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1、第1页 第1页 第六节第六节 重核的裂变重核的裂变第2页 第2页 知识梳理图知识梳理图第3页 第3页 【知识点知识点】1.重核的裂变重核的裂变 2.链式反应链式反应3.核反应堆核反应堆第4页 第4页 情景设置情景设置我们已经知道在核反应中可以放出大量能量我们已经知道在核反应中可以放出大量能量,核电站就是利核电站就是利用核反应中放出的能量发电的用核反应中放出的能量发电的,用这种方式发电比煤发电用这种方式发电比煤发电要好得多要好得多,我国也相继建成了浙江秦山核电站和广东大亚我国也相继建成了浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站等湾核电站等.核裂变过程中释放的能量相当巨大核裂变过程中释放的能量相当巨大.那
2、么重核那么重核是如何裂变的呢是如何裂变的呢?第5页 第5页 深化探究深化探究一一 重核的裂变重核的裂变1.定义定义:使重核分裂成中等质量的原子核的反应叫重核裂变使重核分裂成中等质量的原子核的反应叫重核裂变.重核的裂变只发生在人为控制的核反应中重核的裂变只发生在人为控制的核反应中,自然界不会自发的自然界不会自发的产生产生.2.铀核的裂变铀核的裂变(1)发现发现:1938年德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰年德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时击铀核时,发现了铀核的裂变发现了铀核的裂变,向核能的利用迈出了第一步向核能的利用迈出了第一步.第6页 第6页 (2)裂变方程裂变方程:裂变的产
3、物是多种多样的裂变的产物是多种多样的,一种典型的铀核裂一种典型的铀核裂变的产物是钡和氪同时放出变的产物是钡和氪同时放出3个中子个中子,核反应方程如下核反应方程如下:235 92U+10n144 56Ba+8936Kr+310n第7页 第7页 (3)链式反应链式反应:当中子进入铀当中子进入铀235后后,分裂成两个中等质量的原分裂成两个中等质量的原子核子核,同时放出同时放出2-3个中子个中子,这些中子又引起其他铀核裂变这些中子又引起其他铀核裂变,这样这样,裂变就会不断地进行下去裂变就会不断地进行下去,释放出越来越多的核能释放出越来越多的核能,这就叫链式反应这就叫链式反应.如下图所示如下图所示,这个
4、反应速度很快这个反应速度很快,不加控不加控制的话制的话,能量在很短的时间内急剧释放能量在很短的时间内急剧释放(原子弹原子弹),如果采用如果采用其他方法其他方法,对反应速度加以控制的话对反应速度加以控制的话,能量缓慢释放能量缓慢释放(核电核电站站)第8页 第8页 (4)临界体积临界体积:铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素,如果铀块的体积不够大如果铀块的体积不够大,中子在铀块中通过时中子在铀块中通过时,就有可能碰就有可能碰不到铀核不到铀核,链式反应不能继续链式反应不能继续,通常把裂变物质能够发生链通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做临界体积式反应的
5、最小体积叫做临界体积,相应的质量叫临界质量相应的质量叫临界质量.核电站是利用缓慢释放的核能来发电的核电站是利用缓慢释放的核能来发电的,这是核能的和平利这是核能的和平利用用,因此核电站是可控的链式反应因此核电站是可控的链式反应.第9页 第9页 核电站的核心是核反应堆核电站的核心是核反应堆,核反应堆的主要组成及其作用核反应堆的主要组成及其作用1.核燃料核燃料:反应堆使用浓缩铀反应堆使用浓缩铀(铀铀235占占3%-4%),制成铀棒作为核燃料制成铀棒作为核燃料,释释放核能放核能.2.中子慢化剂中子慢化剂:铀铀235具有容易俘获慢中子具有容易俘获慢中子,不易俘获快中子的特点不易俘获快中子的特点,而核而核
6、反应释放的中子多数为快中子反应释放的中子多数为快中子,应用慢化剂使它们速度降下来应用慢化剂使它们速度降下来,常用的常用的慢化剂的物质有石墨慢化剂的物质有石墨 重水和普通水重水和普通水(轻水轻水).3.控制棒控制棒:由吸收中子能力很强的镉制成的由吸收中子能力很强的镉制成的,用以控制核反应速度用以控制核反应速度.4.保护层保护层:反应堆外层是很厚的水泥壁反应堆外层是很厚的水泥壁,可防止射线辐射可防止射线辐射.5.热交换器热交换器: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输出去.第10页 第10页 典例分析典例分析一一 对裂变的理
7、解对裂变的理解例例1:关于铀核裂变关于铀核裂变,下述说法中正确的是下述说法中正确的是()A.铀核裂变的产物多种多样铀核裂变的产物多种多样,但只能裂变成两种不同的核但只能裂变成两种不同的核B.铀核裂变时一般释放铀核裂变时一般释放2-3个中子个中子C.为了使裂变的链式反应能够进行为了使裂变的链式反应能够进行,铀块的体积必须大于等铀块的体积必须大于等于临界体积于临界体积D.铀块的体积对产生链式反应无影响铀块的体积对产生链式反应无影响第11页 第11页 解析解析:铀核受到中子的轰击铀核受到中子的轰击,会引起裂变会引起裂变,裂变的产物多种多裂变的产物多种多样样,具有极大的偶然性具有极大的偶然性,但裂变成
8、两块的情况多但裂变成两块的情况多,也有的分也有的分裂成多块并放出几个中子裂成多块并放出几个中子,故故A选项错误选项错误;B选项正确选项正确;铀发铀发生裂变反应后释放生裂变反应后释放2-3个中个中子子.如果发生链式反应如果发生链式反应,铀块的体积必须大于等于临界体积铀块的体积必须大于等于临界体积,否则中子穿过铀块时否则中子穿过铀块时,可能不与铀核发生碰撞可能不与铀核发生碰撞,从而反应不从而反应不能继续下去能继续下去,故故C选项正确选项正确,D选项错误选项错误.答案答案:BC第12页 第12页 巩固练习巩固练习1:关于重核裂变关于重核裂变,以下说法正确的是以下说法正确的是()A.重核裂变的能量等于
9、它俘获中子时得到的能量重核裂变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中子从铀块中通过时,一定发生链式反应一定发生链式反应C.重核裂变释放出大量能量重核裂变释放出大量能量,产生明显的质量亏损产生明显的质量亏损,所以核子数要减小所以核子数要减小D.重核裂变为中等质量的核时重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损要发生质量亏损,放放出核能出核能第13页 第13页 解析解析:根据重核裂变的条件和裂变放能的原理分析可知根据重核裂变的条件和裂变放能的原理分析可知,裂变裂变时因铀核俘获中子发生核反应时因铀核俘获中子发生核反应,是核能转化为其他形式能是核能转化为其他形式能的过程的过程,释放的能
10、量远大于其俘获中子时吸收的能量释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量,故故A选项错误选项错误;链式反应是有条件的链式反应是有条件的,即铀块的体积必须大于其即铀块的体积必须大于其临界体积临界体积,如果体积较小如果体积较小,中子从铀块中穿过时中子从铀块中穿过时,碰不到原碰不到原子核子核,则链式反应就不能发生则链式反应就不能发生,故故B选项错误选项错误;在裂变中质量在裂变中质量数数 电荷数都守恒电荷数都守恒,故故C选项错误选项错误;在裂变反应中在裂变反应中,有质量亏有质量亏损损,释放核能释放核能,故故D选项正确选项正确.答案答案:D第14页 第14页 二二 裂变中能量的计算裂变中能量的计算例例2:用
11、中子轰击铀核用中子轰击铀核(235 92U),其中一个可能反应是分裂成钡其中一个可能反应是分裂成钡(141 56Ba)和氪和氪(9236Kr)两部分两部分,放出了中子放出了中子,各个核的质量各个核的质量如下如下mU=390.313910-27 kgmn=1.674910-27 kgmBa=234.001610-27 kgmKr=152.604710-27 kg试写出核反应方程试写出核反应方程,算出反应中释放的核能算出反应中释放的核能.第15页 第15页 解析解析:(1)核反应方程为核反应方程为10n+235 92U141 56Ba+9236Kr+310n(2)核反应前后的质量亏损核反应前后的质
12、量亏损m=mU+mn-mBa-mKr-3mn=0.357810-27 kg由爱因斯坦质能方程由爱因斯坦质能方程,得得E=mc2=0.357810-27(3.00108)2 J=3.220210-11 J答案答案:(1)10n+235 92U141 56Ba+9236Kr+310n(2)3.220210-11 J第16页 第16页 巩固练习巩固练习2:已知一个铀已知一个铀235核裂变时能释放核裂变时能释放200 MeV的能量的能量,问问1 kg铀完全裂变能释放多少能量铀完全裂变能释放多少能量?相当于多少吨燃烧值相当于多少吨燃烧值为为2.94107 J/kg的煤所放出的能量的煤所放出的能量?第17
13、页 第17页 解析解析:解答本题可按以下思维过程进行解答本题可按以下思维过程进行一个铀一个铀235裂变释放的能量裂变释放的能量1 kg铀的原子核数铀的原子核数1 kg铀铀235裂裂变释放的能量变释放的能量相当于相当于x吨煤释放的能量吨煤释放的能量首先求出首先求出1 kg铀铀235中含有的原子核数中含有的原子核数,然后即可根据已知求解然后即可根据已知求解.(1)1 kg铀铀235中含有的原子核数为中含有的原子核数为:6.021023个个=2.5621024个个每个轴核裂变放出每个轴核裂变放出200 MeV的能量的能量,则则1 kg铀核裂变能释放铀核裂变能释放E=2.5621024200 MeV=
14、5.1241026 MeV=5.12410321.610-19 J=8.21013 J.第18页 第18页 (2)设与设与1 kg铀铀235相当的优质煤是相当的优质煤是m kg,则有则有:m2.94107 J/kg=8.21013 Jkg=2.789106 kg=2789 t答案答案:(1)8.21013 J (2)2789 t第19页 第19页 梯度练习梯度练习基础强化基础强化1.关于裂变反应关于裂变反应,下列说法中正确的是下列说法中正确的是()A.用中子轰击铀核发生裂变用中子轰击铀核发生裂变,一定分裂为质量差不多的两块一定分裂为质量差不多的两块B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量铀核
15、裂变为中等质量的原子核一定释放能量C.铀核发生裂变时可能产生二铀核发生裂变时可能产生二 三或四部分三或四部分D.所有重核元素用中子轰击均能发生裂变反应所有重核元素用中子轰击均能发生裂变反应答案答案:BC第20页 第20页 2.为使链式反应平稳进行为使链式反应平稳进行,可采用下列的办法可采用下列的办法()A.铀块可分制成任何的体积铀块可分制成任何的体积B.铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核C.通过慢化剂将产生的中子减速通过慢化剂将产生的中子减速D.用镉棒可作为慢化剂使中子减速用镉棒可作为慢化剂使中子减速第21页 第21页 解析解析:由于使铀块发生链式
16、反应的体积大于临界体积由于使铀块发生链式反应的体积大于临界体积,故故A选选项错误项错误;铀核裂变产生的中子为快中子铀核裂变产生的中子为快中子,不能直接去轰击铀不能直接去轰击铀核核,必须使用慢化剂减速必须使用慢化剂减速,而镉棒是用来控制中子数量的而镉棒是用来控制中子数量的,故故C选项正确选项正确,B D选项错误选项错误.答案答案:C第22页 第22页 3.核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它它主要有哪四部分组成主要有哪四部分组成()A.核燃料核燃料 减速剂减速剂 冷却系统冷却系统 控制调节系统控制调节系统B.核燃料核燃料 减速剂减速
17、剂 发热系统和传热系统发热系统和传热系统C.核燃料核燃料 减速剂减速剂 碰撞系统和传热系统碰撞系统和传热系统D.核燃料核燃料 中子源中子源 核能聚存系统和输送系统核能聚存系统和输送系统答案答案:A第23页 第23页 4.裂变反应中释放的能量来自于裂变反应中释放的能量来自于()A.核子消失转化为能量核子消失转化为能量B.原子中电子与原子核的电势能减小原子中电子与原子核的电势能减小C.入射的中子消失转化为能量入射的中子消失转化为能量D.原子核的比结合能变大原子核的比结合能变大,释放出能量释放出能量答案答案:D第24页 第24页 5.原子核反应有广泛的应用原子核反应有广泛的应用,如用于核电站等如用于
18、核电站等,在下列核反应在下列核反应中属于裂变反应的是中属于裂变反应的是()A.10 5B+10n73Li+42HeB.238 92U234 90Th+42HeC.14 7N+42He17 8O+11HD.235 92U+10n141 56Ba+9236Kr+310n答案答案:D第25页 第25页 6.当一个重核裂变时当一个重核裂变时,它所产生的两个核它所产生的两个核()A.含有的质子数较裂变前重核的质子数减少含有的质子数较裂变前重核的质子数减少B.含有的中子数较裂变前重核的中子数少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裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的
19、能量D.可能是多种形式的两个核的组合可能是多种形式的两个核的组合答案答案:BD第26页 第26页 能力提升能力提升7.1个铀个铀235吸收吸收1个中子发生核反应时个中子发生核反应时,大约放出大约放出196 MeV的能量的能量,则则1 g纯铀纯铀235完全发生反应放出完全发生反应放出的能量为的能量为(NA为阿伏加德罗常数为阿伏加德罗常数)()A.NA196 MeVB.235NA196 MeVC.235196 MeVD.第27页 第27页 解析解析:由于由于1 mol铀的质量为铀的质量为235 g,1 g铀铀235的摩尔数为的摩尔数为,因此因此1 g铀铀235释放的能量为释放的能量为,故故D选项正
20、确选项正确.答案答案:D第28页 第28页 8.镉棒在反应堆中所起的作用镉棒在反应堆中所起的作用()A.使快中子变成慢中子使快中子变成慢中子B.使慢中子变成快中子使慢中子变成快中子C.使反应速度加快使反应速度加快D.控制反应速度控制反应速度,调节反应速度的快慢调节反应速度的快慢答案答案:D第29页 第29页 9.核反应堆的燃料是核反应堆的燃料是_,石墨石墨 重水等作为重水等作为_使使裂变时产生的中子速度减小裂变时产生的中子速度减小,易于被镉棒吸收易于被镉棒吸收;用镉棒用镉棒_以控制核反应堆的以控制核反应堆的_,再用水等流体在反再用水等流体在反应堆内外循环流动传输反应中产生的热量应堆内外循环流动
21、传输反应中产生的热量.解析解析:在核反应堆中的核燃料是铀在核反应堆中的核燃料是铀235,用石墨、重水等作减用石墨、重水等作减速剂速剂,用镉棒来吸收中子用镉棒来吸收中子,以控制反应速度以控制反应速度.答案答案:铀铀235 减速剂减速剂 吸收中子吸收中子 速度速度第30页 第30页 10.原子反应堆的功率为原子反应堆的功率为104 kW,1 h消耗的核燃料为消耗的核燃料为8.75 g,已知一个铀已知一个铀235裂变时放出裂变时放出200 MeV的核能的核能,求该铀燃料中求该铀燃料中铀铀235所占的百分比所占的百分比.解析解析:反应堆每小时产生的能量为反应堆每小时产生的能量为:E=Pt=1073600 J=3.61010J每个铀核裂变释放的能量每个铀核裂变释放的能量E1=2001061.610-19 J=3.210-11J第31页 第31页 每小时需要铀每小时需要铀235的质量为的质量为所占比例所占比例答案答案:5%