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5.1 核裂变

原子核的结构、衰变与核能 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 重原子核分裂成两个或多个中等质量原子核,并释放巨大能量及中子的核反应过程。

从哪来 基于1.2 卢瑟福模型(核式结构模型)确立的原子核存在前提,以及1.3 原子核式结构中关于核内质子与中子组成的认知,理解核子间相互作用力是裂变发生的物质基础。

为什么 原子核的结合能曲线显示,重核(如铀-235)的比结合能小于中等质量核(如钡、氪)。根据能量守恒,当重核分裂为中等核时,总质量亏损转化为结合能释放出来。中子轰击引发链式反应,是因为裂变产物中平均释放2-3个中子,这些中子继续轰击其他重核,使反应自持进行。

类比法
将重核比作一个充满弹性的、不稳定的大水滴,中子像是一根针。针扎入水滴(中子轰击),水滴因表面张力失衡而分裂成两个小水滴(裂变产物),并溅射出更多小水珠(新中子)。
适合:形象思维强、对抽象物理概念感到困难、需要直观感知的学生。
能量分析法
绘制比结合能曲线,对比铀-235与裂变产物的比结合能数值。计算反应前后的总结合能差值,证明“产物更稳定”意味着“释放能量”。强调质量亏损 $\Delta m$ 与能量 $E=\Delta mc^2$ 的定量关系。
适合:逻辑推理能力强、擅长数学计算、喜欢从定量角度理解物理本质的学生。
微观机制法
聚焦中子与核子的相互作用。解释中子如何被俘获形成复合核,复合核如何激发振荡,当振荡幅度超过液滴模型中的临界半径时,库仑斥力克服核力导致分裂。重点分析中子链式反应的临界条件。
适合:基础扎实、对微观粒子运动机制感兴趣、准备深入学习核物理或竞赛的学生。
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练一道
基础题
已知铀-235裂变的一个典型方程为:${}^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \rightarrow {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3{}^{1}_{0}\text{n}$。若铀-235原子质量为 $m_U$,中子质量为 $m_n$,钡-141原子质量为 $m_{Ba}$,氪-92原子质量为 $m_{Kr}$,求该反应释放的能量 $E$。
变式
假设一个铀-235核裂变释放 $200\text{MeV}$ 的能量。若一座 $1000\text{MW}$ 的核电站,其核反应堆的热效率为 $30\%$,求每天需要裂变多少个铀-235核?($1\text{MeV} = 1.6 \times 10^{-13}\text{J}$,$1\text{day} = 86400\text{s}$)
试试手自己判
检测题
关于核裂变,下列说法正确的是( ) A. 核裂变是轻核结合成重核的过程 B. 核裂变过程中,总质量增加,释放能量 C. 铀-235裂变时,必须吸收一个中子才能发生 D. 链式反应中,中子的数量会越来越少,最终反应停止
看答案和判分标准
答案:C
判对标准:
- 选A错:裂变是重核分裂,聚变才是轻核结合。
- 选B错:释放能量意味着质量亏损,总质量减少。
- 选C对:铀-235是易裂变核素,通常由慢中子轰击引发裂变。
- 选D错:链式反应自持的条件是中子数量保持平衡或增加,若中子过少则反应停止,但“链式反应”本身隐含了持续进行的前提。
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