1、版权所有:中国好课堂 一、核裂变1发现：1938 年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼，在用中子轰击铀核的实验中发现了铀核的裂变。2定义：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。3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U n Ba Kr 3 n。23592 10 14456 8936 104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，且能不断继续下去的核裂变反应。5链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于临界体积或裂变物质的质量大于等于临界质量。说明1裂变的中子方面：铀核裂变的产物是多种
2、多样的，放出的中子数目有多有少，中子的速度也有快有慢。2发生链式反应的条件方面：裂变物的体积(或质量) 必须大于等于临界体积 (或临界质量)才能发生链式反应。判一判1原子核发生放射性衰变的过程也是核裂变的过程()2核裂变是用中子轰击重核使之分裂实现的()3链式反应的条件是反应物质必须大于其临界体积或临界质量()二、核电站1组成核电站是利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成：(1)燃料：铀棒。(2)慢化剂：铀 235 容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水作慢化剂。(3)控制棒：由吸收中子能力很强的镉制成，用以控制链式反应的速度。2工作原理：核燃料裂变释放的能量使反
3、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核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染，在反应堆外面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，需要放入特制容器，深埋地下。注意1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，可以控制版权所有:中国好课堂 链式反应的速度。2慢化剂的作用是使快中子减速，以便于中子与铀核作用发生链式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率。选一选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
4、的是( )A镉棒能释放中子，依靠释放中子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，是利用镉棒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。1.铀核的裂变(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
5、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)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。一般说来，平均每个核子放出的能量约为 1 MeV,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，裂变时能产生几万度的高温。2链式反应的条件(1)铀块的体积大于等于临界体积。(2)铀块的质量大于等于临界质量。以上两个条件满足一个即可。典型例题例 1.1938 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 射线。下列关于这个
6、实验的说法中正确的是( )A这个实验的核反应方程是 U n Ba Kr n23592 10 14456 8936 10B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这个反应中释放出来的能量可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算D实验中产生的 射线穿透能力极强解析 根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为： U n 23592 10Ba Kr 3 n，选项 A 错误；铀核裂变过程中产生 射线，放出能量，发生质量亏损，14456 8936 10释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项 B、C 错误；核反应中产生的 射线，穿版权所有:中国好课堂 透能力极强，是能量极高的光
7、子，选项 D 正确。答案 D点评 准确理解裂变的特点1重核受中子轰击后生成中等质量的核。2裂变中一般产生 2 或 3 个中子。3裂变时产生质量亏损放出能量。即时巩固1下列核反应中，表示核裂变的是( )A. U Th He23892 23490 42B. C N e146 147 0 1C. U n Ba Kr3 n23592 10 14456 8936 10D. Be He C n94 42 126 10解析：选 C U Th He 是 衰变， C N e 是 衰变，23892 23490 42 146 147 0 1Be He C n 是原子核的人工转变，只有 C 选项是重核裂变。94 42
8、 126 101.核电站的主要组成核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀 235，它的主要部件列表如下：2.反应堆工作原理(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图。铀棒是燃料，由天然铀或者浓缩铀(铀 235 的含量占 2%4%)制成，常用石墨、重水和普通水(也叫轻水) 为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀 235 的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围。版权所有:中国好课堂 (2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入
9、深度，就能控制核反应的剧烈程度。(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态的金属钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去 ，用于推动蒸汽机，使发电机发电。发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。典型例题例 2.多选 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。以下说法中完全正确的是 ( )23592A. U 原子核中有 92 个质子，有 143 个中子23592B. U 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 23592 23592 10Xe Sr
10、 2 n13954 9538 10C. 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23592D一个 U 裂变能放出 200 MeV 的能量，合 6.41011 J23592解析 由 U 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23592质量数守恒知 B 正确；半衰期不受外界因素干扰，故 C 错误；放出能量 E200 MeV 2001061.61019 J3.210 11 J，D 错误。答案 AB点评 裂变问题的分析方法1对于裂变问题，要知道是什么原子核发生了裂变，写出原子核的裂变方程，应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒；更应该注意的是，原
11、子核的裂变方程必须是能够实际发生的，不能随意编造，并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生。2根据质能方程 Emc 2，由反应前后原子核的质量亏损，可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。即时巩固2多选 铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中一种裂变反应式是 92U n 56Ba Kr3 n。下列说法正确的有 ( )235 10 144 8936 10A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 核裂变反应是重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应，A 正确；铀块要发生链式反应
12、必须达到一定的体积，B 错误；链式反应可人工控制用以建立核电站，C 正确；原子核的半衰期由原子核本身的性质决定，与其所处的环境或状态无关，D 错误。版权所有:中国好课堂 1多选 当一个重核裂变时，它所产生的两个核( )A含有的质子数比裂变前重核的质子数少B含有的中子数比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D可能是多种形式的两个核的组合解析：选 BD 由于在裂变反应中吸收一个中子而释放出几个中子，质子数没有发生变化，而两个新核的中子数减少，A 错误，B 正确；反应前后质量发生了亏损而释放出能量，并不等于俘获中子的能量，在裂变反应中，产物并不是唯一的，故 C 错误，D 正
13、确。2(2016汕头高二检测) U 吸收一个慢中子后分裂成 Kr 和 Ba，还放出( )23592 9236 14156A1 个 粒子 B3 个中子C10 个中子 D10 个质子解析：选 B 根据质量数守恒、电荷数守恒可得，还放出 3 个中子，B 项正确。3(2016南昌高二检测)中国承诺到 2020 年碳排放量下降 40%45% 。为了实现负责任大国的承诺，我国将新建核电站项目。目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是( )A. U n Sr Xe10 n23592 10 9038 13654 10B. Na Mg e2411 2412 0 1C. N He O H147 42 178
14、1D. U Th He23892 23490 42解析：选 A 重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A 正确；B 为 衰变，C 是发现质子的反应，D 是 衰变。4(2016清远高二检测)铀核裂变是在反应堆中进行的，核反应堆主要由铀棒、镉棒、慢化剂、冷却系统和水泥防护层组成，镉棒在反应堆中起的作用主要是( )A使快中子变成慢中子B使慢中子变成快中子C使反应速度加快D控制反应速度，调节反应速度的快慢解析：选 D 镉棒可以吸收中子，控制镉棒插入反应堆的深度可以控制参与反应的中子数目，从而控制反应堆的反应速度，不一定是加快反应速度，也可能是减慢反应速度，A、B 、
15、 C 错误， D 正确。5(2016福建高二检测) U 受中子轰击时会发生裂变，产生 Ba 和 Kr，同时23592 13956 9436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 6.021023 mol1 )解析：每天发电的总量E243.610 35108 J4.3210 13 J版权所有:中国好课堂 要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目n 1.3510 24(个)4.32101321081.610 19则对应的质量 m 235103
16、 kg0.527 kg1.3510246.021023答案：0.527 kg基础练一、选择题1利用重核裂变释放核能时选铀 235，主要原因是( )A它裂变放出的核能比其他重核裂变放出的核能多B它可能分裂成三部分或四部分C它能自动裂变，与体积无关D它比较容易形成链式反应解析：选 D 铀 235 比较容易发生裂变，铀 235 发生裂变时会生成 2 或 3 个中子，中子再去轰击铀核发生链式反应，但发生链式反应还必须要使铀块体积大于等于临界体积，所以选项 A、B、C 错误，选项 D 正确。2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：U n ab2 n，则 ab 可能是( )23592 1
17、0 10A. Xe Kr B. Ba Kr1405 9336 14156 9236C. Ba Sr D. Xe Sr14156 9338 1405 9438解析：选 D 根据题中所给裂变反应方程，由质量数守恒、电荷数守恒，故 ab 的质量数应为 23512234，电荷数应为 92，故 D 选项正确。3链式反应中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是( )A质子 B中子C 粒子 D 粒子解析：选 B 链式反应是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，故选项 B 正确。4一个铀 235 吸收一个中子后的核反应方程是 U n Xe Sr10 n，23592 10 13654
18、9038 10放出的能量为 E，铀 235 核的质量为 M，中子的质量为 m，氙 136 核的质量为 m1，锶 90核的质量为 m2，真空中光速为 c，则释放的能量 E 等于( )A(Mm 1m 2)c2B(Mmm 1m 2)c2C(Mm 1m 29m) c2D(m 1m 29mM )c2解析：选 C 铀 235 裂变时的质量亏损：m Mmm 1m 210mM m 1m 29m。由质能方程可得E mc2(Mm 1m 29m )c2，C 正确。5核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是( )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
19、统C原子燃料、慢化剂、碰撞系统和热系统D原子燃料、中子源、原子能聚存和输送系统版权所有:中国好课堂 解析：选 A 核反应堆的主要部分包括 燃料，即浓缩铀 235；慢化剂，采用石墨、重水和普通水；控制棒，控制链式反应的速度；冷却系统，水或液态金属钠等流体在反应堆外循环流动，把反应堆的热量传输出去用于发电，A 正确，B、C、D 错误。二、非选择题6裂变反应是目前核能利用中常用的反应。以原子核 92U 为燃料的反应堆中，235俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为23592U92U n 54Xe Sr 3 n235 10 139 9438 10235043 9 1.008 7
20、 138.917 8 93.915 4反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位 u 为单位) 。(已知1 u 的质量对应的能量为 931.5 MeV)求此裂变反应过程中，(1)亏损质量为原子质量单位的多少倍？(2)释放出的能量是多少？(3)铀核平均每个核子释放的能量有多大？解析：(1) 92U 裂变成 54Xe 和 Sr，同时放出中子 n，裂变前后质量变化235 139 9438 10mm 前 m 后 (235.043 91.008 7138.917 893.915 431.008 7)u0.193 3 u即亏损质量为原子质量单位的 0.193 3 倍。(2)由爱因斯坦质能
21、方程，得Emc 20.193 3931.5 MeV180 MeV(3)铀核平均每个核子释放的能量为 0.766 MeVE235 180 MeV235答案：(1)0.193 3 (2)180 MeV (3)0.766 MeV提能练一、选择题1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铀 235 的体积大于等于它的临界体积，裂变的链式反应才能够发生D裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关解析：选 C 由铀核发生链式反应的条件知 A、D 错误，C 正确；快中子不易被铀 2
22、35捕获，不能使铀 235 发生链式反应，B 错误。21 个铀 235 吸收 1 个中子发生核反应时，大约放出 196 MeV 的能量，则 1 g 纯铀235 完全发生核反应放出的能量为(N A 为阿伏加德罗常数)( )AN A196 MeV B235N A196 MeVC235196 MeV D. 196 MeVNA235解析：选 D 1 g 纯铀 235 的物质的量为 mol，其中包含的铀核数为 ，故其完全1235 NA235反应放出的能量为 196 MeV，D 正确。NA2353多选 目前我国已经建成秦山和大亚湾核电站并投入使用，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是( )A核能发电
23、对环境的污染比火力发电要小版权所有:中国好课堂 B核能发电对环境的污染比火力发电要大C都只利用核裂变释放大量的原子能D既有核裂变，又有核聚变释放大量的原子能解析：选 AC 目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且污染程度小，核燃料是一种比较清洁的能源，A、C 正确，B、D 错误。4多选 下面是铀核裂变反应中的一个： U n Xe Sr10 n。已知铀23592 10 13654 9038 10235 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(已知 1 u 的质量对应的能量
24、为 931.5 MeV)( )A质量亏损为 m235.043 9 u1.008 7 u89.907 7 u135.907 2 uB质量亏损为 m(235.043 91.008 789.907 7135.907 2101.008 7)uC释放总能量为 E(235.043 91.008 789.907 7135.907 2101.008 7)(3108)2 JD释放总能量为 E(235.043 91.008 789.907 7135.907 2101.008 7)931.5 MeV解析：选 BD 质量亏损是反应物与生成物质量之差，差值可用“u”或“kg” 为单位，前者直接用 1 u 的质量亏损放出
25、 931.5 MeV 的能量计算，后者对应的能量单位是焦耳，B、D 正确。二、非选择题5每昼夜消耗 220 g 铀 235 的核电站，如果效率为 25%，它能产生的电功率为多大？(每个铀核裂变时放出的能量是 200 MeV，N A6.0210 23 mol1 )解析：一昼夜消耗的铀所能产生的核能为E 6.0210232001061.61019 J2202351.810 13 J电功率 P 25% W5.210 7 WEt 1.81013243 600答案：5.210 7 W6在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势，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
26、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 92U n 56Ba KraX 是反应堆中发生的许多核反应235 10 141 9236中的一种， n 为中子，X 为待求粒子， a 为 X 的个数，则 X 为_，a_。10以 mU、m Ba、m Kr 分别表示 92U、 56Ba、 Kr 的质量，m n、m p 分别表示中子、质子235 141 9236的质量，c 为光在真空中传播的光速，则在上述核反应过程中放出的核能E_。(2)有一座发电功率为 P1.0010 6 kW 的核电站，核能转化为电能的效率 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
27、过程中放出的核能E2.7810 11 J，铀核的质量 mU39010 27 kg，求每年 (1 年3.1510 7 s)消耗的 92U 的质量。235解析：(1)由反应方程可知 X 为 n，a 为 3，释放的能量为10E(m Um Bam Kr2m n)c2(2)因核电站发电效率为 40%，故核电站消耗 92U 的功率为 P 2.5010 6 kW235P核电站每年消耗 92U 的能量为235版权所有:中国好课堂 WPt7.87510 16 J产生这些能量消耗的铀核的数目n 2.8310 27(个)WE每年消耗 92U 的质量为235Mnm U1 103.7 kg答案：(1) n 3 (m Um Bam Kr2m n)c2 (2)1 103.7 kg10
