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《原子核》专题四共6页第1页第二十二章《原子核》课题四裂变制订人殷裕华【教学目标】1.理解核子平均质量曲线，知道释放核能的两条途径—重核裂变和氢核聚变2、知道铀裂变及其链式反应的原理3、了解核反应堆和核电站的基本原理【教学重点】铀裂变及其链式反应的过程【教学难点】核子平均质量曲线及其意义【授课时数】1-2课时【教学过程】［预习导读］【知识要点】○、复习&引入上一节我们学习了一个重要的关系——爱因斯坦质能方程，并由此解释了核反应过程中能量是怎样生成的。那么，是不是所有的核反应，质量都是亏损的，都会对应核能的释放呢？一、裂变1、利用核能的途径要质量有亏损，是利用核能的先决条件。启发：同学们，核反应前物质的核子数和反应后的核子数有什么关系？☆学生：相等。继续启发：要实现“反应后的质量＜反应前的质量”，如果我们引进“核子平均质量”，则核反应前核子平均质量和反应后的核子平均质量有什么关系？☆学生：较大。介绍：科学家们经过定量研究，发现组成各种元素的核子平均质量不尽相同，而且已经得出各种元素的核子平均质量曲线，见教材P74图22-13。同学们针对这个曲线观察一下，并总结：a、谁的平均质量最小？b、怎样才能获得质量亏损的核反应？c、哪一类核反应的质亏损比较“快”？☆学生：a、Fe的平均质量最小；b、轻核聚变和重核裂变；c、轻核聚变。结论：利用核能的两大途径：轻核聚变和重核裂变。*对于两种利用核能的途径还可以这样理解：决定原子核的稳固程度的积极因素是核力，消极因素是库仑斥力，而只有平均落实到每个核子上的积极因素与消极因素的比值最大的核才是最稳固的。毫无疑问，当核反应从稳固程度小的核往稳固程度大的核变化时，会释放多余的能量，反之，则需要外界补充能量。我们还应该注意一个事实，那就是核力是短程力，只会对邻近的几个核子起作用，而库仑斥力是长程力，会对几乎每一个核子都起作用。对于轻核而言，由于核子数太少，核力对每个核子基本上都是有作用的，甚至还添加几个，．．．．．．．．可能都还会起作用，所以可以视为这种积极作用还没有发挥到最大．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，所以并不是最稳固的。对于重核而言，由于核子数太多，核力必然只能对周边几个核子发挥作用，对大部分核子则．．．．．．．没有作用，故平均到每个核子时，这种积极作用就显得很弱了．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，所以也不是稳固的。（在刚才的比较中，我们没有谈到库仑斥力，因为它是长程力，可以认为对于大小不等的核，平均到每个核子的消极作用是近似相等的。）所以，“中等程度”的核就比较稳固了。这种稳固程度的量化表示，事实上就是所谓的“平均结合能”，或者对应教材解释的核子平均质量。我们还可以打这样一个不太恰当的比喻（来形容稳固程度、消极因素与积极因素的发《原子核》专题四共6页第2页挥）：作为一个成年的单身汉，往往在协调工作与生活、财务安排、事业发展时一般都是比较艰难的，因为（家庭结合的）积极因素没有得到发挥，这就是一个不够稳固的状态——它非常类似没有聚变的轻核。但是，是不是家庭越大越好呢？大家想一想，对于一个（旧社会）四世同堂、五世同堂的家庭，凝聚力一般只在相邻的两代或三代之间比较强，但消极因素（婆媳不和、妯娌不和、兄弟嫉妒、攀比等人性的弱点）却会因这个组合的加大反而变得复杂，所以也不是一个最稳固的状态了——这就非常类似没有裂变的重核。在这个比喻中，轻核的聚变就好比单身汉的成家，凝聚产生力量；重核的裂变就好比臃肿的大家需要分家，打破大锅饭，充分发挥个体的积极作用。本节，我们先介绍的是重核的裂变。二、铀核的裂变（从核子平均质量曲线可以看出）虽然原子序数大于26（铁）的原子核都能裂变产生核能，但我们发现，当曲线太平缓时，释放的核能肯定是非常有限的。故只能核子寻找平均质量曲线中相对较为陡峭的部分——人们找到了铀核。1.铀的裂变反应：有很多种，一个典型的是——方程：23592U+10n→14156aB+9236rK+310n裂变产物不是唯一确定的，有时还会发生三分裂和四分裂。我国物理学家钱三强、何泽慧夫妇1946年在巴黎首次发现了铀的三分裂和四分裂。但是，铀的的三分裂和四分裂概率是相当小的，我们这里还是应该分析核反应中的主流。）介绍27u27Ba27Kr27nm390.313910kgm234.001610kgm152.604710kgm1.674910kg，提请学生计算“质量亏损”。☆学生：Δm=(mu+mn)－(mBa+mKr+3mn)=0.3578×10－27kg共同计算：ΔE=ΔmC2=201MeV1kg铀完全裂变，释放的核能为：ΔE′=molmMNAΔE=1000235×6.02×1023×2.01×108=5.15×1032eV=8.24×1013J。对应常规能源：合2.51×106kg（即2510吨）煤炭燃烧！2、链式反应启发：从刚才的反应看，铀的裂变并不是自发的，而是需要中子去“轰击”，是不是为了维持反应的连续，我们需要另置一个中子源——然后不停地用中子轰击铀核？☆学生：观察反应方程→得出结论（无需，因为反应的生成物中有中子，可以作为下一个反应的“炮弹”。）链式反应介绍…三、核电站提到重核裂变，我们的第一反应是原子弹、蘑菇云、广岛，似乎核能总是核毁灭相联系。核能可以文明地被利用到常规领域吗？☆学生：可以。从上面的计算可以看出，核能是巨大的，如果让它一股脑的全部释放出来，肯定“文明”不了。所以，这里存在一个减速的问题。但是，前面不是说过，核反应的特点就是速度不变性吗？不过，轻同学们想一想，反应本身虽然不可控制，但是反应的个数如果可以控制，不《原子核》专题四共6页第3页也就控制了反应生成的能量了吗？1、核反应堆能够有效控制反应个数的装置叫核反应堆。图22-15就是核反应堆的示意图。a、快中子、慢中子和减速剂：首先，科学家研究发现，铀裂变方程的左边事实上要求的中子的速度不能很大，称为“慢中子”，而右边生成的中子速度却是很大的，称为“快中子”。因此要保证链式反应顺畅进行，就有一个将中子减速的课题。负责此项工作的介质有石墨、重水或普通水。在图22-15中，黑色的立方块（石墨）就是减速剂。同学们，减速剂的添加是“减慢”了铀的裂变呢，还是“加速”了铀的裂变？☆学生：加速。b、铀棒和镉棒的位置调节：控制燃料棒——铀棒——和减速剂的位置关系，就可以控制反应速度。图22-15中横向的棒就是铀棒，它在石墨中的深度是可以调节的。除此之外，人们在设置了另外一种吸收中子的介质——镉，图22-15中，纵向的棒就是镉棒，它在石墨中的深度也可以调节：插入较深时，它吸收的中子多，铀棒吸收中子的概率就小了，裂变反应就随之变慢；反之，镉棒插入较浅，反应就较快。2、核能如何转变成电能为了方便使用，都是将核能转变成二次能源——电能。而这个转化还是有中间环节存在，那就是要先将核能转变成热能，再用蒸汽机驱动电动机发电。3、核能利用的成本和前景“燃料”开采状况（是煤和石油的15倍左右）、燃料利用状况（只用到铀235的0.7%左右）和改进状况（增殖反应堆的研究）、废料处理的难度。各国利用核电的状况…四、小结本节课我们从质量亏损的可能性为契机，介绍了两种利用核能的途径，并介绍了重核裂变的方程与“速度”的控制。这是和军事、科技密切相关一节知识，所以教材不仅仅从理论，还从实际讲了一些核能利用的细节。【学法指导】【疑难辩析】【典型例析】【例1】．在其他能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势。在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。（1）核反应方程式23592U＋n→14156Ba＋9236Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为n，a＝3。以mU、mBa、mKr分别表示23592U、14156Ba、9236Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，C为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能△E＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2。《原子核》专题四共6页第4页（2）有一座发电能力为P＝1.00×106kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%。假定反应堆中发生的裂变反应全是本题（1）中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能△E＝2.78×10－11J，23592U核的质量mU＝390×10－27kg。求每年（1年＝3.15×107s）23592消耗的23592U的质量。【例2】．雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中徽子(ve)而获得了2002年度诺贝尔物理学奖．他探测中徽子所用的探测器的主体是一个贮满615t四氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶．电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为eArClve0137183717已知Cl3717核的质量为36.95658u，Ar3718核的质量为36.95691u，e01的质量为0.00055u，1u质量对应的能量为931.5MeV．根据以上数据，可以判断参与上述反应的屯子中微子的最小能量为A、0.82MeVB、0.31MeVC、1.33MeVD、0.51McV【例3】．试求：①此核反应中释放的能量为多少？②若这些能量全部转化为钋核和α粒子的动能，则钋核的动能为多少？14．①8.64×10-13J②1.6×-14J【例4】．静止在匀强磁场中的Li63核俘获一个速度为v0=7.7×104m/s的中子而发生核反应，HeHnLi42311063。若已知He42的速度v2=2.0×104m/s，其方向与反应前中子速度方向相同，求：（1）H31的速度v1是多大：（2）在图中画出两粒子的运动轨迹并求出轨道半径之比（3）当He42旋转3周时，粒子H31旋转几圈？【基础训练】姓名组别【能力提高】1．关于核能，下列说法中正确的有[]《原子核》专题四共6页第5页A．核子结合成原子核时，需吸收的能量B．核子结合成原子核时，能放出的能量C．不同的核子结合成原子核时，所需吸收的能量相同D．使一个氘核分解成一个中子和一个质子时，吸收的能量是一个恒定值2．质子的质量mp，中子的质量为mn，它们结合成质量为m的氘核，放出的能量应为[]A．（mp+mn-m）C2B．（mp+mn）c2C．mc2D．(m-mp)c23．关于铀核裂变，下述说法正确的是[]A．铀核裂变的产物是种多样的，但只能裂变成两块B．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子C．为了使裂变的链式反应容易产生，最好是用纯铀235D．铀块的体积对产生链式反应无影响4．关于原子核的能，下面说法正确的是[]A．使原子核分解成粒子时放出的能量B．核子结合成原子时需要供给的能量C．核子结合成原子核时吸收的能量或原子核分解为核子时放出的能量D．核子结合成原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸收的能量5．关于爱因斯坦质能方程的下列看法中正确的是[]A．E＝mc2中的E是物体以光速c运动的动能B．E＝mc2是物体的核能C．E=mc2是物体各种形式能的总称D．由△E=△mc2，在核反应中，亏损的质量△m转化成能量△E放出E．△E=△mc2表明在核反应中亏损的静质量转化为动质量，被放出的能量带走。6．下列核反应方程中，X代表质子的方程是[．BC]7．下列于核电站的说法中正确的有()A．核电站直接将核能转换为电能B．反应堆中减速剂是控制核反应速度的C．核反应的快慢是由控制棒来控制的D．目前我国核电站所用的核燃料为浓缩铀8．下列说法正确的是（）A．中子和质子结合成氘核时吸收能量B．放射性物质的温度升高，其半衰期减小C．某原子核经过一次α衰变和两次β衰变后，核内中子数减少4个D．γ射线的电离作用很强，可用来消除有害静电9．已知质子的质量为1.0067227u，中子的质量为1.008665u，它们结87.8MeV《原子核》专题四共6页第6页11．正负电子对撞后，转化为两个光子的总能量是_______电子伏。（正负电子质量m=0.91×10-30kg，