裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关
解析：
选C 要发生链式反应必须使铀块体积（或质量）大于临界体积（或临界质量），故A、D错，C对，铀235俘获慢中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的几率小，故B错。
（对应学生用书页码P45）
重核的裂变
[例1] 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U的裂变，现有4种说法：
①U原子核中有92个质子，有143个中子
②U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为：
U＋n→Xe＋Sr＋2n
③
U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
④一个U裂变能放出200MeV的能量，合3.2×10－11J
以上说法中正确的是（ ）
A．①②③ B．②③④
C．①③④D．①②④
[解析] 由U的质量数和电荷数关系易知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；通过计算知④正确，故正确选项为D。
[答案] D
裂变核能的计算
[例2] 铀核（U）裂变成钡（Ba）和氪（Kr）。
已知U、Ba、Kr以及中子的质量分别是235.0439u、140.9139u、91.8973u和1.0087u。
（1）试写出铀核裂变反应方程，并计算1个235U核裂变时放出的核能；
（2）我国秦山核电站的装机容量为3.0×105kW，假如全部235U都能够发生这样的裂变，释放核能的1.2%可转化为电能，试由此估算电站1年要消耗多少U?
[解析]
（1）根据裂变的生成物及核反应前后质量数守恒，由核电荷数守恒可确定产生中子的数目。
U＋
n―→
Ba＋
Kr＋3
n，
核反应中的质量亏损为
Δm＝235.0439u－140.9139u－91.8973u－2×1.0087u＝0.2153u
根据质能方程可知每一个235U核裂变所释放的能量为
ΔE＝Δmc2＝0.2153×1.66×10－27×（3×108）2J
＝3.22×10－11J。
（2）电站1年所产生的电能为E＝Pt，t＝365×24×3600s。
每摩尔235U全部裂变所释放的能量为NA·ΔE，NA为阿伏加德罗常数，而235U的摩尔质量为
MU＝0.235kg/mol，所以
m＝MU
＝kg
＝9.6×103kg。
[答案] 见解析
（对应学生用书页码P46）
1．下列说法正确的是（ ）
A．α粒子大角度散射表明α粒子很难进入原子内部
B．氢原子跃迁发出的光从空气射入水时可能发生全反射
C．裂变反应有质量亏损，质量数不守恒
D．γ射线是一种波长很短的电磁波
解析：
选D α粒子大角度散射现象说明原子中原子核很小，原子内部十分“空旷”，A错误；发生全反射的条件之一是光由光密介质向光疏介质中传播，故光从空气射入水中，不可能发生全反射，B错误；所有的核反应都遵循电荷数与质量数守恒，反应过程中，质量有亏损，C错误；γ射线是一种电磁波，且频率很高，波长很短，D正确。
2．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：
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，而是利用其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。
3．下列核反应中，表示核裂变的是（ ）
A.U→Th＋He
B.C→N＋e
C.U＋n→Ba＋Kr＋3n
D.Be＋He→C＋n
解析：
选C 核反应中有四种不同类型的核反应，它们分别是衰变、人工转变、重核裂变、轻核聚变，其中衰变有α衰变、β衰变等。
U→Th＋He是α衰变，C→N＋e是β衰变，Be＋He→C＋n是人工转变，只有C选项是重核裂变。
4.U吸收一个慢中子后，分裂成Xe和Sr，同时还放出（ ）
A．一个α粒子B．一个氘核
C．三个中子D．两个中子
解析：
选C 该裂变反应的方程为U＋n→Xe＋Sr＋3n，放出的粒子只能是3个中子，故C正确。
5．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
解析：
选C 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。
6．关于铀核裂变，下述说法中正确的是（ ）
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
解析：
选BC 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，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1MeV以上的中子才能引起裂变，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、C正确。
7．（广东高考）铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应式是U＋n→Ba＋Kr＋3n。
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：
选AC 本题考查裂变反应的特点及条件、原子核半衰期的特点，意在考查考生对原子核不同变化形式的区别的掌握。
从铀核裂变方程可以看出，反应中伴随着中子放出，A项正确；铀块的体积必须大于临界体积才能发生链式反应，B项错误；通过控制中子数可以控制链式反应，C项正确；铀核的半衰期与物理、化学状态无关，因此不受环境影响，D项错误。
8．1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×196MeV B．235NA×196MeV
C．235×196MeVD.×196MeV
解析：
选D 由于1mol的铀核质量为235g,1g铀235的物质的量为mol，因此1g铀235释放的能量
E＝×196MeV，故D正确。
9．贫铀炸弹是一种杀伤力很强的武器，贫铀是提炼铀235以后的副产品，其主要成分为铀238，贫油炸弹不仅有很强的穿甲能力，而且铀238具有放射性，残留物可长期对环境起破坏作用而造成污染。
人长期生活在该环境中会受到核辐射而患上皮肤癌和白血病。
下列叙述错误的是（ ）
A．铀238的衰变方程式为：
U―→Th＋He
B.U和U互为同位素
C．人患皮肤癌和白血病是因为核辐射导致了基因突变
D．贫铀弹的穿甲能力很强，也是因为它的放射性
解析：
选D 铀238具有放射性，放出一个α粒子，变成钍234，A正确。
铀238和铀235质子数相同，互为同位素，B正确。
核辐射能导致基因突变，是皮肤癌和白血病的诱因之一，C正确。
贫铀弹的穿甲能力很强，是因为它的弹芯是由高密度、高强度、高韧性的铀合金组成，袭击目标时产生高温化学反应，所以其爆炸力、穿透力远远超过一般炸弹，D错。
10．曾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8.4×1013J，试问有多少个U原子核进行分裂？
该原子弹中含铀U的质量最小限度为多少千克？
（一个铀U原子核分裂时所产生的能量约为200MeV）
解析：
一个U原子核分裂时所产生的能量约为
200MeV＝200×106eV＝2.0×108×1.6×10－19J
＝3.2×10－11J。
设共有n个U核发生裂变：
n＝个≈2.6×1024个，
铀的质量m＝235×10－3×kg≈1.015kg。
答案：
2.6×1024个 1.015kg
11．若U俘获一个中子裂变成Sr及Xe两种新核，且三种原子核的质量分别为235.0439u、89.9077u和135.9072u，中子质量为1.0087u（1u＝1.6606×10－27kg,1u·c2相当于931.50MeV）
（1）写出铀核裂变的核反应方程；
（2）求9.2kg纯铀235完全裂变所释放的能量是多少？
（取两位有效数字）
解析：
（1）U＋n―→Sr＋Xe＋10n。
（2）因为一个铀核裂变的质量亏损
Δm＝（235.0439u＋1.0087u）－（89.9077u＋135.9072u＋10×1.0087u）＝0.1507u，
故9.2kg的铀裂变后总的质量亏损为
ΔM＝6.02×1023×0.1507×9.2×103/235u
＝3.55×1024u，
所以ΔE＝ΔMc2＝3.55×1024×931.50MeV
＝3.3×1027MeV。
答案：
（1）U＋n―→Sr＋Xe＋10n
（2）3.3×1027MeV
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