2014-2015学年高中物理 19.6核裂变课件 新人教版选修3-5

6核裂变课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导学习目标1.明白什么是重核的裂变。2.能记住链式反应的条件。3.知道原子弹和核电站都是重核裂变的具体应用,了解核电站的工作模式。4.能说出核裂变反应堆的工作原理及类型。重点难点重点:常见的几种核裂变及核反应方程。难点:裂变能的计算。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导一、核裂变1.裂变重核被中子轰击后分裂成两块质量差不多的新原子核,称为裂变。2.铀核裂变用中子轰击铀核,铀核发生裂变,铀核裂变的产物是多样的,其中最典型的反应是生成钡和氪,同时放出三个中子。核反应方程式为:92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n。3.链式反应当一个中子引发一个铀核裂变后,反应释放出的中子又轰击其他原子核产生裂变,释放出的中子又轰击其他铀原子核……这样的反应一代接一代进行下去的过程,叫作裂变的链式反应。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导4.临界体积和临界质量通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积,相应的质量叫作临界质量。5.发生链式反应的条件裂变物质的体积必须大于或等于临界体积,或裂变物质的质量必须大于或等于临界质量。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导预习交流1如图所示为我国于1964年10月16日发射的第一颗原子弹爆炸成功的图片。研制成功原子弹,极大地增强了我国的国防力量,提高了我国的国际地位。你知道这其中蕴涵的物理知识吗?课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导答案:原子弹是利用重核的裂变反应制成的,高纯度的铀或钚超过临界体积时发生链式反应,在极短时间内能够释放大量核能,发生猛裂爆炸。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导二、核电站原子核的链式反应可以在人工的控制下进行,从而实现了核能的可控释放,实现可控的条件是控制引起链式反应的中子的数目,方法是在核反应堆中的铀棒之间插入一些镉棒,镉具有极强的吸收中子的能力,当将镉棒插得深一些时,就能多吸收一些中子,使链式反应的速度慢下来,这种镉棒又叫控制棒。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导预习交流2核电站与火电站相比有何优缺点?答案:(1)优点:①核电站消耗的燃料很少。②作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量很大。③火电站烧煤要放出很多污染物,而核电站放出的污染物要少得多。(2)缺点:①一旦核泄漏会造成严重的核污染。②核废料处理比较困难。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测一、核裂变活动与探究1.重核的裂变能够自发地进行吗?答案:重核的裂变不能自发地进行,只能发生在人工控制的核反应中,只有达到链式反应所需要的条件时,才会发生核反应。2.发生链式反应的条件是什么?答案:(1)铀块达到临界体积;(2)要有持续不断的中子源。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测迁移与应用例1(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92235𝑈+01𝑛→56144Ba+3689Kr+301n。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课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测解析:反应后的中子数多于反应前参与的中子数,所以该裂变反应中有中子放出,铀块的大小是链式反应能否发生的重要因素,裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积。且链式反应可人工控制,放射性元素的半衰期由核内部自身因素决定,与原子所处的化学状态和外部条件没有关系。选项A、C正确。答案:AC课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测迁移训练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,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,放出核能答案:D课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测解析:根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知,裂变时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,其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。在裂变反应中核子数是不会减少的,如92235U裂变为3890Sr和54136Xe的核反应,其核反应方程为92235U+01n→3890Sr+54136Xe+1001n,课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测其中各粒子质量分别为:mU=235.0439u,mn=1.00867u,mSr=89.9077u,mXe=135.9072u。质量亏损为Δm=(mU+mn)-(mSr+mXe+10mn)≈0.1510u可见铀核裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的,核子数是不会减少的,因此选项A、B、C均错。重核裂变为中等质量的原子核时,由于平均质量减小,还会再发生质量亏损,从而释放出核能。综上所述,选项D正确。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测重核裂变: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的斥力作用而分裂成几块,同时放出2~3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。一般来说,平均每个核子放出的能量约为1MeV,1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t优质煤燃烧时释放的能量。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测二、核电站活动与探究1.快中子增殖反应堆,简称“快堆”,是获取核能的一种技术。快堆不用铀235,而用钚239作燃料,不过在堆心燃料钚239的外围再生区里放置铀238。钚239产生裂变反应时放出来的快中子,被装在外围再生区的铀238吸收,变为铀239,铀239经过两次β衰变后转化为钚239。在大型快堆中,平均每10个钚239原子核裂变可使12至14个铀238转变成钚239。这样,钚239裂变,在产生能量的同时,又不断地将铀238变成可用燃料钚239,而且再生速度高于消耗速度,核燃料越烧越多,快速增殖,所以这种反应堆又称“快速增殖堆”。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测快中子增殖反应堆目前还处在研制阶段。2011年7月21日10时,我国第一个由快中子引起核裂变反应的中国实验快堆成功实现并网发电。如图为该快堆外景。中国实验快堆外景已知铀238为92号元素,试写出上述材料中涉及的几个核反应方程。(钚元素:Pu)答案:92238𝑈+01𝑛→92239U92239U→2-10𝑒+94239Pu课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测2.衰变反应为放热反应,为什么核电站中反应堆采用核裂变放能,而不采用衰变放能?答案:衰变尽管也释放能量,但是自发进行的,无法人为控制,而且释放的能量较少,不能很好地利用。3.原子弹内还需要镉棒吗?答案:镉有吸收中子的特性,减少了中子的数目,可以控制能量释放的速度,而原子弹需要在极短的时间内释放大量核能,发生猛烈爆炸,不需要控制速度,故不需要镉棒。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测迁移与应用例2094型导弹核潜艇是中国最先进的战略核潜艇,水下最大航速为45节(1节=1.852km/h),核反应堆最大输出功率为4.5万千瓦,最大续航里程为20万海里(1海里=1.852km)。假设1个92235U核裂变放出能量是200MeV,铀矿石含铀235的浓度是4%,求:(1)当核反应堆达到最大输出功率时,每秒至少有多少个铀235原子核发生裂变?(2)核潜艇一次至少要装入铀矿石多少千克?课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测解析:(1)当核反应堆达到最大输出功率时,每秒发生裂变的铀235原子核数N=P𝑚t𝛥E=4.5×107×1200×106×1.6×10-19个≈1.4×1018个。(2)最大续航时间tm=sv=2.0×10545h≈1.6×107s,铀235的摩尔质量M=235g/mol,设需装铀矿石的质量为m,由Pmtm=NΔE=m·4%MNAΔE,得需装入铀矿石的质量m=MP𝑚t𝑚4%·N𝐴𝛥E=235×4.5×107×1.6×1074%×6.02×1023×200×106×1.6×10-19g≈2.2×105g=220kg。答案:(1)1.4×1018个(2)220kg课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测迁移训练2一个铀235原子俘获一个中子后,裂变为氙139和锶94,同时放出三个中子,写出核反应方程并算出一个铀核裂变时释放的核能。已知mU=235.04394u,mXe=138.91844u,mSr=93.91557u,mn=1.008665u,1u相当于931.5MeV。答案:92235𝑈+01𝑛→54139Xe+3894Sr+301n179.4MeV课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测解析:核反应方程为92235𝑈+01𝑛→54139Xe+3894Sr+301n该反应的质量亏损为Δm=(mU+mn)-(mXe+mSr+3mn)=[(235.04394+1.008665)-(138.91844+93.91557+3×1.008665)]u=0.1926u,所以,一个铀核裂变释放的核能为ΔE=0.1926×931.5MeV≈179.4MeV。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测1.核电站的核心设施是核反应堆,反应堆用的核燃料是浓缩铀235,它的主要部件列表如下:部件名称慢化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,防止放射性污染课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测2.裂变方程的书写及裂变核能的计算(1)根据质量数和核电荷数守恒,写出裂变方程。(2)计算出裂变前后质量亏损Δm。(3)根据质能方程ΔE=Δ