2019-2020学年高中物理 第4章 核能 第2节 核裂变课件 鲁科版选修3-5

第4章核能第2节核裂变第4章核能1.知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量．(重点)2.知道什么是链式反应．3．会计算重核裂变过程中释放出的能量．(重点＋难点)4.知道什么是核反应堆．了解常用裂变反应堆的类型．一、重核的裂变1.核裂变：像中子轰击铀核___________质量___________的两部分那样，重核_________质量较小的核的反应，称为核裂变．2.裂变能：核裂变__________的能量，也称__________或原子能．分裂成相近分裂成释放核能3.铀核的裂变(1)两种常见的核反应方程：23592U＋10n→13954Xe＋9538Sr＋____________23592U＋10n→14156Ba＋9236Kr＋____________(2)铀核裂变释放的能量是巨大的，裂变反应中每个核子释放的能量约为____________．210n310n1MeV1．(1)铀核的裂变是一种天然放射现象．()(2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．()××二、链式反应1.链式反应：当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出____________，放出的_________再引起其他铀核__________，且能不断地继续下去，成为链式反应．2.发生条件(1)有持续不断的中子源．(2)达到___________体积．2～3个中子中子裂变临界发生链式反应为何会有临界体积呢？提示：原子核的体积很小，原子内部绝大部分是空隙．如果铀块的体积不够大，中子通过铀块时可能碰不到铀核而跑到铀块外面去．三、裂变反应堆1.用人工的方法控制____________的速度，人们制成了____________，它是能________和_________核裂变的装置．2.核反应堆包含__________、____________、____________和____________等部分．堆芯又由____________、____________和____________组成．链式反应核反应堆维持控制堆芯中子反射层控制系统防护层燃料棒减速剂冷却剂2．(1)在核反应中，中子的速度越大越容易击中铀核．()(2)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度．()(3)核反应堆用过的核废料无毒无害．()×√×重核的裂变及链式反应1.裂变的发现：1938年12月，德国化学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变，向核能的利用迈出了第一步．2.裂变的解释：重核被中子轰击后，与中子复合成一个处在高激发态的同位素，这种重核的同位素要发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球形的核，核子间的距离增大，核力减小不足以抵消质子间的库仑斥力而恢复原状最后分裂成两部分，同时放出中子．3.裂变过程为什么能放出能量中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定．如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出能量.23592U的裂变是很常见的一种重核裂变，它裂变的反应物和生成物有多种，其中有两种很典型的反应是：23592U＋10n→13954Xe＋9538Sr＋210n23592U＋10n→14156Ba＋9236Kr＋310n在重核裂变过程中，核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，但反应前后质量不同，发生了质量亏损，释放出能量．计算一个铀核在上述第二种裂变过程放出的能量．已知m(23592U)＝235.0439u，mn＝1.0087u，m(14156Ba)＝140.9139u，m(9236Kr)＝91.8973u，且1u质量对应的能量为931.56MeV裂变前：m1＝(235.0439＋1.0087)u＝236.0526u裂变后：m2＝(140.9139＋91.8973＋3×1.0087)u＝235．8373u质量亏损：Δm＝0.2153u释放能量：ΔE＝0.2153×931.56MeV＝200.56MeV.4.重核裂变的条件(1)重核的裂变只能发生在人为的核反应中，自然界中不会自发地产生裂变，而是发生衰变．(2)要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使其分裂，并放出更多的中子，这些中子再去轰击更多的铀核，产生更多的中子，就形成了链式的反应．如图所示(3)链式反应速度很快，如不加以控制，能量在瞬间急剧释放引起剧烈爆炸(如原子弹)．如果运用一定方法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)．(1)23592U裂变的产物是多种多样的，但裂变反应的依据是实验事实，不能仅凭反应前后质量数和电荷数守恒编造裂变反应．(2)裂变的链式反应需要一定的条件才能维持下去①要有足够浓度的铀235；②要有足够数量的慢中子；③铀块的体积大于临界体积．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，所以核子数要减小D．重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能[思路点拨]重核裂变问题，要注意明确下列三点：(1)原子核裂变时核能的来源；(2)链式反应能够发生的条件；(3)裂变反应遵循的规律．[解析]根据重核发生裂变的条件和裂变释放核能的原理分析可知，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．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．在裂变反应中质量数、核电荷数均守恒，即核子数守恒，所以核子数是不会减小的，因此选项A、B、C均错；重核裂变为中等质量的原子核时，发生质量亏损，从而释放出核能，故选D.[答案]D在重核的裂变反应中仍然遵循质量数守恒与核电荷数守恒．核能的利用1.原子弹杀伤力强大的原因：核能在极短时间内释放出来．核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应．2.核反应堆——核电站的心脏：裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理见下表：组成部分材料作用裂变材料(核燃料)浓缩铀(23592U)提供核燃料组成部分材料作用慢化剂(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[思路点拨]本题考查对反应堆中各种材料的用途的认识．[解析]镉棒不是离子源不会释放中子，A错误；也不是减速剂，不能使快中子变为慢中子，B、D错误；镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强时，控制棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出少吸收中子，故C正确．[答案]C现已建成的核电站的能量来自于()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.核电站的核心设施就是核反应堆，核反应堆的核心技术就是用人工的方法控制重核裂变链式反应的速度，所以核电站的能量来自重核裂变放出的能量．裂变核能的计算现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：23592U＋10n―→14360Nd＋AZZr＋310n＋80－1e＋ν(1)核反应方程中的ν是中微子，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(U)核的质量为235.0493u，中子质量为1.0087u，钕(Nd)核质量为142.9098u，锆核质量为89.9047u．又知1u＝1.6606×10－27kg，试计算1kg铀235大约能产生的能量是多少？[思路点拨]根据核反应前后质量数和电荷数守恒确定锆(Zr)的质量数和电荷数，先求一个23592U裂变释放出的能量，再求1kg23592U的原子核数，最后求出1kg23592U裂变释放的能量．[解析](1)根据电荷数和质量数守恒，可得Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－143－3×1＝90.(2)质量亏损Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.2174u.一个铀核裂变释放能量ΔE＝Δm×931.56MeV＝0.2174×931.56MeV≈202.5MeV，1kg铀核含有的原子核数为n＝1000235×6.02×1023个≈2.562×1024个，1kg铀核产生的能量E总＝n·ΔE＝2.562×1024×202.5MeV≈5.2×1026MeV＝5.2×1026×106×1.6×10－19J≈8.3×1013J.[答案](1)4090(2)8.3×1013J本部分内容讲解结束按ESC键退出全屏播放