3　探测射线的方法教案（名师）

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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、核裂变和链式反应

[导学探究]

如图1为铀核裂变示意图．

图1 1．铀核裂变是如何发生的？

答案

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的斥力作用而分裂成几块，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应．

2．铀核裂变在自然界中能自发进行吗？

答案

重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自发地发生，故铀核裂变不会自发地进行．要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这些中子继续与其他铀核发生反应，再引起新的裂变，这样就形成了链式反应．

[知识梳理]

对核裂变和链式反应的理解

1．核裂变

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．

2．铀核裂变

1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

23592U＋0891n→

14456Ba＋36Kr＋30n. 3．链式反应

由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，叫做核裂变的链式反应．

4．链式反应的条件

(1)铀块的体积大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量．

(2)有足够数量的慢中子．

[即学即用]

判断下列说法的正误．

(1)铀核的裂变是一种天然放射现象．(

×

) (2)铀块的质量大于临界质量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，同时放出三个中子．(

×

) 二、核电站

[知识梳理]

1．核电站是利用核能发电，它的核心设施是反应堆，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：采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子的能力很强的特性，控制链式反应的速度．

2．工作原理

核燃料裂变释放能量，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，同时也使反应堆冷却．

4．核污染的处理

在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线．核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下．

[即学即用]

判断下列说法的正误．

(1)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度．(

√

) (2)核反应堆用过的核废料无毒无害．(

×

)

一、重核裂变与其释放核能的计算

1．常见的裂变方程

1951(1)

235→

13992U＋0n―54Xe＋38Sr＋20n 1891(2)

235→

14492U＋0n―56Ba＋36Kr＋30n 2．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．裂变反应的能量

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．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧释放的化学能，裂变时能产生几百万度的高温．

4．铀的同位素中铀235比铀238更容易发生链式反应．

例1

关于重核的裂变，下列说法正确的是(

) 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的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少

D．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 解析

核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A错误，D正确；发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于或等于临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B错误；重核裂变时，核子数守恒，C错误．

重核裂变的实质：

(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多中子的过程．

(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能比中等质量的核的比结合能要小．所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量．

14192例2

用中子轰击铀核(235

92U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(

56Ba)和氪(36Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：

mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg；

－27mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10 kg. 试写出核反应方程，求出反应中释放的核能．

235921答案

1→1410n＋

92U―

56Ba＋36Kr＋30n

3.220 2×10－11 J 解析

根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒，就可以写出核反应方程．根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能．

235921铀核裂变方程为1→1410n＋

92U―

56Ba＋36Kr＋30n，

则核反应前后的质量亏损为

Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝3.578×1011－28 kg，

－28由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为ΔE＝Δmc2＝3.578×10 J.

铀核裂变释放核能的计算

(1)首先算出裂变反应中的质量亏损Δm. (2)根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能．

×(3×108)2 J＝3.220 2×10－(3)若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核(设为n)，则铀块裂变释放的核能E＝nΔE. 二、核电站

1．核电站的主要部件及作用如下表：

部件

名称

项目

采用的

材料

作用

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(

) 石墨、重水或普通水(也叫轻水)

降低中子速度，镉

吸收中子，控慢化剂

控制棒

热循环

介质

水或液态的金属钠

把反应堆内的热量传输出去

保护层

很厚的水泥外壳

屏蔽射线，防止放射性污染

便于铀235吸收

制反应速度

图2 A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应

B．快中子跟慢化剂的原子核碰撞后的能量减少，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，快中子跟慢化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，选项C、D都错误.

1．(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是(

) A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能

B．镉棒的作用是控制反应堆的功率

C．石墨的作用是吸收中子

D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能

答案

ABD 解析

铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确；慢中子最容易引发核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故C错误；水或液态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，同时也使反应堆冷却，控制温度，故D正确．

2351942．一个

23592U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

92U＋0n→X＋38Sr＋210n，则下列叙述正确的是(

) A．X原子核中含有86个中子

B．X原子核中含有141个核子

C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，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(235＋1)－(94＋2)＝140个，B错误；中子数为140－(92－38)＝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．

3．(多选)秦山核电站第三期工程的两个6×105 kW发电机组已实现并网发电．发电站的核能来源于235

92U的裂变，下列说法正确的是(

) A．反应堆中核反应速度通常是采用调节235

92U的体积来控制的

2351951B.

235→13992U的一种可能的裂变是

92U＋0n―

54Xe＋38Sr＋20n C.

23592U是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短

D．一个235

92U裂变能放出200 MeV的能量，即3.2×10答案

BD 解析

反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制，A错；235

92U裂变有多种可能性，B对；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温度、压强等外界条件无关，C错；通过计算知，D正确．

11369014．一个铀235吸收一个中子后发生的一种核反应方程是235

92U＋0n→

54Xe＋38Sr＋100n，放出－11 J 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．(M－m1－m2)c2

C．(M－m1－m2－9m)c2

答案

C 解析

铀235裂变时的质量亏损Δm＝M＋m－m1－m2－10m＝M－m1－m2－9m，由质能方程可得E＝Δmc2＝(M－9m－m1－m2)c2. B．(M＋m－m1－m2)c2

D．(m1＋m2＋9m－M)c2

一、选择题(1～4题为单选题，5～6题为多选题) 1．链式反应中，重核裂变时放出的可使裂变不断进行下去的粒子是(

) A．质子

B．中子

C．β粒子

D．α粒子

答案

B 解析

在重核的裂变中，铀235需要吸收一个慢中子后才可以发生裂变，所以重核裂变时放出的可使裂变反应不断进行下去的粒子是中子．

2．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，我们将新建核电站项目．目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是(

) 1901361A.

23592U＋0n→38Sr＋

54Xe＋100n 240B.11Na―→2412Mg＋－1e

41C.

14→177N＋2He―

8O＋1H 4D.

238→23492U―

90Th＋2He 答案

A 解析

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β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变．

1141923．在众多的裂变反应中，有一种反应方程为

235其中X为某种粒子，92U＋0n→

56Ba＋36Kr＋aX，

a为X的个数，则(

) A．X为中子，a＝2 B．X为中子，a＝3 C．X为质子，a＝2 D．X为质子，a＝3 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10n，由质量数守恒可知，a＝3，选项B正确．

4．1938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γ射线．下列关于这个实验的说法中正确的是(

) 1144891A．这个实验的核反应方程是

23592U＋0n→

56Ba＋36Kr＋0n B．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γ射线穿透能力极强

答案

D 114489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：

23592U＋0n→

56Ba＋36Kr＋310n，选项A不正确；铀核裂变过程中产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量可根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B、C不正确；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项D正确．

5．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

答案

BD 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中子数比裂变前重核的要少，选项B正确；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；重核裂变的产物是多种多样的，D项正确．

6．日本福岛第一核电站在地震后，数秒内就将控制棒插入核反应堆芯，终止了铀的裂变链式反应．但海啸摧毁了机组的冷却系统，因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量，核燃料棒温度不断上升，对周边环境产生了巨大的危害．则下列说法正确的是(

) A．控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制

B．日本后来向反应堆灌注海水，可以降温，但大量的被污染的海水外泄，对周边环境产生了巨大的危害

C．核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大

D．核泄漏中放射性物质对人类是有害的

答案

ABD 解析

控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制，选项A正确；日本后来向反应堆灌注海水，大量的被污染的海水外泄，泄漏中放射性物质对周边环境产生了巨大的危害，选项B、D正确；因为核反应有能量释放，可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小，故C错误．

二、非选择题

7．裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核

235当23592U为燃料的反应堆中，

92U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

235

92U

139941

＋

10n

→

54Xe

＋

38Sr

＋

30n 235．043 9

1.008 7

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，此裂变反应释放出的能量是________ MeV. 答案

180 解析

此裂变反应的质量亏损为：

(235.043 9＋1.008 7) u－(138.917 8＋93.915 4＋3×1.008 7) u＝0.193 3 u，

由于1 u的质量对应的能量为931.5 MeV，

ΔE＝931.5×0.193 3 MeV≈180 MeV. 8．现有的核电站常用的核反应之一是：

023511→

143

92U＋0n―60Nd＋Zr＋30n＋8－1e＋ν

(1)核反应方程中的ν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，锆核的质量为89.904 7 u，1 u＝1.660 6×10铀235裂变释放的能量为多少？

答案

(1)40

90

(2)8.1×1013 J 解析

(1)锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－146＝90. (2)1 kg铀235中铀核的个数为

124n＝－27≈2.56×10(个)．

235.043 9×1.660 6×10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Δm＝0.212 u，

释放的能量为ΔE＝0.212×931.5 MeV≈197.5 MeV，

则1 kg铀235完全裂变释放的能量为E＝nΔE＝2.56×1024×197.5 MeV≈8.1×1013 J. －27 kg,1 u相当于931.5 MeV的能量．试计算1 kg