第5章 4.核裂变与核聚变 5.“基本”粒子-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案word（人教版2019）

享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 4.核裂变与核聚变 5.“基本”粒子 孩心康养定位 1.知道什么是核裂变，知道链式反应及链式反应的条件，会利用质量亏损计算核裂变产生的 核能。2.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度，了解如何防止核污染。3.了 解核聚变的特点和条件，了解核聚变的优点，会判断和书写核聚变反应方程，能计算核聚变 释放的能量。4知道粒子的分类及其特点，了解夸克模型。 课前自主学习 核裂变的发现 1.核裂变：重核在被中子轰击后分裂成两个质量差不多的p101)较轻原子核，并放出！ sp1O2)核能的过程。 2.铀核裂变：用中子轰击铀核时，轴核裂变的产物是多样的，一种典型的核反应是23592U +10n→14456Ba+8936Kr+s\upl(03310n. 3.链式反应：由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变 的链式反应。 4.临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生spl(04链式反应的spl05)最小体积叫作 它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。 二反应堆与核电站 利用核能发电，它的核心设施是plO)核反应堆，其主要由以下几部分组成： (1)燃料：spl02)铀棒。 (2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用spl03)石墨、sp104重水或」 supl(05)普通水（也叫轻水）作慢化剂。 (③)控制棒：利用镉吸收spI06中子能力很强的特性，在反应堆中采用插入镉棒的方法控制 链式反应的速度。 (4)热交换器：sp1O7)水或液态的金屈钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆中的热量 传输出去，同时也使反应堆冷却。 (⑤)在反应堆的外面需要修建很厚的splO8)水泥层：核废料需装入特制的容器，sup1(09)深 亨学科网书城 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 埋地下。 三核聚变 1.定义：两个轻核结合成质量sp1(O1)较大的核的核反应。轻核聚变反应必须在sp1O2 高温下进行，因此又叫热核反应。 2.核反应举例：21H+31H→supl0342He十10n+17.6MeV。 3.实例分析 ()宇宙天体：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。 (2)核武器：sp1(04氢弹。首先由化学炸药引爆spl05)原子弹，再由sp106)原子弹爆炸 产生的高温高压引发热核爆炸。 4.核聚变与核裂变相比有很多优点 (1)轻核聚变产能spl07)效率高。 (2)地球上核聚变燃料的储量supl08)丰宣。 (3)轻核聚变更为spl09)安全、清洁 5.实现可控核聚变的方案：sp110)磁约束和supl11)惯性约束。 四“基本粒子 1.“基本粒子”不基本 (1)传统的“基本粒子”：光子、spl0)电子、质子和spl02)中子。 (2)基本粒子“不基本的原因 ①科学家们逐渐发现了数以百计的pl03)不同种类的新粒子。 ②科学家们又发现质子、中子等本身也有自己的sp1O4复杂的结构。 2.发现新粒子 1932年发现了sp105)正电子，1937年发现sp106u子，1947年发现K介子和元介子，后 来又发现超子、反粒子等。 3.粒子的分类 (1)强子：参与xpl07)强相互作用的粒子。spl08质子和sl09中子都是强子。 (2)轻子：不参与强相互作用，有sp110)电子、电子中微子、4子、sp111μ子中微子、x 子、子中微子。 (3)规范玻色子：spl12)传递各种相互作用的粒子。如光子、中间玻色子(W和Z玻色子) 胶子。光子传递supl3电磁相互作用，中间玻色子传递s吧l4)弱相互作用，胶子传递] 2 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2xXk.com○ 您身边的互联网+教辅专家 sp115)强相互作用。 (4)希格斯玻色子：是希格斯场的spl16量子激发。 。课前检测 1.判一判 (I)轴核裂变的产物是唯一的。()】 (2)只要铀块体积大于临界体积就可以发生链式反应。() (3)核电站应用的是重核裂变获得能量。() (4)在利用重核裂变制成的原子弹中，也需要用镉制成的控制棒。() (⑤)发生核聚变的条件是核子间距离达到10-15m内。() (⑥轻子的质量一定比强子轻。() (⑦)反质子的电荷量与质子相同，但带的是负电荷。() 提示：(1)×(2)×(3)V(4)×(⑤)V(O×(7)N 2.想一想 (1)铀核裂变是天然放射现象吗？ 提示：不是。天然放射现象是指元素自发地放出射线的现象，而裂变是重核在其他粒子轰击 下发生的核反应。 (2)中子的速度越快越容易发生轴核裂变吗？ 提示：不是。中子速度不能太快，否则就会与铀核“擦肩而过”，轴核不能俘获中子，也就不 能发生裂变了。 (3)核反应堆中控制棒如何起到控制核反应速度的作用？ 提示：控制棒一般由镉制成，镉吸收中子能力很强，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，从而达到减慢核反应速度的目的。相反，如果核反应速度过慢，将镉 棒抽出一些。 (4)受控热核反应不容易实现的主要原因是什么？ 提示：主要原因是核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。 (⑤氢弹爆炸的威力相比原子弹爆炸的威力哪一个大？为什么？ 提示：氢弹爆炸的威力大。氢弹爆炸是核聚变的结果，而相同质量的核燃料，核聚变释放的 核能比原子弹中核裂变释放的核能要大得多。 3 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 课堂探究评价 探究1核裂变 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 八中子 中 都数侧 轴235 。中子 26八 (不稳 钡144 甲用中子变击轴核 一 乙链式反应示意图 术彩护层 热交族器 永泥为护层 水第二回路 第一回路 丙反应堆示意图 丁 核电站工作流程 师生互动 活动1：如图甲所示，1938年，德国物理学家哈恩用中子轰击铀核，产生了钡和氢，与前而 学过的α衰变、一般原子核的人工转变相比，该核反应生成的核的质量有什么特点？ 提示：该核反应生成的核的质量较大，远大于粒子、质子等的质量，且与α衰变、一般的原 子核人工转变不同，生成的质量较大的核不止一个，有两个。 活动2：奥地利物理学家弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把如图甲所示的这类核反应称 为核裂变。如图甲所示的核裂变除了产生两个新核，还产生了什么？ 提示：还产生了3个中子。 活动3：如图甲所示的核裂变，除了产生两个新核，放出的这些粒子会再次轰击其他轴核发 生裂变，接下来会发生什么现象？ 提示：新产生的中子会再轰击其他轴核发生裂变，进而产生更多的中子，使核裂变反应一代 接一代继续下去。 亨学科网书城 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 活动4：活动3的现象称为核裂变的链式反应，如图乙所示。实际上原子核的体积非常小， 原子内部空隙很大。如果铀块不够大，会发生什么？ 提示：中子在轴块中通过时，可能还没碰到铀核就跑到铀块外面去，链式反应不能继续。 活动5：通常把核裂变物质能发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积。链式反应可以持 续释放核能，人们据此制造了核反应堆，如图丙所示。为什么要用慢化剂（如石墨）减慢中子 的速度？ 提示：如果中子速度过快，可能与铀核擦肩而过”，铀核不能捕获中子而发生裂变。 活动6：核反应堆为什么要插入镉棒吸收一些中子？ 提示：根据图乙可知，链式反应产生的中子越来越多，如果不加以控制，释放能量过快会导 致事故。当反应过于激烈时，用镉棒吸收中子可以减缓链式反应的速度。 活动7：如图丁所示是利用核反应堆发电的核电站，试说说它的原理。 提示：第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核反应放出的热使水的内能增加，水温 升高，进入热交换器后，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆里。在热交换器 内，第二回路中的水被加热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。 得 出结论 1.核裂变及链式反应 ()常见的核裂变方程 ①23592U+10m→13654Xe+9038Sr+1010m。 ②23592U+10m→14456Ba+8936Kr+310n。 (2)链式反应的必要条件 ①铀块的体积大于或等于临界体积（即铂块的质量大于或等于临界质量）。 ②有慢中子轰击。 (3)核裂变的应用 ①不可控核裂变反应：原子弹。 ②可控核裂变反应：核电站。 2.核电站 (1)核电站的主要组成部分及作用 ①裂变材料（核燃料）：由天然铀或浓缩轴（轴235的含量占2%~40制成，它是核反应堆的燃 5 令学科网书城圆 品牌书店，知名数辅·正版资源 b2XXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 料。 ②减速剂（慢化剂：用石墨（或重水或普通水）作为慢化剂，附着在轴棒周围，使反应生成的快 中子变为慢中子，便于被铀235“捉”住，发生核裂变。 ③控制棒：用镉棒吸收中子，通过控制镉棒在铀棒之间插入的深度控制反应速度。 ④热交换器：用水或液态的金属钠，传输核反应产生的热量。 ⑤水泥防护层：很厚的水泥层，防止放射线和放射性物质的泄漏，防止放射性污染。 (②)核电站发电的优点 ①消耗的核燃料少：一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30吨左右，而同样功率的 火电站每年要消耗煤250万吨。 ②污染小：核电站对环境的污染比火电站小。 实践提升 例1（多选）铀核裂变的产物是多样的，其中的一种裂变反应是23592U+10n→14054X+ 9438Sr+210n。关于铂核裂变，下列说法正确的是() A.上述方程也可以写成23592U→14054Xe+9438Sr+10n B.铀块的大小，是链式反应能否进行的重要因素 C.原子弹、核电站都是可控核裂变反应的应用 D.14054Xe、9438Sr的比结合能都比23592U的比结合能大 [实践探究]门)核裂变时，发生链式反应的条件是什么？ 提示：①中子轰击轴核。②核裂变物质的体积大于或等于临界体积。 (②)轴核裂变的链式反应的快慢可以人工控制吗？ 提示：可以。“核反应堆“就是人工控制核裂变链式反应快慢的装置。 [规范解答】]方程中“→”左侧的中子是反应物，右侧的中子是生成物，铀核在中子轰击下发 生裂变，裂变后会生成新的中子，因此核反应方程两侧的中子不能消去，A错误：轴块的体 积要大于或等于临界体积，链式反应才能进行，故B正确：原子弹是不可控核裂变反应的应 用，核电站是可控核裂变反应的应用，C错误：23592U是重核，裂变产生的14054Xc、9438Sr 是两个中等大小的原子核，同时释放出核能，即14054X©、9438Sr比23592U更稳定，则 14054Xc、9438Sr的比结合能均比23592U的比结合能大，故D正确。 [答案]BD 6 亨学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 ⊙规律点拨 解决核裂变问题应注意的几点 ()重核发生链式反应的条件：①要俘获慢中子：②轴块的体积要大于或等于临界体积。 (②)重核裂变释放核能的原因是：重核的比结合能小于中等原子核的比结合能。 (3)核裂变遵循质量数守恒、电荷数守恒的规律。 [变式训练1一]如图是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是() 镉棒 水泥防护层 慢化剂 A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应 B.快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铂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 答案B 解析快中子容易与铀235“擦肩而过”，快中子跟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，A错误，B正确；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错误。 [变式训练1一2]山东海阳核电站一期工程建设了总功率P=250万千瓦的AP1000三代核电 机组.如果轴235在中子的轰击下裂变为9038Sr和13654Xe,质量mm=235.0439u,mn=1.0087 u,ms=89.9077u,mx.=1359072u。1u相当于931.5MeV的能量。 ()写出裂变方程： (2)求出一个轴核裂变放出的能量； (3)若铀矿石U235的浓度为3%，轴核裂变释放的能量全部用于发电，则一期工程投产发电后， 1吨轴矿石可以维持核电站运行多少天？（阿伏加德罗常数Na=6.02×1023mol一1） 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2XXk.c0m○ 您身边的互联网+教辅专家 答案(1)23592U+10n→9038Sr+13654Xc+1010n (2140.4MeV(3)8天 解析(1)根据核裂变遵循质量数守恒和电荷数守恒可得裂变方程为23592U+10m一→9038S+ 13654Xe+1010n。 (2)一个铀核裂变的质量亏损为 △m=mo十mn-mx-ms-10mm=0.1507u 释放的能量为 △E=mc2=0.1507×931.5MeV≈140.4MeV. (3)设1吨铂矿石中U235的原子核的数目为N,U235的摩尔质量为M,1吨铀矿石可以维持 核电站运行的时间为，可放出的能量为E,则E=P1 又E=NAE N=1×103kg3%MNa M-235.0439×10-3kg 联立并代入数据解得8天。 探究2核聚变 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 复质 原子 原子核回 乙太阳 师生互动 活动1：两个轻核结合成质量较大的核，也会释放核能，叫作核聚变。两个轻核要发生聚变， 必须使它们的距离达到10-15m以内，参考图甲分析：两个轻核聚变的困难是什么？ 提示：原子半径是原子核半径的十万倍，所以两个原子核通常情况下离得很远。而原子核带 正电，要使它们靠近，就要克服巨大的库仑斥力。 活动2：要使原子核互相靠近，需要使它们具有很大的动能“撞”在一起。根据热力学知识， 温度高时原子核的平均动能大。有什么办法能使大量原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？ 8 亨学科网书城 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 提示：有一种办法，就是把它们加热到很高的温度，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足 够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变。核聚变反应一旦发生，就不 再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。 活动3：如图乙所示，热核反应（即核聚变）在宇宙中时时刻刻地进行若，太阳就是一个巨大的 热核反应堆。目前人工产生的核聚变主要应用在核武器上。核聚变需要的温度很高，但是地 球上没有容器可以承受这种高温。为了实现可控的人工核聚变，有哪些解决方案？ 提示：()利用磁场约束核聚变物质，使它们在洛伦兹力的作用下而不飞散。(2)在惯性约束下 ，用激光或X射线从各个方向照射参加反应的物质，使它们挤”在一起发生反应；核聚变反 应的时间很短，核聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。 得出结论 1.从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此核聚变反应是一个放能反应。 2.核聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核达到核力发生作用的距离10一15m以内， 这要克服电荷间巨大的库仑斥力作用，要求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。 3.核聚变的特点 (1)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)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继续下去。 4.核聚变的实例及应用 (1)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。太阳的主要成分 是氢。太阳的中心温度达1.6×107K。在这样的高温下，氢核聚变成氨核的反应不停地进行着， 不新地放出能量。现在地球上消耗的能量，追根溯源，绝大部分还是来自太阳，即太阳内部 聚变时释放的核能。 (②)目前，人工产生的热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹。氢弹原理是：首先由化学炸 药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 5.可控核聚变 (1)核聚变与核裂变相比有很多优点。 ①轻核聚变产能效率高，核聚变反应比核裂变反应平均每个核子放出的能量大3一4倍。 ②地球上核聚变燃料的储量丰富。 9 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2xXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 ③轻核聚变更为安全、清洁。 (2)实现可控核聚变的难点是，核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高 的温度。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。 ①磁约束：带电粒子运动时，在匀强磁场中会由于洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利 用磁场来约束参加反应的物质。 环流器是月前性能最好的一种磁约束装置，如图1是其结构示意图。 提供磁场 真空室等离子体的线阁 即各种粒子 的混合体) 图1环流器的结构示意图 ②惯性约束：在惯性约束下，可以用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射参加反应的 物质，使它们“挤”在一起发生反应。由于核聚变反应的时间非常短，核聚变物质因自身的惯 性还来不及扩散就完成了核反应。如图2是其结构示意图。 靶丸供给室 激光给人 屏蔽再生层 热量交换器 图2惯性约束示念图 实践提升 例2中国环流器二号M装置的内部结构如图所示，这种“人造太阳”进行的热核反应方程式 为21H+31H一→X+10n,已知21H、31H、10n的质量分别为m1、m2、,反应中释放的核 能为△E,光速为c,下列说法正确的是() 10