6核裂變學習目標知識脈絡1.知道裂變反應，了解裂變反應堆的工作原理及常用的裂變反應堆的類型．2．知道什么是鏈式反應及其發生的條件．3．了解原子彈的原理．4．知道核電站的工作模式及核能發電的優缺點.核裂變eq\a\vs4\al([先填空])1．核裂變重核被中子轟擊后分裂成兩個質量差不多的新原子核，并放出核能的過程．2．鈾核裂變用中子轟擊鈾核時，鈾核發生裂變，其產物是多種多樣的，其中一種典型的反應是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n.3．鏈式反應當一個中子引起一個重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且能不斷繼續下去，這種反應叫核裂變的鏈式反應．4．鏈式反應的條件發生裂變物質的體積大于臨界體積或裂變物質的質量大于臨界質量．eq\a\vs4\al([再判斷])1．鈾核的裂變是一種天然放射現象．(×)2．鈾塊的質量大于臨界質量時鏈式反應才能不停地進行下去．(√)3．鈾核裂變時能釋放出多個中子．(√)eq\a\vs4\al([后思考])1．鈾核的裂變是一種天然放射現象嗎？【提示】不是．鈾核在受到中子轟擊后才發生裂變，不是天然放射現象，屬于核反應．2．鈾核裂變的核反應方程是唯一的嗎？【提示】不是．鈾核裂變的生成物并不確定，所以其核反應方程不是唯一的．eq\a\vs4\al([合作探討])原子彈一般應該由兩部分組成，一是常規炸藥部分，一是核部分，核部分是由分成幾塊的裂變核材料組成，每一塊都在臨界體積以下，引爆時，借助常規炸藥在極短時間內，將這幾塊核材料合成一體，使總體積超過臨界體積，從而發生鏈式反應．探討1：為什么鈾塊的體積小于臨界體積時不能發生鏈式反應？【提示】如果每次裂變放出的中子平均有一個能再度引起裂變反應，或者說每一代裂變產生的中子數不少于上一代的中子數，裂變反應就能維持下去．當鈾塊的體積過小時，裂變產生的中子有的可能從裂變物質中漏出去，有的可能被雜質吸收，所以鏈式反應未必能持續下去．探討2：裂變反應發生后，裂變反應物的質量增加還是減??？為什么？【提示】減小．裂變反應釋放大量的能量，所以發生質量虧損，反應后的質量減小．eq\a\vs4\al([核心點擊])1．鈾核的裂變和裂變方程(1)核子受激發：當中子進入鈾235后，便形成了處于激發狀態的復核，復核中由于核子的激烈運動，使核變成不規則的形狀．(2)核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出2或3個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進行下去，釋放出越來越多的核能．(3)常見的裂變方程：①eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n.②eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n.2．鏈式反應的條件(1)鈾塊的體積大于臨界體積．(2)鈾塊的質量大于臨界質量．以上兩個條件滿足一個，則另一個條件自動滿足．3．裂變反應的能量鈾核裂變為中等質量的原子核，發生質量虧損，所以放出能量．一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變放出的能量相當于2800t標準煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產生幾百萬度的高溫．4．鈾的同位素中鈾235比鈾238更易發生鏈式反應在天然鈾中，主要有兩種同位素，%的是鈾238，%的是鈾235，中子能引起這兩種鈾核發生裂變，但它們和中子發生作用的情況不同．(1)鈾235：俘獲各種能量的中子都會發生裂變，且俘獲低能量的中子發生裂變的概率大．(2)鈾238：只有俘獲能量大小1MeV的中子才能發生裂變，且裂變的幾率?。芰康陀?MeV的中子只與鈾核發生彈性碰撞，不引起裂變．因此，為了使鏈式反應容易發生，最好利用純鈾235.1．關于重核的裂變，以下說法正確的是()A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量B．中子從鈾塊中通過時，一定發生鏈式反應C．重核裂變釋放出大量能量，產生明顯的質量虧損，但核子數不變D．重核裂變為中等質量的核時，放出核能E．核裂變釋放的能量來源于裂變過程的質量虧損【解析】核裂變釋放的能量來源于裂變過程的質量虧損，是核能轉化為其他形式能的過程，其能量遠大于俘獲中子時吸收的能量，A錯誤，D、E正確．發生鏈式反應是有條件的，鈾塊的體積必須大于其臨界體積，否則中子從鈾塊中穿過時，可能碰不到原子核，則不會發生鏈式反應，B錯誤．重核裂變時，核子數守恒，C正確．【答案】CDE2．鈾是常用的一種核燃料，若它的原子核發生了如下的裂變反應：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(A,Z)Sr＋2eq\o\al(1,0)n，則A＝________，Z＝________.【解析】根據核反應中的質量數、電荷數守恒可知，A＝94，B＝38.【答案】9438對重核裂變的兩點理解(1)重核裂變是中子轟擊質量數較大的原子核，使之分裂成中等質量的原子核，同時釋放大量的能量，放出更多的中子的過程．(2)重核的裂變是放能核反應，原因是核反應前后質量有虧損，根本原因是重核的比結合能相比中等質量的核的比結合能要小．所以在重核分解為兩個中等質量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量．核電站eq\a\vs4\al([先填空])1．核能釋放的控制通過可控制的鏈式反應實現核能釋放的裝置稱為核反應堆．2．慢化劑反應堆中，為了使裂變產生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，常用的慢化劑有石墨、重水和普通水．3．控制棒為了控制反應速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒，它吸收中子的能力很強，反應過于激烈時，可將其插入深一些，多吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些，這種鎘棒叫做控制棒．4．能量輸出核燃料裂變釋放的能量使反應區溫度升高，水或液態的金屬鈉等流體在反應堆外循環流動，把反應堆內的熱量傳輸出去，用于發電．5．核能發電的效益(1)一座百萬千瓦級的核電站，每年只消耗30噸左右的濃縮鈾，而同樣功率的火電站，每年要燒煤250萬噸．(2)核電技術已經成熟，在經濟效益方面也跟火力發電eq\a\vs4\al(不相上下).(3)作為核燃料的鈾、釷等在地球上的可采儲量所能提供的能量，比煤、石油等所提供的能量大15倍左右．核電對環境的污染比火電?。?．核污染的處理為阻止射線對人體的傷害和放射性物質對水源、空氣和工作場所造成放射性污染，在反應堆外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變產物放出的各種射線，核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制容器，深埋地下．eq\a\vs4\al([再判斷])1．控制棒是通過吸收中子多少來控制鏈式反應速度的．(√)2．核裂變釋放的大量核能是通過在反應堆外循環流動的液體傳輸出去的．(√)3．核電廢料難以處理，對環境的污染比火電大．(×)eq\a\vs4\al([后思考])1．核反應堆中的控制棒是由什么制成的？控制棒起什么作用？【提示】控制棒由鎘棒制成，鎘吸收中子的能力很強，在鈾棒之間插進一些鎘棒，可以控制鏈式反應的速度．2．慢化劑的作用是什么？是為了減慢裂變速度嗎？【提示】慢化劑的作用是使快中子減速，以便于中子與鈾核作用發生鏈式反應，不是為了減慢裂變速度，而是為了提高中子的利用率．eq\a\vs4\al([合作探討])核電站的核心設施是核反應堆，所用的核燃料為鈾235，為控制核能的釋放速度，反應堆中用到了慢化劑和控制棒．探討1：原子彈和核電站都利用了重核的裂變，兩者有何不同？【提示】原子彈殺傷力強大的原因是核能在極短的時間內釋放出來；而核電站是在人工控制下利用核能來發電，這是核能的和平利用．探討2：核電站是如何控制反應速度的？【提示】利用鎘棒插入深淺控制中子的數量而達到控制反應速度的目的．eq\a\vs4\al([核心點擊])1．核電站的主要組成核電站的核心設施是核反應堆，反應堆用的核燃料是鈾235，它的主要部件列表如下：部件名稱慢化劑控制棒熱循環介質保護層采用的材料石墨、重水或普通水(也叫輕水)鎘水或液態鈉很厚的水泥外殼作用降低中子速度，便于鈾235吸收吸收中子，控制反應速度把反應堆內的熱量傳輸出去屏蔽射線，防止放射性污染2.反應堆工作原理(1)熱源：在核電站中，核反應堆是熱源，如圖19-6-1為簡化的核反應堆示意圖：鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)為慢化劑，使反應生成的快中子變為慢中子，便于鈾235的吸收，發生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍．19-6-1反應堆示意圖(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反應速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應速度加快，采用電子儀器自動調節控制棒插入深度，就能控制核反應的劇烈程度．(3)冷卻劑：核反應釋放的能量大部分轉化為內能，這時通過水、液態鈉等作冷卻劑，在反應堆內外循環流動，把內能傳輸出去，用于推動蒸汽機，使發電機發電．發生裂變反應時，會產生一些有危險的放射性物質，很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面．3．核電站發電的優點(1)消耗的核燃料少．(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大．(3)對環境的污染要比火力發電?。?．關于核反應堆，下列說法正確的是()A．鈾棒是核燃料，裂變時釋放核能B．鎘棒的作用是控制反應堆的功率C．鈾棒的作用是控制反應堆的功率D．石墨的作用是吸收中子E．冷卻劑的作用是控制反應堆的溫度和輸出熱能【解析】鈾棒是核燃料，裂變時可放出能量，故A正確；鎘棒吸收中子的能力很強，作用是調節中子數目以控制反應速度，即控制反應堆功率，故B正確C錯誤；慢中子最容易引發鈾核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進行減速，石墨的作用是使中子減速，故D錯誤；水或液態金屬鈉等流體在反應堆內外循環流動，把反應堆內的熱量傳輸出去，用于發電，同時也使反應堆冷卻，控制溫度，故E正確．【答案】ABE4．原子反應堆是實現可控制的重核裂變的一種裝置，它主要由四部分組成，即原子燃料、________、________、控制調節系統．【解析】核反應堆的主要部分包括①燃料，即濃縮鈾235；②慢化劑，采用石墨、重水和普通水；③控制棒，控制鏈式反應的速度；④冷卻系統，水或液態鈉等流體在反應堆外循環流動，把反應堆的熱量傳輸出去用于發電．【答案】減速劑、冷卻系統5．每晝夜消耗220g鈾235的原子能發電站，如果效率為25%，它能產生的電功率為多大？(每個鈾核裂變時放出的能量是200MeV)【解析】一晝夜消耗的鈾所能產生的核能為：ΔE＝200×eq\f(220,235)××1023×106××10－19J＝×1013J電功率P＝ηeq\f(ΔE,t)＝eq\f×1013×25%,24×3600)W＝×107W.【答案】×107W1核電站釋放的核能是一個個核反應釋放核能積累的結果：E＝n·ΔE，ΔE＝Δmc2，n＝eq\f(m,Mmol)·NA.2發電站用于發電的能量只占所釋放核能的一部分，則E電＝ηE.學業分層測評(十七)(建議用時：45分鐘)[學業達標]1．當一個重核裂變時，它能產生的兩個核()A．一定是穩定的B．含有的中子數較裂變前重核的中子數少C．裂變時釋放的能量等于俘獲中子時得到的能量D．可以是多種形式的兩個核的組合E．含有的質子數與裂變前重核的質子數相等【解析】重核裂變為兩個中等質量的核時平均要放出2個或3個中子，裂變釋放的能量比俘獲中子的能量大，C錯誤．質子數不變，中子數會減少，故B、E正確．重核裂變的產物是多種多樣的，故A錯誤，D正確．【答案】BDE2．在下列四個方程中，X1、X2、X3、X4各代表某種粒子，判斷正確的是()①eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(95,38)Sr＋eq\o\al(138,54)Xe＋3X1②eq\o\al(2,1)H＋X2→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n③eq\o\al(238,92)U→23490Th＋X3④eq\o\al(24,12)Mg＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(27,13)Al＋X4A．X1是中子 B．X2是質子C．X3是α粒子 D．X4是氚核E．X4是質子【解析】根據電荷數和質量數守恒可得X1的電荷數為0，質量數為1，因此確定X1為中子，A對；根據電荷數和質量數守恒可得X2的電荷數為1，質量數為2，因此確定X2為氘核，B錯；根據電荷數和質量數守恒可得X3的電荷數為2，質量數為4，因此確定X3為α粒子，C對；根據電荷數和質量數守恒可得X4的電荷數為1，質量數為1，因此確定X4為質子，D錯E正確．【答案】ACE3．關于鈾核裂變，下列說法正確的是()A．鈾核裂變的產物是多種多樣的，但只能裂變成兩種不同的核B．鈾核裂變時還能同時釋放2～3個中子C．為了使裂變的鏈式反應容易進行，最好用鈾235而不用鈾238D．鈾塊的體積對產生鏈式反應無影響E．要產生鏈式反應，應使鈾塊的體積達到或超過臨界體積【解析】鈾核受到中子的轟擊，會引起裂變，放出2～3個中子，裂變的產物是各種各樣的，具有極大的偶然性，只是裂變成兩塊的情況多，也有的分裂成多塊，A錯誤，B正確．鈾235受慢中子的轟擊時，裂變的概率大，而鈾238只有俘獲能量在1MeV以上的中子才能引起裂變，且裂變的幾率小，C正確．而要引起鏈式反應，需使鈾塊體積超過臨界體積，故D錯誤E正確．【答案】BCE4．一個原子核eq\o\al(235,92)U在中子的轟擊下發生一種可能的裂變反應，其裂變方程為eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→X＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n，則下列敘述正確的是()A．X原子核中含有140個核子B．X原子核中含有86個中子C．因為裂變時釋放能量，所以裂變后粒子的總質量數增加D．因為裂變時釋放能量，所以裂變后粒子的總質量數減少E．因為裂變時釋放能量，所以裂變過程一定有質量虧損【解析】由核反應方程的質量數守恒和電荷數守恒可知：X原子核中含有92－38＝54個質子，235＋1－94－2－54＝86個中子.86＋54＝140個核子；故A正確，B正確；據愛因斯坦的質能方程可知，質量虧損時釋放能量不是質量變成了能量，而是虧損的質量以能量的形式釋放，但質量數依然守恒，故C錯誤，D錯誤E正確．【答案】ABE5．鏈式反應中，重核裂變時放出的可使裂變不斷進行下去的粒子是________．【解析】重核的裂變需要中子的轟擊，在鏈式反應中，不斷放出高速的中子使裂變可以不斷進行下去．【答案】中子6．1個鈾235核吸收1個中子發生核反應時，大約放出196MeV的能量，則1g純鈾235完全發生核反應放出的能量為________MeV.【解析】1g純鈾235有eq\f(1,235)×NA個鈾235核．因此1g純鈾235吸收中子完全發生核反應可以釋放出eq\f(NA,235)×196MeV能量＝×1023MeV.【答案】×10237．(2023·江蘇高考)核電站利用原子核鏈式反應放出的巨大能量進行發電，eq\o\al(235,92)U是核電站常用的核燃料.eq\o\al(235,92)U受一個中子轟擊后裂變成eq\o\al(144,56)Ba和eq\o\al(89,36)Kr兩部分，并產生________個中子．要使鏈式反應發生，裂變物質的體積要________(選填“大于”或“小于”)它的臨界體積．【解析】核反應方程遵守質量數守恒和電荷數守恒，且該核反應方程為：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n，即產生3個中子．臨界體積是發生鏈式反應的最小體積，要使鏈式反應發生，裂變物質的體積要大于它的臨界體積．【答案】3大于8．在核反應中，控制鈾235核裂變反應速度的方法是什么？【解析】控制鈾235核裂變反應速度的方法是控制中子的數量，其有效方法是用吸收中子能力很強的鎘棒插入鈾燃料周圍，鎘棒插入的深度不同，就會控制中子的數目，達到控制核反應的目的．【答案】通過自動控制裝置，改變鎘棒插入的深度，以改變中子數[能力提升]9．1938年哈恩用中子轟擊鈾核，發現產物中有原子核鋇(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射線．下列關于這個實驗的說法中正確的是()A．這個實驗的核反應方程是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)nB．這是一個核裂變過程，反應后粒子質量之和大于反應前粒子質量之和C．這個反應中釋放出的能量可以用愛因斯坦的光電效應方程來計算D．實驗中產生的γ射線，其穿透能力極強E．實驗中產生的γ射線的頻率很高【解析】根據質量數守恒、電荷數守恒，鈾核裂變的核反應方程應為：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n，選項A正確；鈾核裂變過程中，產生γ射線，放出能量，發生質量虧損，釋放的能量根據愛因斯坦的質能方程計算，選項B、C不正確；核反應中產生的γ射線頻率很高，穿透能力極強，是能量極高的光子，選項D、E正確．【答案】ADE10．我國秦山核電站第三期工程中有兩組60萬千瓦的發電機組，發電站的核能來源于eq\o\al(235,92)U的裂變，下列說法正確的是()\o\al(235,92)U原子核中有92個質子，143個中子；\o\al(235,92)U的一種可能裂變是變成兩個中等質量的原子核，反應方程為eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n；\o\al(235,92)U是天然放射性元素，常溫下它的半衰期約為45億年，升高溫度半衰期縮短；D．一個eq\o\al(235,92)U裂變能放出200MeV的能量，合×10－11J.E．通過改變半衰期來控制鏈式反應的速度【解析】由eq\o\al(235,92)U的質量數和電荷數關系易知A正確；由核反應方程中電荷數守恒和質量數守恒知B正確；半衰期不受外界因素干擾，故C、E錯誤；因為200MeV＝200×106××10－19J＝×10－11J，所以D正確．【答案】ABD11．已知eq\o\al(235,92)U(質量為9u)裂變后生成eq\o\al(141,56)Ba(質量為9u)和eq\o\al(92,36)Kr(質量為3u)，同時放出3個中子(每個中子質量為7u)，則1kg鈾全部裂變所放出的能量相當于多少千克優質煤完全燃燒時放出的能量？(1kg優質煤完全燃燒時產生×107J的熱量)【導學號：66390057】【解