资源简介

(共31张PPT)
§5.4核裂变与核聚变
氢弹
原子弹
较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。
新课导入
那么在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢
1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的过程中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。
哈恩
奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变。
迈特纳
弗里施
一、核裂变的发现
1.核裂变：物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做核裂变。
（重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出中子的过程）
一、核裂变的发现
+
+
→
+
（ ）
铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有:
（最典型的一种核反应方程式）
一、核裂变的发现
2.核裂变的产物多种多样
二分裂
1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇在巴黎首先观察到中子轰击铀核的三分裂和四分裂现象。
三分裂、四分裂概率低，是二分裂的千分之三
阅读课本，重核裂变只能分裂成两块吗？
资料
一、核裂变的发现
用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变，释放出的中子又引起了其他铀核的裂变。
一、核裂变的发现
3.链式反应：
（1）定义：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。
（2）临界体积：使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。
铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。
原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，就有可能不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。只有当铀核足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，使链式反应进行下去。
一、核裂变的发现
3.链式反应：
发生链式反应
爆炸
能够维持链式反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量(critical mass)。 例如：铀-235 的临界质量约为 1 kg，质量超过1 kg 则发生爆炸。
（3）发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。
一、核裂变的发现
3.链式反应：
4.铀核裂变释放的能量
已知铀核裂变的反应为：
(1)求：一个铀核裂变释放的能量。
质量亏损：Δm = (mu+ mn) - (mBa+mKr+3mn)= 0.3578×10－27kg
一个铀核裂变释放的能量： E= mc2=3.2022×10-11J=201MeV
(2)求：1kg铀235全部裂变时所释放的能量
(3)求：1吨优质煤完全燃烧时释放的能量为E1= 3×1010J,计算1kg铀235全部裂变时所释放的能量相当于多少吨优质煤
一、核裂变的发现
4.铀核裂变释放的能量
核裂变释放出巨大的能量！
一、核裂变的发现
拓展学习
原子弹
我国是在科技水平、工业技术极端落后的情况下研发原子弹。
1964年10月16日下午15时，中国第一颗原子弹（内爆式）在新疆罗布泊核武器试验基地爆炸成功。
中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图
浙江省秦山核电站
江苏省田湾核电站
二、反应堆与核电站
核电站是利用核能来发电的，它的核心设施是反应堆。
一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30吨左右，而同样功率的火电站每年要消耗煤250万吨。核电站对环境的污染比火电站小。
水泥防护层
控制棒——镉棒
燃料棒—铀棒
慢化剂（石墨、重水、轻水）
反应堆
二、反应堆与核电站
反应堆：通过可控制的链式反应来释放核能的装置。
１.燃料：铀棒
2.慢化剂：为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水或普通水。
3.控制棒：在铀棒之间插入一些镉棒，利用镉棒吸收中子的能力很强来控制反应速度。镉棒插入的越深，吸收的中子就越多，链式反应的速度就越慢，这样的镉棒叫控制棒。
反应堆的组成
水泥防护层
控制棒——镉棒
燃料棒—铀棒
减速剂
4. 水泥防护层：屏蔽射线防止放射性污染。
二、反应堆与核电站
核电站工作流程
核电站优点：
①消耗的核燃料少
②污染小
第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核心反应放出的热使水的内能增加，水温升高。第一回路的水进入交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆。
在热交换器内，第二回路中的水被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。
二、反应堆与核电站
1.定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。
三、核聚变
4.太阳的能量来自热核反应。
5.用于制造氢弹。
三、核聚变
大阳是一个巨大的热核反应堆
2.发生聚变的条件:
必须使原子核间的距离达到10-15m，核力才能大于电磁力。
需要克服极大的库仑斥力，因此必须让轻核具有很大的动能。
3.实现的方法有: 利用高温。
当物质温度达到几千万摄氏度甚至更高时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生聚变。因此，聚变又叫热核反应。
1967年6月17日，我国首枚氢弹爆炸成功
(1)40　90　(2)5.06×1026 MeV
解析　(1)锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－146＝90；
不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应发生的质量亏损为
Δm＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn＝0.212 u
因此1 kg铀235完全裂变产生的能量约为
E＝n·Δm×931.5 MeV
＝2.56×1024×0.212×931.5 MeV
＝5.06×1026 MeV。
答案　(1)40　90　(2)5.06×1026 MeV
例2.计算下面核聚变放出的能量:
氘核的质量：mD＝2.014102 氚核的质量：mT＝3.016050u
氦核的质量：mα＝4.002603u 中子的质量：mn=1.008665u
这个量值虽然比一个铀核裂变产生的能量（201MeV）少，
但平均每个核子产生的能量：
是铀裂变（ = 0.852MeV）的约4倍。
小结
核裂变与核聚变
核裂变的发现
核聚变
定义
铀裂变方程
链式反应
裂变应用
链式反应快：原子弹
链式反应慢：核电站
定义
聚变方程
聚变条件
与裂变比较
1.(多选)关于重核裂变的说法正确的是(　　)
A.重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多
B.只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应
C.为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子
D.裂变过程中释放能量，质量亏损
AD
练习
答案　AD
解析 重核裂变为两个中等质量的核时，会产生两到三个中子，因而分裂后的中子数减小，选项A正确；链式反应的发生是有条件的，铀块的体积必须大于其发生链式反应的临界体积，链式反应一旦发生，中子轰击铀核裂变产生的中子再次引起其他铀核的裂变，且能不断继续下去，选项B、C错误；重核裂变时质量发生亏损，总能量减小，减小的能量对外释放，选项D正确。
2.如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法正确的是(　　)
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
B
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。
3.铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是(　　 )
A.铀块的质量是重要因素，与体积无关
B.为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子
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.裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关
C
答案　C
解析 要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于临界体积或临界质量，故选项A、D错误，C正确；铀235俘获慢中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的几率小，故选项B错误。
4.核反应堆的功率为104 kW，1 h消耗燃料8.75 g，已知每个铀235裂变时放出2×108 eV的能量，求该燃料中铀235的质量百分之比。
解析　该反应堆每小时输出的能量为
E＝Pt＝107×3 600 J＝3.6×1010 J
设放出这些能量消耗的纯铀235的质量为m g，则
答案　5%

展开更多......

收起↑