物理裂变和链式反应

高中物理| 19.6核裂变详解核反应：在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应。

研究表明原子核的质量虽然随着原子序数的增大而增大，但是二者之间并不成正比关系。

其核子的平均质量与原子序数有如图的关系：核子的平均质量是：原子核的质量/核子数。

01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裂变。

把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫做聚变。

铀核裂变的产物是多种多样的，有时裂变为氙（Xe)和锶(Sr),有时裂变为钡（Ba）和氪（Kr）或者锑（Sb）和铌（Nb），同时放出2～3个中子。

铀核还可能分裂成三部分或四部分，不过这种情形比较少见。

铀核裂变的许多可能的核反应中的一个是：铀核的裂变1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。

铀核裂变的产物是多种多样的，一种典型的反映是裂变为钡和氪，同时放出三个中子，其核反应方程是：裂变中释放出巨大的能量，在上述裂变中，裂变后的总质量小于裂变前的总质量，质量亏损：释放出的能为:在这个反应中释放的能量可以计算如下：反应中释放的能量：△E= △mc2=141MeV.说明：如果1克铀全部裂变，它放出的能量就相当于2500吨优质煤完全燃烧时放出的化学能。

铀核裂变时，同时释放出2～3个中子，如果这些中子再引起其他U235核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫做链式反应。

1链式反应用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变，释放出的中子又引起了其他铀核的裂变，也就是链式反应。

由裂变重核裂变产生的中子使反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。

使裂变物资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。

2原子弹“小玩意儿”钚装药重6.1千克，TNT当量2.2万吨，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座30米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑。

5．2 裂变及其应用1。

知道重核裂变能放出能量，并能计算核能的变化．(重点＋难点) 2.了解铀核的裂变特点，知道链式反应．(重点）3．了解裂变反应堆的结构、类型及核电站的工作原理．, [学生用书P69]）一、铀核的裂变1．定义：重核裂变是用中子轰击铀核时发现的,中子轰击铀—235核，使该核变成处于激发态的复核，并分裂成两块质量差不多的新原子核,同时放出几个中子,称为裂变核反应．2．铀核裂变：用中子轰击铀核时,铀核发生了裂变，铀核裂变的产物是多种多样的，其中一种典型的反应是235U＋1，0n→错误!Ba＋错误!Kr＋3错误!n．92二、链式反应及其条件1．链式反应：铀核裂变时，通常会放出2到3个中子,这些中子可以作为新的“炮弹"轰击其他的铀核，使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫做核裂变的链式反应．2．临界体积：能够使铀块发生链式反应的最小体积(或对应的最小质量)称为临界体积(或临界质量)．3．链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于临界体积或裂变物质的质量大于等于临界质量．1．（1)铀核的裂变是一种天然放射现象．（)（2）铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去．（)（3)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．（)提示:(1)×（2)√(3）×三、裂变反应堆1．裂变反应堆的基本构造（1)裂变材料(核燃料）:浓缩铀．（2)慢化剂（减速剂）:通常用石墨、重水或普通水．（3）控制棒:用镉或硼钢制成,用来吸收减速后的中子，控制反应强度．（4）反射层:一般用石墨做材料．(5)热交换器：核反应堆中释放的能量大部分转化为热能，利用水循环,产生高温高压的蒸汽，从而推动蒸汽轮机，带动发电机发电．(6）防护层:由金属套、防止中子外逸的水层以及1～2 m厚的钢筋混凝土构成，可有效地防止射线对人体及其他生物体的侵害．2．列变反应堆的常见类型：重水堆，高温气冷堆，快中子增殖反应堆．3．核电站的工作模式：以核反应堆为能源,用它产生高压蒸汽，取代发电厂的锅炉，从而进行发电．2．（1)在核反应中，中子的速度越大越容易击中铀核．（）(2）核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度．( )(3）核反应堆用过的核废料无毒无害．( )提示:（1）×(2）√(3）×铀核裂变及链式反应［学生用书P70］1．发现：1938年12月，德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变,向核能的利用迈出了第一步．2．裂变的解释(1)核子受激发：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．（2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，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．(3)能量：重核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一般来说，每个核子放出的平均能量约为1 MeV，1 kg 铀全部裂变放出的能量相当于2 500 t优质煤燃烧时释放的能量,裂变时能产生几万度的高温．3．铀核裂变的条件（1)铀块的体积大于临界体积．（2）铀块的质量大于临界质量．以上两个条件满足一个即可．4．裂变过程为什么能放出能量中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定．如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出能量.错误!U裂变是很常见的一种重核裂变，它裂变的反应物和生成物有多种，其中有两种很典型的反应是：错误!U＋错误!n→错误!Xe ＋错误!Sr＋2错误!n错误!U＋错误!n→错误!Ba＋错误!Kr＋3错误!n在重核裂变过程中,核反应满足电荷数守恒和质量数守恒．但反应前后质量不同,发生了质量亏损，释放出能量．计算一个铀核在上述第二种裂变过程放出的能量．已知m（错误!U)＝235。

《核裂变与链式反应》讲义一、教材版本与章节介绍咱们今天讲的内容来自鲁科版高中物理必修1，在第1章绪论之后，还有关于碰撞与动量守恒等有趣的章节，咱们现在聚焦在第四章原子核里的第五节裂变和聚变中的核裂变与链式反应这部分内容。

这部分内容就像是打开核能神秘大门的一把小钥匙，只要跟着老师我一起，保准你能轻松理解。

二、核裂变是啥玩意儿？同学们，咱们先来说说核裂变。

简单来讲呢，核裂变就是那些很重很重的原子核啊，它们分裂成两个或者好几个质量比较小的核的这么一个反应。

就好比一个超级大的家庭突然分成了好几个小家庭一样。

那这个过程呢，还会释放出能量，这个能量可不得了，咱们给它取了好几个名字，像裂变能、核能或者原子能。

比如说铀核或者钚核这些重核就特别容易发生这种裂变反应。

想象一下，那些原本紧紧抱在一起的重核里面，就像藏着巨大的能量宝藏，一旦发生裂变，就相当于把宝藏释放出来啦。

三、链式反应的神奇之处1、链式反应的概念那什么是链式反应呢？这可就更有趣了。

当一个中子去撞击铀核，让铀核发生裂变的时候啊，这个铀核裂变的同时呢，会放出2到3个中子。

这就好比一个小石子投入平静的湖面，溅起好多小水花一样。

这些放出来的中子如果再去撞击其他的铀核，让其他铀核也发生裂变，然后新裂变的铀核又放出更多的中子，这样一代接一代地继续下去，就像一条锁链一样，一环扣一环，反应就不断地进行下去了，而且还会越来越强烈呢。

这就是链式反应啦。

2、链式反应的条件不过呢，链式反应可不是想发生就能发生的，它是有条件的。

首先啊，发生裂变物质的体积得够大才行，要大于临界体积。

这个临界体积就像是一个门槛，如果裂变物质的体积比这个临界体积小，那链式反应就没法顺利开展啦。

就好比你要办一场超级热闹的派对，场地得足够大才行，如果场地太小，人都挤不进去，派对就热闹不起来了。

还有一个条件呢，就是得有持续不断的中子源。

就像咱们刚刚说的，没有这个中子源，就没有最初去撞击铀核的中子，那整个链式反应就没法开始，就像没有点火的鞭炮，怎么可能炸响呢？四、核反应堆的构成与作用1、核反应堆的组成部分那为了能让核裂变和链式反应乖乖听话，咱们人类发明了核反应堆。

核裂变相关方程式综述核裂变是指重原子核在一定条件下发生分裂的过程，具有广泛的应用和重要的科学意义。

在核裂变过程中，会涉及到一系列与能量转化和守恒相关的方程式。

本文将对核裂变相关方程式进行综述，探讨其基本原理和应用。

一、能量守恒方程式在核裂变过程中，能量守恒是基本的原理之一。

根据质能等效原理，质量和能量之间存在着转换关系，由爱因斯坦提出的质能方程E=mc^2 揭示了质量和能量之间的对应关系。

在核裂变过程中，原子核的质量发生变化，因此能量也会发生变化。

能量守恒方程式可以表达为：E_总 = E_核 + E_剩 + E_产其中，E_总代表裂变反应前后系统的总能量，E_核代表裂变反应产生的核能量，E_剩代表未参与反应的原子核的能量，E_产代表产生的其他形式的能量。

二、裂变反应速率方程式核裂变反应的速率可以通过反应速率方程式来描述。

一般情况下，核裂变反应的速率与裂变产物的浓度成正比。

裂变反应速率方程式可以表达为：r = k[A]其中，r代表裂变反应的速率，k代表反应速率常数，[A]代表裂变产物的浓度。

三、裂变链式反应方程式核裂变通常涉及到链式反应的过程，裂变链式反应方程式可以用来描述链式反应的整个过程。

裂变链式反应可以分为三个阶段：起始阶段、自持阶段和爆炸阶段。

裂变链式反应方程式可以表达为：N = N_0(2^n)其中，N代表裂变链式反应中的反应物或产物的数量，N_0代表起始时的反应物或产物的数量，n代表经过的链式反应的次数。

这一方程式是裂变链式反应的基本特征之一。

四、裂变产物生成速率方程式核裂变产物的生成速率也可以通过方程式来描述。

裂变产物生成速率方程式可以表达为：d[A]/dt = λ[A]其中，d[A]/dt代表裂变产物的生成速率，λ代表裂变产物的衰变常数。

五、裂变反应的截面方程式核裂变反应的截面可以通过方程式来描述。

截面可以看作是衡量核反应发生概率大小的物理量。

裂变反应的截面方程式可以表达为：σ = A/P其中，σ代表裂变反应的截面，A代表裂变的总截面积，P代表入射粒子的流强度。

课后素养落实(十四)(建议用时：40分钟)题组一 对核裂变和链式反应的理解1．(多选)当一个重核裂变时，它能产生的两个核( ) A ．一定是稳定的B ．含有的中子数较裂变前重核的中子数少C ．裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量D ．可以是多种形式的两个核的组合BD [重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出2个或3个中子，裂变释放的能量比俘获中子时得到的能量大，故C 错误；质子数不变，中子数会减少，故B 正确；重核裂变的产物是多种多样的，故A 错误，D 正确。

]2．(多选)用中子(10n)轰击铀核(23592U)发生裂变反应，会产生钡核(14156Ba)和氪(9236Kr)并释放出中子(10n)，当达到某些条件时可发生链式反应，一个铀核(23592U)裂变时，释放的能量约为200 MeV(1 eV ＝1.6×10－19J)。

以下说法正确的是( )A ．23592U 的裂变方程为23592U →14156Ba ＋9236Kr ＋10nB ．23592U 的裂变方程为23592U ＋10n →14156Ba ＋9236Kr ＋310nC ．23592U 发生链式反应的条件与铀块的体积有关D ．一个23592U 裂变时，质量亏损约为3.6×10－28kgBCD [23592U 的裂变方程为23592U ＋10n →14156Ba ＋9236Kr ＋310n ，故A 错误，B 正确；当铀块体积大于临界体积时链式反应才会发生，故C 正确；ΔE ＝200 MeV ＝2×108×1.6×10－19J ＝3.2×10－11J ，根据ΔE ＝Δmc 2，可知Δm ＝ΔE c 2＝3.2×10－11（3×108）2 kg ＝3.6×10－28kg ，故D 正确。

] 3．(多选)2020年11月8日，我国核潜艇第一任总设计师、中国工程院院士彭士禄荣获第十三届光华工程科技成就奖。

核裂变的机理及链式反应的条件
由于较重的原子核核子平均质量较大，其稳定程度较小，比较容易吸收其他粒子.如当中子打进铀235后，形成一个新的处于激发态的核，由于其中核子的剧烈运动，核子间的距离增大，核子之间的吸引力（核力）迅速减小，不足以克服质子之间的库仑斥力，核就分裂成两部分，产生裂变.一个铀核裂变产生的中子又不断引起其他铀核的裂变，就形成了链式反应.
但维持链式反应要有一定的条件.如果每次裂变放出的中子平均有一个能再度引起裂变反应，或者说一代裂变中子的总数不少于前一代的中子数，链式反应就能维持下去.由于裂变中放出的中子有的可能从裂变物质中漏失出去，有的可能被裂变物质吸收而没有产生裂变，也有的可能被裂变物质中所含的杂质吸收，所以链式反应未必能持续地进行下去.要维持链式反应，就要减少裂变物质中的杂质（最好使用纯铀235），还要增大裂变物质的体积，也就是说要维持链式反应就存在一个裂变物质的最小体积，这个体积叫链式反应的临界体积.
参加裂变反应的裂变物质体积越大，中子的漏失越少，裂变物质达到一定体积(临界体积)时，链式反应就可以持续下去.跟临界体积相对应的裂变物质的质量，叫临界质量.纯铀235的临界体积(球形)，直径只有4.8 cm，相应的临界质量只有1 kg左右.核反应堆，由于堆型的不同，临界质量可以从几千克到几百千克.。

链式反应链式反应：有焰燃烧都存在链式反应。

当某种可燃物受热，它不仅会汽化，而且该可燃物的分子会发生热烈解作用从而产生自由基。

自由基是一种高度活泼的化学形态，能与其他的自由基和分子反应，而使燃烧持续进行下去，这就是燃烧的链式反应。

在物理学中,铀核裂变的假说一经提出，所有的物理实验室立刻沸腾起来了，对这一现象展开了紧张的研究。

在不到一年的时间内，所发表的有关核裂变的科学论文，总共达一百多篇，这在物理史上是没有前例的。

在很短的时期内，不但搞清楚了核裂变的基本特性，并且揭示了这一发现的深刻意义。

铀核吸收一个中子以后，按三十多种不同的方式发生裂变，生成的碎片又发生一系列的β衰变，因此，一共产生三十多种元素的近三百种同位素。

难怪费米、伊伦·居里、哈恩等当时第一流的科学家都被这种现象迷惑了那么长的时间。

旁图所示是铀235裂变碎片的质量分布曲线。

从图中可以清楚地看到，分布曲线有两个峰，一个在质量数95附近，一个在质量数138附近。

双峰曲线表示，铀核裂变时，绝大部分是不对称裂变，对称裂变的几率是很小的(质量数118附近)。

这种不对称裂变，在裂变现象发现后不久就通过各种实验方法得到确证，但是在核理论已经取得巨大进展的今天，这种不对称裂变的原因，依然是一个谜。

铀核裂变时，分裂成两个碎片的情况是最常见的，也曾Array观察到分裂成三个(甚至四个)碎片的情况，不过发生的几率很小，只有千分之几。

这种所谓“三裂变”现象，是我国著名核物理学家钱三强、何泽慧夫妇于1946年首先发现的。

三裂变的几率虽然很小，但由于它能更清楚地说明裂变机制，所以目前仍在对它进行研究。

核裂变所生成的碎片一般都是中子过剩的，它们以发射电子(β衰变)的方式逐渐将过剩的中子转变成质子，即通过一连串的β衰变而到达稳定状态。

由于这个缘故，大多数裂变产物通常都是β放射性同位素。

为什么核裂变产生的碎片通常是中链式反应子过剩的呢？为什么不是缺少中子或中子数与质子数正合适呢？我们知道，原子核是由质子和中子(统称核子)组成的。

第6节核裂变学习目标核心提炼1.知道重核的裂变反应。

1个概念——核裂变1个条件——链式反应条件2.知道链式反应的产生条件。

3.了解裂变反应堆的工作原理，了解常用裂变反应堆的类型。

4.知道核电站的工作模式。

一、核裂变及链式反应阅读教材第83～85页内容，知道重核裂变的产物及链式反应产生的条件。

1.核裂变：重核被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反应。

2.铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多样的，其中一种典型的裂变是23592U＋10n―→144 56Ba＋8936Kr＋310n。

3.链式反应：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叫核裂变的链式反应。

4.临界体积和临界质量：把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。

5.核裂变的能量：1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2__800__t标准煤完全燃烧时释放的化学能。

思考判断(1)铀核裂变的产物是固定的，就是生成钡和氪，同时放出3个中子。

()(2)裂变中放出的中子数目是固定的3个中子。

()(3)只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应。

()[答案](1)×(2)×(3)√二、核电站阅读教材第85～86页内容，了解核反应堆的工作原理。

1.核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成：(1)燃料：铀棒。

(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水做慢化剂。

(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。

镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度会慢一些，这种镉棒叫做控制棒。

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。

同时也使反应堆冷却。

核物理学中的裂变链反应和自持链式反应在核物理学的广袤领域中，裂变链反应和自持链式反应是两个至关重要的概念，它们不仅在理论研究中具有深远的意义，更是在实际应用中发挥着巨大的作用。

让我们先来理解一下什么是裂变链反应。

简单来说，裂变链反应就是一个原子核发生裂变后，产生的中子又去撞击其他原子核，引发更多的原子核裂变，如此循环往复。

就好像推倒了第一块多米诺骨牌，引发了一系列连续的反应。

当一个重原子核，比如铀-235 或钚-239，吸收一个中子后，它会变得不稳定，进而分裂成两个或多个较轻的原子核，同时释放出大量的能量和几个中子。

这些释放出的中子，如果具有足够的能量并且能够被其他可裂变的原子核吸收，就会引发新的裂变事件。

这就是裂变链反应的基本过程。

举个例子，假设一个铀-235 原子核发生裂变，释放出 2 个中子。

如果这 2 个中子都能够被其他铀-235 原子核吸收并引发裂变，那么就会产生 4 个中子。

这 4 个中子再继续引发裂变，产生 8 个中子……以此类推，裂变反应的规模会迅速扩大。

然而，要实现持续的裂变链反应，也就是自持链式反应，并不是那么容易的。

这需要满足一定的条件。

首先，燃料的浓度和纯度至关重要。

如果燃料中可裂变物质的浓度太低，那么中子在逃出系统之前与可裂变原子核发生碰撞的概率就会很小，难以维持链式反应。

同理，燃料的纯度也会影响反应的进行，杂质的存在可能会吸收中子，从而阻碍链式反应的持续。

其次，中子的泄漏也是一个需要考虑的因素。

在一个核反应堆中，如果中子在没有引发裂变之前就逃出了反应系统，那么链式反应也无法自持。

为了减少中子的泄漏，反应堆的设计通常会采用适当的形状和尺寸，以增加中子在系统内的停留时间和与可裂变原子核的碰撞机会。

另外，中子的速度也对自持链式反应有影响。

快中子往往难以被可裂变原子核吸收，因此需要通过减速剂来降低中子的速度，使其成为热中子，提高被吸收的概率。

在实际应用中，核反应堆就是利用自持链式反应来产生能量的。

反应堆最基本的物理学知识二链式裂变反应是反应堆的物理基础。

有了上面的知识准备，现在我们就可以来讨论链式反应自续进行的条件了。

当一个燃料核俘获一个中子产生裂变后，平均可放出2.4个中子，即第二代中子数目要比第一代多。

粗粗看来链式反应自续下去似乎是不成问题的，但实际情况并非如此。

下面以热中子反应堆为例加以讨论。

热堆的堆芯是由核燃料、慢化剂、冷却剂及各种结构材料组成的，因此堆芯中的中子不可避免要有一部分被非裂变材料吸收。

此外还有一部分中子要从堆芯中泄漏出去。

即使是被裂变材料吸收的中子也只有一部分能引发裂变、产生下一代中子，其余的引发俘获反应，不产生中子。

所以下一代中子数不一定比上一代多，必须具体进行分析。

1.有效增殖系数反应堆内链式反应自续进行的条件可以方便地用有效增殖系数K来表示。

它的定义是:对给定系统，新生一代的中子数和产生它们的直属上一代的中子数之比，即K=新生一代中子数/直属上一代中子数但实际上我们无法去区别堆内中子们所属的代，所以这个定义无法用于定量计算。

其实从中子平衡关系来定义K更加方便，即定义K=系统内中子的产生率/系统内中子的消失(吸收+泄漏)率只要知道了系统的宏观截面和中子通量，上式中的产生率、吸收率等，都可以很容易地计算出来。

若堆芯的有效增殖系数K恰好等于1，则堆芯内中子的产生率恰好等于中子的消失率。

这样在堆芯内进行的链式裂变反应将以恒定的速率不断进行下去，也就是说链式反应过程处于稳定状态。

这时反应堆的状态称为临界状态。

若有效增殖系数K小于1，则堆芯内中子数目将随时间而不断减少，链式反应不能自己延续下去。

此时反应堆的状态称为次临界状态。

若有效增值系数K大于1，则堆芯内的中子数目将随时间而不断地增加，我们称这种状态为超临界状态。

显然有效增殖系数K与堆芯系统的材料成分和结构(例如易裂变核素的富集度、燃料-慢化剂的比例等)有关。

同时也与堆的尺寸和形状有关。

当反应堆尺寸为无限大时，中子的泄漏损失便等于零，此时增殖系数将只与系统的材料成份和结构布置有关。