网校教育资源平台

2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案:4-3 放射性同位素

评价文档:
文档评论: 0

相关文档推荐

2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5:第四章 原子核 章末检测
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5:第三章 原子结构之谜 章末检测
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5:模块检测2
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5:第一章 碰撞与动量守恒 章末检测
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5:模块检测1
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5:第二章 波粒二象性 章末检测
免费
4-7 核能利用 小粒子与大宇宙
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案:2-2 光子
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案:2-5 德布罗意波
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案:3-4 原子的能级结构
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案:4-6
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案:2-3
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案:3-2 原子的结构
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案:4-1
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案:4-5 裂变和聚变
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案:1-3 动量守恒定律在碰撞中的应用
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案:1-4 反冲运动
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案:4-4 核力与结合能
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案:1-5 自然界中的守恒定律
免费
2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案:2-1 光电效应
免费
分享到:
10积分 下载
                中国现代教育网    www.30edu.com  全国最大教师交流平台

                           第六节 核能利用
                        第七节 小粒子与大宇宙

 [目标定位] 1.了解裂变反应堆的工作原理.2.了解核电站和核能利用的优缺点.
3.了解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时间跨度.

 一、反应堆

 1.核反应堆是人工控制链式反应的装置.它主要由以下几部分组成:
 (1)燃料:铀棒;
 (2)减速剂:铀    235 容易捕获慢中子发生反应,采用石墨、重水作减速剂;
 (3)控制棒:为了控制能量释放的速度,就要想办法减少中子的数目,采用在反
 应堆中插入镉棒的方法,利用镉吸收中子强的特性,就可以容易地控制链式反
 应的速度.

 2.工作原理:核燃料裂变释放的能量,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.

 4.核污染的处理:修建很厚的水泥层,用来屏蔽裂变反应放出的各种射线,核
 废料具有很强的放射性,需要装入特制的容器,埋入深地层来处理.
 二、核电站、核能利用

 1.核电站
 利用反应堆工作时释放的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电,这就是核电
 站.

 2.核能利用
 (1)核力发电;
 (2)核动力;
 (3)原子核物理实验制造各种放射性同位素.
 三、小粒子与大宇宙

 1.从小粒子到大宇宙——空间跨度
 (1)大爆炸宇宙模型:大约         150 亿年前突然发生一次大爆炸,其后逐渐诞生出恒
 星、星团、脉冲星、超新星、黑洞以及被称作类星体的遥远发光体等,经历
               中国现代教育网    www.30edu.com  全国最大教师交流平台

150 亿年演化成今天的宇宙世界.
(2)人类所能研究的物质世界的空间尺度:约从                  10-15_m 到  1027_m,共跨越了约
42 个数量级.
2.从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度
(1)宇宙的年龄的数量级:1018_s.
(2)微观粒子的最短寿命:10-25_s.
(3)物质世界的时间尺度:约从           10-25_s 到 1018_s,跨越了将近     43 个数量级.


预习完成后,请把你疑惑的问题记录在下面的表格中

                 问题  1
                 问题  2
                 问题  3

一、核反应堆
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如下表:
       组成部分                   材料                     作用

       裂变材料               浓缩铀(29325U)
                                                  提供核燃料
       (核燃料)
        慢化剂                石墨、重水
                                            使裂变产生的快中子减速
       (减速剂)                和普通水
                                            吸收减速后的中子,控制
        控制棒                    镉
                                                   反应速度
        反射层                   石墨                 阻止中子逃逸
                                            产生高温蒸汽,推动汽轮
       热交换器                    水
                                                  发电机发电
                            金属套和            防止射线对人体及其他生
        防护层
                           钢筋混凝土                  物体的侵害

【例  1】 在可控核反应堆中需要给快中子减速,轻水、重水和石墨等常用作
               中国现代教育网    www.30edu.com  全国最大教师交流平台

减速剂.中子在重水中可与21H           核碰撞减速,在石墨中与162C           核碰撞减速.上述
碰撞可简化为弹性碰撞模型.某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰,
通过计算说明,仅从一次碰撞考虑,用重水和石墨作减速剂,哪种减速效果更
好?
答案 见解析

解析 设中子质量为         mn,靶核质量为       m,由动量守恒定律得:mnv0=mnv1+

mv2
              1  02    1   12   1  22

由能量守恒得:2mnv          =2mnv    +2mv
        mn-m
          +
解得  v1=mn  mv0,

在重水中靶核质量        mH=2mn

    mn-mH       1
      +
v1H=mn  mHv0=-3v0,

在石墨中靶核质量        mC=12mn,

    mn-mC       11
      +
v1C=mn  mCv0=-13v0
与重水靶核碰后中子速度较小,故重水减速效果更好.

借题发挥 (1)中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒、能量守恒.
(2)因为靶核的质量大于中子的质量,故靶核的质量比中子的质量大得越少,减
速效果越好,如质量相等时可以使中子的速度减为零.

针对训练    1 在核反应中,控制铀           235 核裂变反应速度的方法是(  )
A.使用浓缩铀
B.改变铀块的临界体积
C.通过自动控制装置,改变镉棒插入的深度,以改变中子数
D.利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
答案 C
解析 控制核反应的速度是靠调节中子数目来实现,即用镉棒吸收中子改变中
子数目.

二、核电站的工作原理
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
               中国现代教育网    www.30edu.com  全国最大教师交流平台

可控的链式反应.

铀 235 裂变需要一定的条件:(1)要有足够浓度的铀                 235;(2)要有足够数量的慢
中子;(3)铀块的体积要大于临界体积.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,核子间
的距离增大,因而核力迅速减弱,使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原

状,这样就分裂成几块,同时放出               2~3  个中子,这些中子又引起其他铀核裂变,
这样,裂变就会不断地进行下去,释放出越来越多的核能,这就叫链式反应.
原子弹中裂变一旦开始,裂变放出的快中子,又引起其他铀核裂变的速度很快,
在极短的时间内释放大量的能量,因此杀伤力强大.

在核电站中,核反应堆是热源,如图                1 为简化的核反应堆的示意图:


                                图  1
铀棒是燃料,由天然铀或浓缩铀(铀               235 的含量占    2%~4%)制成.石墨(或重水)
为减速剂,使反应生成的快中子变为慢中子,利于铀                       235 吸收,发生裂变,减
速剂附在铀棒周围.镉棒的作用是吸收中子,控制反应速度,所以也叫控制
棒.控制棒插入深些,吸收中子多,反应速度变慢,插浅一些,吸收中子少,
反应速度加快.采用电子仪器自动地调节控制棒的升降,就能使反应堆安全正
常地工作.

【例  2】 在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势,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29325U+10n―→15461Ba+9326Kr+aX   是反应堆中发生的许多核反应

中的一种,10n    为中子,X     为待求粒子,a      为  X 的个数,则     X 为________,a=

__________.以 mU、mBa、mKr  分别表示29325U、15461Ba、9326Kr 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     ΔE=________.
               中国现代教育网    www.30edu.com  全国最大教师交流平台

(2)有一座发电能力为       P=1.00×106    kW 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

                          -11                          -27
程中放出的核能       ΔE=2.78×10      J,铀核的质量      mU=390×10       kg,求每年
(1 年=3.15×107 s)消耗的29325U 的质量.

                                  2
答案 (1)10n 3 (mU-mBa-mKr-2mn)c
(2)1 104 kg
解析 (1)由反应方程可知:X           为10n,a 为  3,

                                    2
释放的能量为      ΔE=(mU-mBa-mKr-2mn)c     .
(2)因核电站发电效率为        40 %,

故核电站消耗29325U    的功率为

      P   1.00 × 106
P′=40 %=    40 %  kW=2.5×106 kW.
核电站每年消耗29325U     的能量为
W=P′t=2.5×109×3.15×107 J=7.875×1016 J
产生这些能量消耗的铀核的数目:

   W   7.875 × 1016 J
n=ΔE=2.78 × 10-11 J≈2.83×1027(个)
每年消耗29325U  的质量为

                27        -27
M=nmU=2.83×10    ×390×10      kg≈1 104 kg.
针对训练    2 1964  年 10 月 16 日,我国在新疆罗布泊沙漠成功地进行了第一颗
原子弹试验,结束了中国无核时代.

(1)原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量,由于裂变物质的体积
超过临界体积而爆炸.
①完成核裂变反应方程式:

29325U+10n→(  )Xe+9348Sr+210n+200 MeV
②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么?产生这种反应的条件必须是
什么?

(2)为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染环境,需采用哪些措
施?(举两种)

答案 (1)①15440 ②链式反应 中子再生率大于               1
(2)核反应堆外面需要修建很厚的水泥防护层,用来屏蔽射线;放射性核废料要
               中国现代教育网    www.30edu.com  全国最大教师交流平台

装入特制的容器,埋入地层深处进行处理.
三、对粒子的认识

【例  3】 正电子、负质子等都属于反粒子,它们跟普通电子、质子的质量、
电量均相等,而电性相反.科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒

子构成的物质——反物质.1997           年初和年底,欧洲和美国的科研机构先后宣布:
他们分别制造出       9 个和  7 个反氢原子,这是人类探索反物质的一大进步,你推
测反氢原子的结构是(  )
A.由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
B.由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成
C.由一个不带电荷的中子与一个带负电荷的电子构成
D.由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
答案 B
解析 反氢原子的结构是由反粒子构成的物质,正电子、负质子等都属于反粒
子


                              核反应堆

1.原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置.它主要有哪四部
分组成(  )
A.原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统
B.原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统
C.原子燃料、调速剂、碰撞系统和控制调节系统
D.原子燃料、减速剂、原子能聚存系统和输送系统
答案 A
解析 目前核反应组成有:原子燃料、减速剂、控制调节系统、与冷却系统.

2.关于原子核反应堆,下列说法不正确的是(  )
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 C
                中国现代教育网    www.30edu.com  全国最大教师交流平台

 解析 铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,A                   对;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,B                          对;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,C  错;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,D                          对.
                                核电站

 3.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         U 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                    U 的体积来控制的

 B.   U 的一种可能的裂变是

 C.   U 是天然放射性元素,升高温度后它的半衰期会缩短
 D.虽然核电站能提供很大的能量,但它对环境的污染比火电站严重
 答案 B
 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;

   U 裂变有多种可能性,                                        是其中常见的一种,
 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;核电站的核能是清洁能源,污染少,D                  错.

                            (时间:60   分钟)
 题组一 核反应堆

 1.利用重核裂变释放核能时选用铀               235 核,主要原因是(  )
 A.它裂变放出核能比其他重核裂变多
 B.它可能分裂成三部分或四部分
 C.它能自动裂变,与体积无关
 D.它比较容易发生链式反应
 答案 D
 解析 铀    235 俘获任何能量的中子都会发生裂变反应,故                   D 正确.

 2.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(  )
                中国现代教育网    www.30edu.com  全国最大教师交流平台

 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

 答案 C
 解析 镉棒并不能释放中子,也不能使中子减速,对铀核裂变也没有阻碍作用,
 而是利用对中子吸收能力强的特点,控制中子数量的多少而控制核反应速度,
 故 C 正确.

 3.镉棒在核反应中的作用是(  )
 A.使快中子变成慢中子
 B.使慢中子变成快中子
 C.使反应速度加快
 D.控制反应速度,调节反应速度的快慢
 答案 D
 解析 在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用,镉棒起吸收中子,控制
 反应速度,调节反应速度的快慢.

 4.为使链式反应平稳进行,可采用下列的办法(  )
 A.铀块可制成任何的体积
 B.铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核
 C.通过慢化剂将产生的中子减速
 D.用镉棒可作为慢化剂使中子减速
 答案 C
 解析 由于使铀块发生链式反应的体积应大于临界体积,故                          A 错误;铀核裂变
 释放出的为快中子,不能直接再去轰击铀核,必须用慢化剂减速,而镉棒是用
 于控制中子数量的,故          C 正确,B、D     错误.
 题组二 核电站
 5.(多选)山东荣成石岛湾核电站总装机规模                 400  万千瓦.核电站与火电站相比

较,其优势在于(  )
 A.核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量
                中国现代教育网    www.30edu.com  全国最大教师交流平台

 B.就可采储量来说,地球上核燃料资源远多于煤炭
 C.核电站造成的污染大于相等发电能力的火电站
 D.核电站比火电站更容易建造
 答案 AB
 解析 核电站与火电站相比,相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要
 大很多.地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的                             15 倍.只要
 措施得当,核电站造成的污染很小,核能属于清洁能源,A、B                           均正确,C     错误;
核电站的建造难度较大,D            错误.

 6.(多选)为应对能源危机和优化能源结构,提高清洁能源的比重,我国制定了
 优先选择核能,其次加快发展风电和再生能源的政策,在《核电中长期发展规

 划》中要求     2020 年核电运行装机总容量达到            4 000 万千瓦的水平,请根据所学
 物理知识,判断下列说法中正确的是(  )
 A.核能发电对环境的污染比火力发电要小
 B.核能发电对环境的污染比火力发电要大
 C.目前所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能
 D.目前既有重核裂变,又有轻核聚变释放大量的原子能
 答案 AC
 解析 目前核电站都用核裂变,其原料是铀,且核裂变在核反应堆中应用的是
 比较清洁的能源,故         A、C  正确,B、D      错.

 7.我国秦山核电站第三期工程中有两个                 60 万千瓦的发电机组,发电站的核能

 来源于     U 的裂变,现有四种说法:

 ①   U 原子核中有      92 个质子,143    个中子;

 ②   U 的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核,核反应方程为


 ③235 92U 是天然放射性元素,常温下它的半衰期约为                    45 亿年,升高温度半衰
 期缩短;

 ④一个     U 裂变能放出      200 MeV 的能量,合     3.2×10-11 J.
 以上说法中完全正确的是(  )
               中国现代教育网    www.30edu.com  全国最大教师交流平台

A.①②③                               B.②③④
C.①③④                               D.①②④
答案 D

解析 由      U 的质量数和电荷数关系知①正确;由核反应方程中电荷数守恒和
质量数守恒知②正确;半衰期不受外界因素干扰,故③错误;通过计算知④正
确,故答案为      D.
题组三 对粒子的认识

8.现在科学家们正在设法探寻“反物质”,所谓“反物质”是由“反粒子”构
成的,“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量,但电荷符

号相反.据此,若有反          α 粒子,它的质量数和电荷数分别为(  )
A.-4,-2                             B.4,-2
C.-4,2                              D.4,2
答案 B
解析 因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量、相同的电荷量,但电
荷的符号相反.所以,反           α 粒子质量数为      4,电荷数为-2.

9.K-介子衰变的方程为          K-―→π-+π0.其中     K-介子和     π-介子是带负电的基
元电荷,π0    介子不带电.如图        1 所示的   1 个 K-介子沿垂直于磁场的方向射入
匀强磁场中,其轨迹为圆弧            AP,衰变后产生的        π-介子的轨迹为圆弧         PB,两轨

                                             0
迹在  P 点相切,它们的半径         RK-与  Rπ-之比为    2∶1.π 介子的轨迹未画出.由此
可知  π-的动量大小与       π0 的动量的大小之比为(  )


                                图  1
A.1∶1                               B.1∶2
C.1∶3                               D.1∶6
答案 C
解析 带电粒子       K-与  π-在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力

     mv2     mv   p
Bqv=  R 得 R=Bq=Bq,K-介子与        π-介子带电量相同,故运动的半径之比等
                中国现代教育网    www.30edu.com  全国最大教师交流平台

                                           -        0
 于动量之比     pK-∶pπ-=RK-∶Rπ-=2∶1,在衰变后       π  介子与   π 介子动量方向相反,

    -                    -                                    -
设  K  介子的动量为正,则         π  介子动量为负值,由动量守恒             pK-=-pπ    +
 pπ0,则  pπ-∶pπ0=1∶3 故 A、B、D    错,C  对.
 题组四 综合应用

 10.如下一系列核反应是在恒星内部发生的:


 其中  p 为质子,α    为  α 粒子,e+为正电子,μ        为一种中微子.已知质子的质量

                 -27                                -27
 mp=1.672 648×10    kg,α  粒子的质量     mα=6.644 929×10     kg,正电子的质

               -31                                                   8
 量 me=9.11×10      kg,中微子的质量可忽略不计.真空中的光速                    c=3.0×10   
 m/s.试计算该系列反应完成后释放的能量.
 答案 3.95×10-12 J
 解析 为求出系列反应后释放的能量,将题中所给的各核反应方程左、右两侧
 分别相加,消去两侧相同的项,系列反应最终等效为                       4p―→α+2e++2μ.
 设反应后释放的能量为          Q,
 根据质能关系和能量守恒得

    2     2      2
 4mpc =mαc +2mec +Q,
 代入数据可得      Q≈3.95×10-12 J.

 11.一个原来静止的锂核(63Li)俘获一个速度为               7.7×104  m/s 的中子后,生成一
 个氚核和一个氦核,已知氚核的速度大小为                   1.0×103 m/s,方向与中子的运动方
 向相反.

 (1)试写出核反应方程;
 (2)求出氦核的速度大小;
 (3)若一个氘核和一个氚核发生聚变时可产生一个氦核,同时放出一个中子,求
               中国现代教育网    www.30edu.com  全国最大教师交流平台


这个核反应释放出的能量.(已知氘核质量为                   mD=2.014   102  u,氚核质量为

mT=3.016 050 u,氦核质量     mHe=4.002 603 u,中子质量      mn=1.008 665 u,1 u=

1.660 6×10-27 kg)
答案 (1)63Li+10n―→31H+42He

(2)2×104 m/s

(3)2.82×10-12 J
解析 (1)63Li+10n―→31H+42He
(2)取中子的运动方向为正方向,由动量守恒定律得

mnv0=-mTv1+mHev2

   mnv0+mTv1   1 × 7.7 × 104+3 × 1.0 × 103

v2=   mHe    =          4          m/s
=2×104 m/s

(3)质量亏损为    Δm=mD+mT-mHe-mn
=(2.014 102+3.016 050-4.002 603-1.008 665) u
=0.018 884 u≈3.136×10-29 kg
根据爱因斯坦质能方程
ΔE=Δmc2=3.136×10-29×(3×108)2 J≈2.82×10-12 J
10积分下载