第5章 第4～5节 核裂变 核聚变 粒子物理学发展概况（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

第4节　核裂变　核聚变 第5节　粒子物理学发展概况 课程内容要求 核心素养提炼 1.知道什么是核裂变. 2.知道链式反应，并能计算核裂变释放的核能. 3.了解核反应堆的工作原理和核电站的工作流程. 4.知道核聚变反应的定义和聚变反应的特点. 5.会判断和书写核聚变反应的方程，能计算核聚变释放的能量. 6.了解受控热核反应. 7.知道粒子的分类及其应用，了解夸克模型. 1.物理观念：核裂变、链式反应、临界体积和临界质量、核聚变、粒子及其种类. 2.科学思维：核裂变、核聚变反应方程的书写及核能的计算. 3.科学态度与责任：核能的利用在国防和建设中的应用. [对应学生用书P84] 1.核裂变 (1)定义：重核分裂成几个中等质量原子核的核反应现象. (2)铀核裂变 用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是U＋n―→Ba＋Kr＋3n. 2.链式反应 (1)定义：一个反应过程的产物能够再次引发这种反应，从而使反应一旦开始后就能自动延续下去的反应. (2)临界体积和临界质量 能够发生链式反应的裂变物质的最小体积叫作临界体积，相对应的质量叫作临界质量. [判断]　(对的画“√”，错的画“×”) (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.(√) 1.核反应堆：一种人为可控的核裂变链式反应装置. 2.核反应堆的组成：浓缩的铀235(铀棒)、减速剂(普通水、重水或石墨等)、控制棒(镉或硼等). [思考]　减速剂的作用是什么？是为了减慢核裂变的速度吗？ 提示　减速剂的作用是使快中子减速，以便于中子与铀核作用发生链式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率. 1.核聚变：轻原子核聚合成较重原子核的反应. 2.典型的核反应方程：H＋H―→He＋n 3.受控热核反应 (1)磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器. (2)激光惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内，来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用激光从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应. [判断]　(对的画“√”，错的画“×”) (1)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大.(√) (2)热核反应主要应用于核武器——原子弹.(×) (3)轻核聚变比重核裂变更安全、清洁.(√) 1.1932年，中子被发现，人们明白原子核由质子和中子组成. 2.加速器和对撞机 (1)加速器分为两类：一类是直线加速器，另一类是回旋加速器. (2)对撞机是让两束高能粒子流实现对撞的装置，如我国的北京正负电子对撞机和位于法国与瑞士边境的大型强子对撞机. 3.粒子“全家福”夸克模型 (1)20世纪30到60年代，科学家们发现了μ子、π介子、奇异粒子等. (2)粒子都有它的反粒子，如正电子是电子的反粒子，中子的反粒子是反中子.完全由反粒子组成的物质称为反物质. (3)1964年美国科学家盖尔曼和茨威格各自独立提出强子结构夸克模型，是物理学发展的里程碑. 4.宇宙的演化 (1)现代宇宙学家进一步完善了大爆炸学说. (2)大爆炸后10－4s宇宙进入强子时期，随后质子和中子产生.大爆炸30万年后，化学结合作用使电子与原子核结合成中性的原子.大约10亿年后形成原始星系和类星体等天体，合成重核.接下来是银河系等星系形成，随后太阳系诞生，地球形成，生命、人类诞生. (3)宇宙学和粒子物理学是密不可分的姊妹学科. [判断]　(对的画“√”，错的画“×”) (1)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子.(×) (2)质子和反质子的电量相同，电性相反.(√) (3)因为中子不带电，所以不存在反中子.(×) [对应学生用书P85] 探究点一　核裂变和链式反应 1964年10月16日，我国第一颗原子弹爆炸成功(如图). (1)原子弹爆炸属于哪种核反应？ (2)写出一个应用于原子弹爆炸的核反应方程. 提示　(1)核裂变 (2)U＋n―→Sr＋Xe＋10n 1.铀核的裂变和裂变方程 (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或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)常见的裂变方程： ①U＋n―→Xe＋Sr＋2n ②U＋n―→Ba＋Kr＋3n 2.链式反应的条件 (1)裂变物质的体积大于临界体积. (2)裂变物质的质量大于临界质量. 以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足. 3.裂变反应的能量：以铀核裂变为例，铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量.一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，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能量，裂变时能产生几百万摄氏度的高温. 在所有能源中，核能具有能量大、地区适应性强的优势.在核电站中，核反应堆释放的核能转化为电能.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. 核反应方程式U＋n―→Ba＋Kr＋3n是反应堆中发生的许多核反应中的一种.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上述核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，U核的质量MU ＝390×10－27 kg.求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的U的质量. 解析　设一年消耗的U的质量为x千克，则消耗的核能为E核＝·ΔE， 设一年中产生的电能为E电，则E电＝Pt(t为一年时间)， 由题意知E电＝E核·η，则E核＝，故·ΔE＝， 所以x＝≈1.10×103 kg. 答案　1.10×103 kg [训练1]　用中子(n)轰击铀核(U)发生裂变反应，会产生钡核(Ba)和氪核(Kr)，并释放中子(n)，当达到某些条件时可发生链式反应，一个铀核(U)裂变时，质量亏损为Δm，已知光在真空中的传播速度为c，下列说法正确的是(　　) A.U的裂变方程为U―→Ba＋Kr＋2n B.U能否发生链式反应与铀块的温度有关 C.U能否发生链式反应与铀块的体积有关 D.一个铀核(U)裂变时，放出的能量为ΔE＝Δmc2 C　[U的裂变方程为U＋n―→Ba＋Kr＋3n，故A错误；当铀块体积达到临界体积时才能使链式反应不断进行下去，与铀块的温度无关，B错误，C正确；根据爱因斯坦质能方程可知，一个U裂变时，放出的能量为ΔE＝Δmc2，D错误.] [训练2]　U受中子轰击时会发生裂变，产生Ba和Kr，同时放出200兆电子伏特的能量.现要建设发电能力是50万千瓦的核电站，用铀235作为原子锅炉的燃料.假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天需要纯铀235的质量为多大？(阿伏伽德罗常量取 6.02×1023mol－1) 解析　核电站每一天的发电量为 E＝Pt＝50×104×103×24×3 600 J＝4.32×1013 J. 由题意知，核电站一天的发电量就等于发电站在一天时间内铀235裂变所释放的总能量， 故核电站每天所消耗的铀235核的个数为 n＝＝＝1.35×1024(个). 故发电站每一天需要的纯铀235的质量为 m＝·M＝×235×10－3 kg≈0.527 kg. 答案　0.527 kg 探究点二　核聚变的特点及应用 我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献. 写出一个核聚变反应的方程. 提示　H＋H―→He＋n 1.聚变发生的条件 要使轻核发生聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离(10－15 m)，这要克服电荷间强大的斥力作用，即是要使轻核具有足够大的动能.要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温. 2.轻核聚变是放能反应 从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应. 3.核聚变的特点 (1)高效性：在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量. (2)持续性：热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去. (3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆. 4.核聚变的应用 (1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置.它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸. (2)可控热核反应：目前处于探索阶段. 太阳的能量来自下面的反应：四个质子(氢核)聚变成一个α粒子，同时发射两个正电子.已知太阳辐射能量的总功率为P，质子H、氦核He、正电子e的质量分别为mp、mα、me，真空中的光速为c. (1)写出核反应方程； (2)求核反应所释放的能量ΔE； (3)求1 s内参与上述热核反应的质子数目. [思路点拨]　 (1)根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程. (2)由爱因斯坦质能方程求出释放的能量. (3)由功率的定义求1 s内参与反应的质子数. 解析　(1)根据质量数守恒和电荷数守恒，可得核反应方程为4H―→He＋2e. (2)质量亏损Δm＝4mp－mα－2me，根据爱因斯坦质能方程：ΔE＝Δmc2， 核反应释放的能量ΔE＝(4mp－mα－2me)c2. (3)设单位时间内参与热核反应的质子数为N，依据能量关系P＝，有 N＝. 答案　(1)4H―→He＋2e (2)(4mp－mα－2me)c2 (3) [训练3]　(全国卷Ⅰ)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电.氘核聚变反应方程是：H＋H―→He＋n.已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u，1 u＝931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为(　　) A.3.7 MeV　　　　　　　 B.3.3 MeV C.2.7 MeV D.0.93 MeV B　[氘核聚变反应的质量亏损为Δm＝2×2.013 6 u－(3.015 0 u＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931 MeV/c2×c2≈3.3 MeV，B正确.] [训练4]　两个氘核以相等动能Ek＝0.5 MeV相向运动并发生正碰，产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量mD＝2.013 6 u，氦核质量mHe＝3.015 0 u，中子质量mn＝1.008 7 u，阿伏伽德罗常量NA＝6.0×1023 mol－1. (1)写出核反应方程； (2)计算一次反应释放多少核能； (3)求中子和氦核的动能分别为多少； (4)若共有1 kg的氘完全反应，求放出的总能量. 解析　(1)核反应方程为H＋H―→He＋n. (2)质量亏损为Δm＝2mD－mHe－mn＝(2×2.013 6－3.015 0－1.008 7)u＝0.003 5 u. 释放的能量为ΔE＝0.003 5×931.5 MeV＝3.26 MeV. (3)因碰撞过程中动量守恒，反应前总动量为零，反应后总动量也为零，故中子与氦核的动量大小相等，方向相反，由Ek＝知，＝＝，又Ekn＋EkHe＝ΔE＋2Ek＝4.26 MeV，解得Ekn＝3.195 MeV，EkHe＝1.065 MeV. (4)1 kg的氘含有的原子数N＝NA＝×6.0×1023个＝3×1026个，发生核反应的次数为，故放出的总能量为E＝ΔE·＝3.26×106×1.6×10－19 J×＝7.824×1013 J. 答案　(1)H＋H―→He＋n　(2)3.26 MeV (3)3.195 MeV　1.065 MeV　(4)7.824×1013 J [对应学生用书P89] 1.(核裂变反应)1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有钡原子核(Ba)、氪原子核(Kr)、中子和一些γ射线.下列关于这个实验的说法正确的是(　　) A.这个实验的核反应方程是U＋n―→Ba＋Kr＋n B.这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和 C.这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算 D.实验中产生的γ射线穿透能力极强 D　[根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：U＋n―→Ba＋Kr＋3n，A不正确；铀核裂变过程中产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，B、C不正确；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，D正确.] 2.(核聚变反应)(多选)以下核反应方程中属于核聚变的是(　　) A.H＋H―→He＋n B.N＋He―→O＋H C.H＋n―→H＋γ D.4H―→He＋2e ACD　[轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为聚变.] 3.(核电站和核反应堆)如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的说法正确的是(　　) A.铀235容易吸收快中子发生裂变反应 B.快中子跟减速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 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　[快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟减速剂(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，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，C、D都错误.] 4.(核能的计算)用中子轰击铀核(U)，其中一个可能的反应是铀核分裂成钡(Ba)和氪(Kr)两部分，同时放出3个中子.各个核和中子的质量如下： mU＝390.313 9×10－27 kg， mn＝1.674 9×10－27 kg mBa＝234.001 6×10－27 kg， mKr＝152.604 7×10－27 kg 试写出核反应方程，并计算出反应中释放的核能. 解析　根据反应前后核的质量数守恒、核电荷数守恒和反应中的能量守恒，可以写出核反应方程为 n＋U―→Ba＋Kr＋3n 核反应前后的质量亏损为 Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.357 8×10－27 kg 则由质能方程可得释放的核能为 ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J ＝3.220 2×10－11 J. 答案　n＋U―→Ba＋Kr＋3n 3.220 2×10－11 J 学科网（北京）股份有限公司 $$