1、5 核裂变学习目标 1.知道什么是核裂变.2.知道链式反应及链式反应的条件，并能计算裂变释放的核能.3.了解裂变反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度以及如何防止核污染一、核裂变1核裂变重核被中子轰击后分裂成两个(或几个) 中等质量原子核，并放出 核能的过程2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 Kr3 n.23592 10 14456 8936 103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，这种反应称为链式反应4链式反应的条件(1)铀块的体积大于等于临界体积(2)有足够数量的慢中子二
2、、核电站1核反应堆：利用核能发电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)减速剂：铀 235 容易捕获慢中子发生反应，可采用石墨 、重水、普通水作减速剂(3)控制棒：为控制能量释放的速度，需控制中子的数目，采用镉棒作为控制棒来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：在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下或海底即学即用1判断下列说法的正误(1)铀核的裂变是
3、一种天然放射现象( )(2)铀块的体积大于或等于临界体积时链式反应才能不停地进行下去( )(3)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变( )(4)铀核裂变的产物是钡和氪，且固定不变( )(5)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度( )(6)核反应堆用过的核废料无毒无害( )2当 U 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：23592U n Xe Sr3 n.23592 10 13954 9438 10已知 U 的原子质量为 235.043 9 u， n 的原子质量为 1.008 7 u， Xe 的原子质量为23592 10 13954138.917 8 u， Sr 的原
4、子质量为 93.915 4 u，且 1 u 的质量对应的能量为 9.3102 MeV，此9438裂变反应释放出的能量是_MeV.答案 1.810 2解析 Emc 2(235.043 91.008 7138.917 893.915 431.008 7)9.3102 MeV 1.8102 MeV.一、核裂变及链式反应导学探究 如图 1 为铀核裂变示意图图 1(1)什么是裂变？写出上述铀核裂变的核反应方程(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？答案 (1)重核分裂成几个中等质量原子核的现象称为核裂变上面这个过程可以用下面的方程式来表示 U n Ba Kr3 n23592 10 14456 89
5、36 10(2)铀块体积应大于或等于临界体积、要有足够数量的慢中子才能发生链式反应知识深化1常见的裂变方程(1) U n Xe Sr2 n23592 10 13954 9538 10(2) U n Ba Kr3 n23592 10 14456 8936 102链式反应发生的条件(1)铀块的体积大于或等于临界体积体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核(2)有足够浓度的铀 235.(3)有足够数量的慢中子3铀的同位素中铀 235 比铀 238 更容易发生链式反应4核裂变时发生质量亏损，放出能量例 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
6、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的质量无关答案 C解析 要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于或等于 临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量，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，若超过临界体积时则发生链式反 应，由此知 A、B、D 错误，C 正确二、重核裂变释放的核能的计算导学探究 下面是铀核裂变反应中的一个核反应方程： U n Xe Sr10 n.已23592 10 13654 9038 10知铀 235 的质
7、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是多少？释放的总能量是多少？(已知 1 u 相当于 931.5 MeV 的能量)答案 质量亏损是反应前的总质量减去反应后的总质量：m(235.043 91.008 789.907 7135.907 2101.008 7)u0.150 7 u释放的总能量为 E931.50.150 7 MeV140.377 05 MeV.知识深化1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 20
8、0 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2计算释放的核能：质量单位为“u”时，可直接用“1 u 的质量亏损放出能量 931.5 MeV”计算总能量；当质量单位为“kg”时，直接乘以(3.010 8)2，总能量单位为焦耳例 2 用中子轰击铀核( U)，其中的一个可能反应是分裂成钡( Ba)和氪( Kr)两部分，23592 14156 9236放出 3 个中子它们的质量如下：mU390.313 910 27 kg，m n1.674 910 27 kg；mBa 234.001 61027 kg，m Kr1
9、52.604 710 27 kg.试写出核反应方程，求出反应中释放的核能答案 n U Ba Kr3 n 3.220 210 11 J10 23592 14156 9236 10解析 铀核裂变方程为 n U Ba Kr3 n，10 23592 14156 9236 10则核反应前后的质量亏损为mm Um nm Bam Kr3m n3.57810 28 kg，由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为 Emc 23.57810 28 (3108)2 J3.220 21011 J.三、核电站1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：部件名称项目 减速
10、剂 控制棒 热循环介质 保护层采用的材料石墨、重水或普通水(也叫轻水)镉 水或液态的金属钠 很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀 235 吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染2.核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大，所能提供的能量大(3)对环境的污染要比火力发电小例 3 如图 2 所示是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是( )图 2A铀 235 容易吸收快中子后发生裂变反应B快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀 235 俘获而引起裂变反应C控制棒由镉做成，当反应过于
11、激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些答案 B解析 快中子容易与铀 235“擦肩而过” ，快中子跟减速 剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀 235 俘 获而引起裂变反应， 选项 B 正确，A 错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过 于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，要使反 应更激烈， 应使控制棒插入浅一些，选项 C、D 都错误1(对核裂变的理解)( 多选)铀核裂变是核电站核能的重要
12、来源，其一种裂变反应为U n Ba Kr 3 n，下列说法正确的有( )23592 10 14456 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答案 AC解析 从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，A 对；铀块体积对链式反应的发生有影响，B 错；铀核的链式反应可人工控制，C 对；铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，D 错2(核反应堆的认识)如图 3 所示，镉棒在核反应中的作用是 ( )图 3A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答案 D解
13、析 在核反应堆中石墨使快中子变为慢中子， 镉棒吸收中子，控制反应速度，调节反应速度的快慢3(对裂变方程的理解)在众多的裂变反应中，有一种反应方程为U n Ba Kra X，其中 X 为某种粒子，a 为 X 的个数，则( )23592 10 14156 9236AX 为中子，a2 BX 为中子，a3CX 为质子，a2 DX 为质子，a3答案 B解析 根据核电荷数守恒可知，X 的电荷数为 0，X 必为中子 n，由 质量数守恒可知 a3，选10项 B 正确4(裂变释放核能的计算)铀核( U)裂变成钡( Ba)和氪( Kr)已知23592 14156 9236U、 Ba、 Kr 以及中子的质量分别是
14、235.043 9u、140.913 9 u、91.897 3 u 和 1.008 7 23592 14156 9236u(已知 1 u 相当于 931.5 MeV 的能量)(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 3.0105 kW，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?23592答案 (1) U n Ba Kr3 n 200.6 MeV (2)9.610 3 kg23592 10 14156 9236 10解析 (1)核反应方程为 U n Ba K
15、r3 n，23592 10 14156 9236 10核反应中的质量亏损为m235.043 9 u140.913 9 u91.897 3 u21.008 7 u 0.215 3 u则一个 235U 核裂变所释放的能量 为E0.215 3931.5 Mev200.6 Mev.(2)核电站 1 年所产生的电能为 EPt ，t365243 600 s.每摩尔 235U 全部裂变所释放的能量 为 NAE，NA为阿伏伽德 罗常量，而 235U 的摩尔质量为MU0.235 kg/mol，所以电站 1 年要消耗的 U 的质量 m MU，其中 E200.6 MeV3.210 11 J23592PtNAE代入数
16、据得 m9.610 3 kg.一、选择题考点一 重核的裂变及裂变过程1当一个重核裂变时，它所产生的两个核( )A含有的总质子数比裂变前重核的质子数少B含有的总中子数比裂变前重核的中子数多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答案 D解析 一个重核裂变时，在产生两个核的同时，也放出中子，所以新产生的两个核的总中子数比裂变前重核的中子数要少，两个核的总质子数与裂变前重核的 质子数相等， 选项 A、B 错误；裂变时放出的能量主要是反应前后质量亏损而产生的能量，要远大于俘获中子时得到的能量，C 项错误；重核裂变的产物是多种多 样的， D 项正确21938 年哈恩用中子
17、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这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算D 实验中产生的 射线穿透能力极强答案 D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 Ba Kr3 n，选项 A 错误；铀核裂变过 程中产生 射线，放出能量，发生23592 10 14456 8936 10质量亏损，释放的能量可根据 爱因斯坦的质能方程计算，
18、选项 B、C 错误；核反应中产生的 射线，穿透能力极强，选项 D 正确3原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等，在下列核反应中，属于核裂变反应的是( )A. B n Li He105 10 73 42B. U Th He23892 23490 42C. N He O H147 42 178 1D. U n Ba Kr3 n23592 10 14156 9236 10答案 D4一个 U 原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应的裂变方程为23592U nX Sr2 n，则下列叙述正确的是( )23592 10 9438 10AX 原子核中含有 86 个中子BX 原子核中含有 141 个核子C因
19、为裂变时释放能量，根据 Emc 2，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数减少答案 A解析 X 原子核中的核子数为 (2351)(94 2)140 个，B 错误；中子数为 140(9238)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 错误考点二 核电站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，它的主要组成部分是( )A原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统B原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统C原子燃料、调速剂、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答案 A解析 核反应堆的主要部分
20、包括燃料，即 浓缩铀 235； 减速剂，采用石墨、重水或普通水；控制调节系统，用控制棒控制 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内外循环流动，把反应堆的 热量传输出去，用于 发电，故 A 正确，B、C 、D 错误6(多选) 为使链式反应平稳进行，可采用下列办法中的( )A铀块可制成任何体积B铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核C通过慢化剂使产生的中子减速D用镉棒作为控制棒，控制反应的剧烈程度，使反应平稳进行答案 CD解析 铀块小于临界体积将不会发生裂变反应，A 错；中子的速度不能太快，否则会与铀核“擦肩而过” ，铀核不能“捉” 住它，不能 发生核裂变，B 错；镉棒吸收
21、中子，控制反应剧烈程度，使反应平稳进行，D 对；通 过慢化剂使中子减速，目的是使中子更容易被铀核俘获，发生链式反应，C 对考点三 核裂变释放核能的计算7(多选) 核电站的核能来源于 U 核的裂变，下列说法中正确的是( )23592A反应后的核废料已不具有放射性，不需要进一步处理B. U 的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，如 Xe 和 Sr，反应方程式为23592 13954 9538U n Xe Sr2 n23592 10 13954 9538 10C. U 原子核中有 92 个质子、143 个中子23592D一个 U 核裂变的质量亏损为 m0.215 5 u，则释放的核能约 201
22、 MeV23592答案 BCD解析 反应后的核废料仍然具有放射性，需要 进一步处理，故 A 错误；发生核反应的过程满足电荷数守恒和质量数守恒，可判断 B 正确；92 为 U 元素的 质子数，中子数 为23592143，故 C 正确；根据质能方程与质量亏损可知，裂变时释放的能量是 E0.215 5931.5 MeV 201 MeV，故 D 正确8一个铀 235 吸收一个中子发生核反应时大约放出 196 MeV 的能量，则 1 g 纯 92U 完235全发生核反应时放出的能量为(N A 为阿伏伽德罗常量)( )AN A196 MeV B235N A196 MeVC235196 MeV D. 196
23、 MeVNA235答案 D解析 由于 1 mol 的铀核质量为 235 g,1 g 铀 235 为 mol，因此 1 g 纯 U 完全发生核反1235 23592应时释放的能量 E 196 MeV，故 D 正确NA235二、非选择题9(裂变释放核能的计算)现有的核电站常用的核反应之一是：U n NdZr 3 n8 e23592 10 14360 10 0 1 (1)核反应方程中的 是反中微子，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)已知铀核的质量为 235.043 9 u，中子的质量为 1.008 7 u，钕(Nd)核的质量为 142.909 8 u，锆(Zr)核的
24、质量为 89.904 7 u，试计算 1 kg 铀 235 裂变释放的能量为多少？ (1 u1.660 61027 kg)答案 (1)40 90 (2)8.1 1013 J解析 (1)锆的电荷数 Z92 60840，质量数 A23614690.核反应方程中用符号 Zr 表示904(2)1 kg 铀 235 中铀核的个数为n (个) 2.5610 24(个)1235.043 91.660 610 27不考虑核反应中生成的电子质量，1 个铀 235 核裂变产生的质量亏损为m0.212 u，释放的能量为E0.212931.5 MeV197.5 MeV则 1 kg 铀 235 完全裂变释放的能量为En
25、E2.5610 24197.5 MeV8.110 13 J.10(核裂变反应的综合应用) 在可控核反应堆中需要使快中子减速，轻水、重水和石墨等常用作减速剂中子在重水中可与 H 核碰撞减速，在石墨中与 C 核碰撞减速上述碰撞可21 126简化为弹性碰撞模型某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？答案 用重水作减速剂减速效果更好解析 设中子质量为 Mn，靶核质量为 M，由动量守恒定律得 Mnv0M nv1Mv 2Mnv02 Mnv12 Mv2212 12 12解得 v1 v0Mn MMn M在重水中靶核质量 MH2M n，v1H v0 v0Mn MHMn MH 13在石墨中靶核质量 MC12M n，v1C v0 v0Mn MCMn MC 1113与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好
