第5章 4.核裂变 核聚变 5.粒子物理学发展概况-【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（教科版2019）

4．核裂变　核聚变 5．粒子物理学发展概况 [核心素养定位]　1.知道什么是核裂变，知道链式反应及链式反应的条件。2.了解核反应堆和核电站的工作原理。3.了解核聚变的特点、条件及其优点。4.了解带电粒子加速器与对撞机。5.知道粒子的分类及其特点，了解夸克模型。6.了解宇宙大爆炸理论。 一　核裂变 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)一种典型的铀核裂变：U＋n→Ba＋Kr＋3n。 2．链式反应 (1)链式反应：如果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，这样的反应称为链式反应。 (2)临界体积：能够发生链式反应的裂变物质的最小体积叫作临界体积。 3．核反应堆 (1)定义：核反应堆是一种人为可控的核裂变链式反应装置。 (2)分类：按引起裂变的中子能量可分为慢中子反应堆和快中子反应堆。 (3)结构与原理 以铀235为核材料的慢中子反应堆的结构如图所示： ①铀棒：天然铀中的铀235经过浓缩，制成铀棒形式。 ②减速剂 a．铀235的特点：铀235具有能俘获慢中子，而不易俘获快中子的特点。核裂变时产生的中子速度都很快，不易被铀235俘获。 b．减速剂的作用：在铀棒周围放置减速剂，快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量损失，变成慢中子。 c．常用减速剂：普通水(也叫轻水)、重水和石墨。 ③控制棒 a．作用：调节中子数目以控制反应速度。 b．控制棒材料：镉或硼等能强烈吸收中子的物质。 4．核电站 (1)核能发电 指利用核反应堆中核裂变所释放出的核能进行发电。 (2)核能先转变成水的内能，使水变成高温高压的蒸汽，去推动汽轮发电机发电。 二　核聚变 1．核聚变 (1)定义：轻原子核聚合成较重原子核的反应称为聚变反应，简称核聚变。核聚变反应也称热核反应。 (2)举例：H＋H→He＋n。 (3)相比核裂变的优越性 ①能释放更多的能量。 ②没有放射性废料产生。 ③所用燃料在地球上的储量丰富。 2．受控热核反应 (1)人类要想和平利用核聚变的能量，就必须使核聚变的反应过程实现可控。 (2)控制方法：磁约束和惯性约束。 三　粒子物理学发展概况 粒子物理学：人们把研究(质子、中子、电子、光子等)物质更深层次结构的物理学分支称为粒子物理学。 1．加速器和对撞机 (1)带电粒子加速器 ①作用：把带电粒子加速到更高的能量，以探索物质深层结构。 ②基本原理：带电粒子在电场中受到电场力作用而被加速。 ③分类：按照粒子加速过程中的路径大致可以分为两类：直线加速器、回旋加速器。 (2)对撞机 ①定义：让两束高能粒子流实现对撞的装置。 ②建造对撞机的原因：如果用高能粒子“轰击”静止的原子核，能量利用率较低，利用两束相对运动的粒子流对撞，就能把全部能量利用上。 2．粒子“全家福” (1)分类：目前已经在实验中被发现、可以自由状态存在的粒子，按照它们参与相互作用的性质，可以分为三类，分别是规范玻色子、轻子、强子。 (2)反粒子 粒子都有它的反粒子。 ①对于带电粒子，正、反粒子的质量和电荷量都相等，只是电荷的符号相反，正电子是电子的反粒子，也是第一个被发现的反粒子。 ②不带电的粒子，反粒子与粒子的质量和自旋相同，只是磁矩方向相反。例如中子的反粒子是反中子。 3．夸克模型 (1)1964年美国物理学家盖尔曼和茨威格各自独立提出了强子结构的夸克模型。 (2)夸克模型认为电子电荷不再是电荷量的最小单元，而存在着分数电荷。 4．宇宙的演化 宇宙起源演化简史：普朗克时期→“大统一”时期→暴胀时期→强子时期→轻子时期→宇宙最初元素合成时期→原子形成时期→星系形成时期。 1．判一判 (1)铀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10－15 m内。(　　) (6)激光惯性约束是实现可控核聚变的唯一方式。(　　) (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)√　(4)×　(5)√　(6)×　(7)√ 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铀核裂变吗？ 提示：不是。中子速度不能太快，否则就会与铀核“擦肩而过”，铀核不能俘获中子，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：控制棒一般由镉或硼等能强烈吸收中子的材料制成，当反应过于激烈时，将控制棒插入深一些，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，将控制棒抽出一些。 (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。 探究　核裂变 仔细观察下列图片，认真参与“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，产生了钡和氪，与前面学过的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α粒子、质子等的质量，且与α衰变、一般原子核的人工转变不同，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铀核发生裂变，接下来会发生什么现象？ 提示：新产生的中子会再轰击其他铀核发生裂变，进而产生更多的中子，使核裂变反应一代接一代继续下去。 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：中子在铀块中通过时，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。为什么要用减速剂(如石墨)减慢中子的速度？ 提示：铀235具有能俘获慢中子，而不易俘获快中子的特点，核裂变产生的中子速度很快，不易被铀235俘获，而发生裂变。 活动6：核反应堆为什么要插入控制棒吸收一些中子？ 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，用控制棒吸收中子可以减缓链式反应的速度。 1．核裂变及链式反应 (1)常见的核裂变方程 ①U＋n→Xe＋Sr＋10n。 ②U＋n→Ba＋Kr＋3n。 (2)链式反应的必要条件 ①裂变物质的体积大于或等于临界体积(即裂变物质的质量大于或等于临界质量)。 ②有中子轰击。 (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．核反应堆 核反应堆是一种人为可控的核裂变链式反应装置，按引起裂变的中子能量可分为慢中子反应堆和快中子反应堆。 慢中子反应堆的结构原理 (1)裂变材料：经过浓缩的铀235，其含量提升到3%～4%，并制成铀棒形式。 (2)减速剂：铀235具有能俘获慢中子，而不易俘获快中子的特点。核裂变时产生的中子速度都很快，不易被铀235俘获。为此在铀棒周围放置减速剂，快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量损失，变成慢中子。常用作减速剂的物质有普通水(也叫轻水)、重水和石墨。 (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入一些控制棒。制造控制棒的材料是镉或硼等能强烈吸收中子的物质，当反应过于剧烈时，就把控制棒插入得深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些。反之则把控制棒向外拔出一些。 3．核电站 核电站的内部通常由一回路系统和二回路系统组成，如图所示。 (1)核反应堆是核电站的核心设施。 (2)核反应堆工作时放出的热量，由一回路系统的冷却剂(通常是水或液态的金属钠等)带出，产生高温高压的蒸汽。为了确保安全，整个一回路系统装在一个被称为安全壳的密闭厂房内，这样，万一在一回路系统发生事故时不会影响外界安全。 (3)由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回路系统，与火电厂的汽轮发电机系统基本相同。 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U＋n→Xe＋Sr＋2n。关于铀核裂变，下列说法正确的是(　　) A．上述方程也可以写成U→Xe＋Sr＋n 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.Xe、Sr的比结合能都比U的比结合能大 (1)核裂变时，发生链式反应的条件是什么？ 提示：①中子轰击铀核。②核裂变物质的体积大于或等于临界体积。 (2)铀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；铀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；U是重核，裂变产生的Xe、Sr是两个中等质量大小的原子核，同时释放出核能，即Xe、Sr比U更稳定，则Xe、Sr的比结合能均比U的比结合能大，故D正确。 [答案]　BD 　解决核裂变问题应注意的几点 (1)重核发生链式反应的条件：①要俘获中子；②裂变物质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质量原子核的比结合能。 (3)核裂变遵循质量数守恒、电荷数守恒的规律。 [变式训练1－1]　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(　　) A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应 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．控制棒由镉或硼做成，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，A错误，B正确；控制棒由镉或硼做成，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1－2]　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。如果铀235在中子的轰击下裂变为Sr和Xe，质量mU＝235.0439 u，mn＝1.0087 u，mSr＝89.9077 u，mXe＝135.9072 u。1 u相当于931.5 MeV的能量。 (1)写出裂变方程； (2)求出一个铀核裂变放出的能量； (3)若铀矿石U235的浓度为3%，铀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吨铀矿石可以维持核电站运行多少天？(阿伏伽德罗常量NA＝6.02×1023 mol－1) 答案　(1)U＋n→Sr＋Xe＋10n (2)140.4 MeV　(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235 92U＋n→Sr＋136 54Xe＋10n。 (2)一个铀核裂变的质量亏损为 Δm＝mU＋mn－mXe－mSr－10mn＝0.1507 u 释放的能量为 ΔE＝Δm·c2＝0.1507×931.5 MeV≈140.4 MeV。 (3)设1吨铀矿石中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t，可放出的能量为E，则 E＝Pt 又E＝NΔE N＝·NA M＝235.0439×10－3 kg 联立并代入数据解得t≈8天。 探究　核聚变 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：轻原子核结合成较重的原子核，也会释放核能，叫作核聚变。两个轻原子核要发生聚变，必须使它们的距离达到核力作用范围(10－15 m)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？ 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着，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：(1)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。 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10－15 m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，使物质达到上亿摄氏度。 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．核聚变反应和核裂变反应相比，具有的优越性 (1)在消耗相同质量的核燃料时，核聚变反应比核裂变反应能释放更多的能量。 (2)核裂变反应时产生放射性废料，处理起来比较困难，而核聚变反应没有放射性废料产生。 (3)核聚变反应所用的燃料氘，在地球上的储量非常丰富。 5．可控核聚变 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。 环流器是目前性能最好的一种磁约束装置，如图1是其结构示意图。 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。 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H＋H→X＋n，已知H、H、n的质量分别为m1、m2、m3，反应中释放的核能为ΔE，光速为c，下列说法正确的是（　　） A．要使这种热核反应发生，必须克服H、H之间巨大的核力 B．反应的产物X有污染 C．两个轻核结合成质量较大的核，比结合能较核聚变前增大，反应后的产物结构更稳定 D．X核的质量为m1＋m2－m3＋ (1)核聚变遵循什么规律？ 提示：质量数守恒，电荷数守恒。 (2)核聚变过程中核的比结合能如何变化？ 提示：核聚变过程中放出核能，比结合能增大。 [规范解答]　核聚变是指轻原子核聚合成较重原子核，要发生核聚变反应，两个轻核应足够近，但并不是克服核力做功，而是需要克服两原子核间巨大的库仑斥力做功，A错误；根据核反应过程质量数守恒和电荷数守恒，可知反应的产物X为氦核He，比较稳定，无污染，B错误；两个轻核结合成质量较大的核，比结合能较核聚变前增大，反应后的产物结构更稳定，C正确；根据爱因斯坦质能方程可得ΔE＝Δm·c2＝(m1＋m2－mX－m3)c2，解得X核的质量为mX＝m1＋m2－m3－，D错误。 [答案]　C 1．核衰变、核裂变、核聚变的特点比较 (1)核衰变是元素自发进行的，因而方程式左侧只有一种元素。 (2)核裂变是质量较大原子核被中子轰击后分裂为质量中等原子核的过程，属于核反应。 (3)核聚变是质量较轻原子核结合成质量较大原子核的过程，属于核反应。 2．核衰变及三种核反应的方程的快速区分 (1)核衰变：核衰变方程左边只有一个原子核，右边有两个粒子且其中一个为α粒子或β粒子。 (2)原子核的人工转变：核反应方程左边有一个原子核以及α粒子、中子、质子、氘核等粒子中的一个，右边有一个新核，还可能放出其他粒子。 (3)重核裂变：左边为重核与中子，右边为两个(或多个)中等质量的核和若干个中子。 (4)轻核聚变：左边为两个轻核，右边为质量较大的核，可能还有质子、中子等粒子，例如氘核和氚核结合成氦核的反应。 [变式训练2－1]　(多选)下列说法正确的是(　　) A.N＋H→C＋He是α衰变方程 B.H＋H→He＋γ是核聚变反应方程 C.U→Th＋He是核裂变反应方程 D.He＋Al→P＋n是原子核的人工转变方程 答案　BD 解析　选项A、D为原子核的人工转变方程，选项B为轻核聚变方程，选项C为原子核的α衰变方程，故B、D正确。 [变式训练2－2]　天文学家测得银河系中氦的含量约为25%，有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两种：一是在宇宙诞生后3分钟左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部氢核聚变反应生成的。 (1)把轻核聚变反应简化为4个氢核(H)聚变成氦核(He)，同时放出两个正电子(e)和两个中微子(ν)，请写出氢核聚变反应的方程式，并计算一次反应释放的能量。 (2)研究表明，银河系的年龄约为t＝3.8×1017 s，每秒钟银河系产生的能量约为1×1037 J(即P＝1×1037 J/s)，现假定该能量全部来自上述轻核聚变反应，试估算银河系中氦的质量(最后结果保留一位有效数字)。 (3)根据你的估算结果，对银河系中氦的主要生成途径作出判断。 [可能用到的数据：银河系质量为M＝3×1041 kg，原子质量1 u＝1.66×10－27 kg，1 u相当于1.5×10－10 J的能量，电子质量me＝0.0005 u，氦核质量mα＝4.0026 u，氢核质量mH＝1.0078 u，中微子(ν)质量为零。] 答案　(1)4H→He＋2e＋2ν　4.12×10－12 J (2)6×1039 kg (3)宇宙诞生后不久产生的 解析　(1)由原子核聚变时质量数守恒与核电荷数守恒可知， 核反应方程式为4H→He＋2e＋2ν 核反应中的质量亏损Δm＝4mH－mα－2me 释放出的核能ΔE＝Δm·c2 联立并代入数据解得ΔE≈4.12×10－12 J。 (2)核反应产生的氦的质量m＝×mα≈6×1039 kg。 (3)氦的含量k＝＝＝2% 由估算结果可知，k＝2%远小于25%的实际值，所以银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的。 探究　粒子物理学发展概况 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 甲　直线加速器装置示意图 乙 类别 粒子 统计性 相互作用 规范玻色子 γ/W±，Z0/g 玻色子 电磁/弱/强 轻子 带电 e±，μ±，τ± 费米子 电磁，弱 中微子 νe，e，νμ，μ；ντ，τ 费米子 弱 强子 介子 π±，π0(K±，K0，0) 玻色子 强，电磁，弱 重子 p，n，，(奇异粒子Λ，∑，Ξ，Ω等) 费米子 强，电磁，弱 丙　粒子的分类 名称 u d s c b t 电荷 e －e －e e －e e 丁　6种夸克 活动1：20世纪20年代以前，人们利用天然放射性物质放出的α粒子去“轰击”原子核，用以研究原子核的结构，但天然放射性物质放出的粒子能量不高，不能满足科研的需要，这就要设法把带电粒子加速到更高的能量，加速器应运而生。如图甲所示，是一种用高频电场加速带电粒子的谐振加速器，尝试说明其工作原理。 提示：漂移管内部电场为零，带电粒子只有在各漂移管的间隙处被电场加速。为了保证粒子每次经过两管间隙处都被加速，漂移管的长度有严格的要求，以保证粒子每次从漂移管出来时，电场已经改变方向，粒子被加速。这样经过电场的多次加速，粒子获得较高的能量。 活动2：如图乙是安德森1932年拍摄到的照片，宇宙射线从上方射入，在磁场的作用下偏转，穿过铅板后轨迹半径变小。经测量这种射线粒子的质量与电子相等，但受到的洛伦兹力方向与电子相反，由此可得出什么结论？ 提示：这种粒子的质量与电子相等，但电性相反，是一种新粒子。 活动3：目前已经在实验中被发现，可以自由状态存在的粒子，按照它们参与相互作用的性质，分类如图丙。电子、质子、中子中哪个参与强相互作用(核力)? 提示：质子、中子。 活动4：许多实验事实表明，质子、中子等强子有内部结构。为了解释这些现象，1964年盖尔曼提出了夸克模型。观察图丁所示夸克表格，夸克带电量的特点是什么？ 提示：6种夸克带的电荷量分别为元电荷的＋或－。 1．加速器和对撞机 (1)带电粒子加速器 ①基本原理：带电粒子在电场中受到电场力作用而被加速。 ②分类 按照粒子加速过程中的路径大致可以分为两类：一类是直线加速器，另一类是回旋加速器。 典型的加速器有三种： (ⅰ)直线加速器 是一种用高频电场加速带电粒子的谐振加速器，结构如图甲所示。粒子的运动轨迹是一条直线，其中的一系列金属圆管称为漂移管，每个漂移管的长度依次递增，排列在奇数位置及偶数位置的漂移管各自连接成一组，分别与高频振荡器的两端连接。 工作原理：漂移管内部电场为零，带电粒子只有在各漂移管的间隙处被电场加速。为了保证粒子每次经过两管间隙处都被加速，漂移管的长度有严格的要求，以保证粒子每次从漂移管出来时，电场已经改变方向，粒子被加速。这样经过电场的多次加速，粒子获得较高的能量。 (ⅱ)回旋加速器 如图乙所示，主体部分是两个D形的金属盒，盒内电场被屏蔽，但存在着匀强磁场，带电粒子在盒内受洛伦兹力作用而做圆周运动，在两盒间隙处被电场加速。 回旋加速器带电粒子被加速后的能量受D形盒半径的制约。 (ⅲ)环形同步加速器 是在一定的环形轨道上用固定频率的高频电场加速带电粒子的装置，针对不同的带电粒子有不同的设计。 电子环形同步加速器如图丙所示，它用C形磁铁(可用电磁铁)组成环形结构，环形真空室位于各磁铁的磁场中，室内装有加速电极或谐振腔，高频电源产生固定频率的变化电场，用来加速电子。 由于电子的静止质量很小，在能量大于2 MeV时，速度已经接近光速，再经电场加速，能量提高，但速度变化很小，电子做圆周运动的半径和转动周期基本保持不变，因此高频电源的频率可保持不变。一般先用直线加速器把电子加速到某一数值，再注入环形加速器中加速。大型电子同步加速器常采用多个环形轨道组合，各环之间用直线轨道连接。 (2)对撞机 ①定义：让两束高能粒子流实现对撞的装置，称为对撞机。 ②特点：与高能粒子“轰击”静止的原子核相比，能利用粒子的全部能量(动能)，能量利用率高。 2．粒子分类 (1)目前已经在实验中被发现、可以自由状态存在的粒子，按照它们参与相互作用的性质，分类如表所示。 (2)反粒子 ①对于带电粒子来说，正、反粒子的质量和电荷量都相等，只是电荷的符号相反。 ②不带电的粒子，反粒子与粒子的质量和自旋相同，只是磁矩方向相反。 表中的e±，表示正电子和电子，p、n和、分别表示质子、中子及它们的反粒子。光子的反粒子就是它自己。 粒子的分类 类别 定义或特点 粒子 备注 规范玻色子　 传递各种相互作用的粒子　 γ(光子)/W±，Z0(中间玻色子)/g(胶子) 光子传递电磁相互作用；中间玻色子传递弱相互作用；胶子传递强相互作用 轻子 带电 不参与强相互作用 e±，μ±，τ± 未发现其内部结构 中微子 νe，e，νμ，μ；ντ，τ 强子 介子 参与强相互作用的粒子 π±，π0(K±，K0，0) 强子有内部结构，由“夸克”组成 重子 p，n，，(奇异粒子Λ，∑，Ξ，Ω等) 3.夸克模型 (1)强子由6种夸克和相应的反夸克组成。每个夸克的电荷量不是e(元电荷)的整数倍，而是e的或，如表所示。 6种夸克 名称 u d s c b t 电荷 e －e －e e －e e (2)夸克还有一种叫“色荷”的性质。 (3)目前，人们对夸克的认识还只是起步阶段，科学家迄今为止还没有捕捉到单个的自由夸克。 例3　(多选)质子和中子属于强子，强子是由更基本的粒子——夸克组成。根据夸克理论，夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。它们的带电荷量分别为－或＋e，电荷量e为元电荷。已知一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。则下列说法正确的是(　　) A．上夸克的电荷量为＋ B．下夸克的电荷量为－ C．上夸克的电荷量为－ D．下夸克的电荷量为＋ (1)质子、中子所带的电荷量分别是多少？ 提示：＋e，0。 (2)如何求组成质子、中子的两种夸克的电荷量？ 提示：根据电荷守恒定律，对质子、中子分别列式，联立求解。 [规范解答]　设上夸克、下夸克所带的电荷量分别为q1、q2，根据质子带电荷量为＋e和中子不带电，则有2q1＋q2＝＋e，q1＋2q2＝0，解得q1＝＋，q2＝－，故A、B正确。 [答案]　AB 　关于夸克模型的解题思路 (1)明确粒子带电情况及各种夸克的电性、电荷量。 (2)进行夸克组合，使组合成的粒子与原粒子电性、电荷量完全相同。 [变式训练3]　(多选)下列说法中正确的是(　　) A．反粒子与其对应的粒子的质量相同、电荷量相同，而电性相反 B．光子传递电磁相互作用，属于规范玻色子 C．轻子是质量很轻的粒子 D．强子是参与强相互作用的粒子 答案　ABD 解析　反粒子与其对应的粒子具有相同的质量和电荷量，但它们电性相反，故A正确；光子传递电磁相互作用，属于规范玻色子，故B正确；轻子是从相互作用的性质上来划分的，轻子是不参与强相互作用的粒子，不能说轻子是质量很轻的粒子，故C错误；强子是参与强相互作用的粒子，故D正确。 1．(核裂变)(多选)当一个重核裂变时，它所产生的两个核(　　) A．含有的质子数比裂变前重核的质子数少 B．含有的中子数比裂变前重核的中子数少 C．核裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量 D．可能是多种形式的两个核的组合 答案　BD 解析　由于在核裂变反应中吸收一个中子而释放出几个中子，故两个新核的质子数没有发生变化，而中子数减少，A错误，B正确；反应前后质量发生了亏损而释放出能量，并不等于俘获中子时得到的能量，在核裂变反应中，产物并不是唯一的，故C错误，D正确。 2．(核裂变与核反应堆)关于核反应堆，下列说法正确的是(　　) A．只要有中子打入铀块中就会发生链式反应 B．控制棒吸收中子的能力很强，反应激烈时，将控制棒拔出一些 C．普通水能使中子减速 D．要使铀核发生裂变，必须使它们的距离达到10－15 m以内 答案　C 解析　要使铀块发生链式反应，还需要铀块达到临界体积，故A错误；控制棒吸收中子的能力很强，反应激烈时，应将控制棒插入一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，故B错误；反应堆中最常使用的慢化剂主要是石墨、重水和普通水，故C正确；要使铀核发生裂变，可以用慢中子轰击铀块，故D错误。 3．(热核反应)(多选)热核反应是一种理想能源的原因是(　　) A．平均每个核子比重核裂变时释放的能量多 B．对环境的污染较核裂变轻，且较容易处理 C．热核反应的原料在地球上储量丰富 D．热核反应的速度容易控制 答案　ABC 解析　与核裂变相比，核聚变有很多优点。第一，轻核聚变产能效率高，也就是说，相同质量的核燃料，反应中产生的能量比较多。第二，地球上核聚变燃料氘和氚储量丰富。第三，轻核聚变更为安全、清洁。故A、B、C正确。热核反应的速度不易控制，D错误。 4．(粒子“全家福”)关于粒子，下列说法正确的是(　　) A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子 B．强子都是带电的粒子 C．光子属于轻子 D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位 答案　D 解析　质子、中子是由夸克组成的，它们不是不可再分的最基本的粒子，A错误；不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，如中子，故B错误；光子属于规范玻色子，C错误；不同夸克带电不同，分别为＋e和－e，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，D正确。 5．(受控热核反应)我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”。设可控热核实验反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4。光速为c。下列说法中不正确的是(　　) A．这种装置中发生的核反应方程式是 H＋H→He＋n B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4 C．核反应放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2 D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理不相同 答案　B 解析　核反应方程为H＋H→He＋n，A正确。在这个过程中有质量亏损，核反应放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2，所以B错误，C正确。可控热核反应实验装置的原理是轻核聚变，而大亚湾核电站的核装置原理是重核裂变，所以D正确。本题选说法不正确的，故选B。 6．(粒子“全家福”)下列说法中正确的是(　　) A．反质子的质量是负值 B．电子是最早发现的轻子，每种轻子都有对应的反粒子 C．目前我们可以断定夸克已不能再分 D．中间玻色子传递强相互作用 答案　B 解析　反质子的质量是正值，电荷量是负值，A错误；电子是最早发现的轻子，每种轻子都有对应的反粒子，B正确；目前我们虽然没有发现夸克有内部结构，但不能断定夸克已不能再分，C错误；中间玻色子传递弱相互作用，D错误。 7．(综合)(多选)关于衰变或核反应，下列说法正确的是(　　) A.He＋Al→P＋n是原子核的人工转变的方程式 B.H＋H→He＋γ是核聚变 C.F＋H→O＋He是α衰变 D.U＋n→Sr＋Xe＋10n＋γ是核裂变 答案　ABD 解析　F＋H→O＋He是原子核的人工转变，C错误；A、B、D说法正确。 8．(核反应堆)(2022·浙江1月选考)(多选)2021年12月15日秦山核电站迎来了安全发电30周年，核电站累计发电约6.9×1011 kW·h，相当于减排二氧化碳六亿多吨。为了提高能源利用率，核电站还将利用冷却水给周围居民供热。下列说法正确的是(　　) A．秦山核电站利用的是核聚变释放的能量 B．秦山核电站发电使原子核亏损的质量约为27.6 kg C．核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度 D．反应堆中存在U＋n→Ba＋Kr＋3n的核反应 答案　CD 解析　秦山核电站利用的是重核裂变释放的能量，故A错误；如果不考虑核能转化为电能时的能量损耗，根据爱因斯坦质能方程E＝mc2可以推算出，原子核亏损的质量约为m＝＝ kg＝27.6 kg，但核能转化为电能的效率不可能达到100%，所以原子核质量亏损应该超过27.6 kg，故B错误；镉吸收中子的能力强，因此在核电站反应堆中需要用镉棒调节中子的数目，从而控制链式反应的速度，故C正确；反应堆利用铀235吸收一个中子后发生裂变，生成多个核和中子，从而使核裂变反应不断进行下去，由核反应中质量数守恒和电荷数守恒可知，存在U＋n→Ba＋Kr＋3n的核反应，故D正确。 9．(核聚变、质能关系)(2020·浙江7月选考)(多选)太阳辐射的总功率约为4×1026 W，其辐射的能量来自于聚变反应。在聚变反应中，一个质量为1876.1 MeV/c2(c为真空中的光速)的氘核(H)和一个质量为2809.5 MeV/c2的氚核(H)结合为一个质量为3728.4 MeV/c2的氦核(He)，并放出一个X粒子，同时释放大约17.6 MeV的能量。下列说法正确的是(　　) A．X粒子是质子 B．X粒子的质量为939.6 MeV/c2 C．太阳每秒因为辐射损失的质量约为4.4×109 kg D．太阳每秒因为辐射损失的质量约为17.6 MeV/c2 答案　BC 解析　由质量数和电荷数守恒可知，X粒子的质量数为1，电荷数为0，则X粒子为中子，A错误；根据能量守恒定律可知mXc2＝(1876.1＋2809.5－3728.4－17.6) MeV，则X粒子的质量为mX＝939.6 MeV/c2，B正确；太阳每秒辐射的能量为E＝Pt＝4×1026 J，因为辐射损失的质量为Δm＝＝ kg≈4.4×109 kg，C正确；因为1 MeV/c2＝ kg≈1.78×10－30 kg，则太阳每秒因为辐射损失的质量为Δm＝×1 MeV/c2≈2.5×1039 MeV/c2，D错误。 10．(核裂变、质能关系)已知U(质量为235.0439 u)裂变后生成Ba(质量为140.9139 u)和Kr(质量为91.8973 u)，同时放出3个中子(每个中子质量为1.0087 u)，则1 kg铀235全部核裂变所放出的能量相当于多少优质煤完全燃烧时放出的能量？(1 kg优质煤完全燃烧时能产生3.36×107 J的热量，1 u相当于931.5 MeV的能量，元电荷e＝1.6×10－19 C，阿伏伽德罗常量NA＝6.02×1023/mol) 答案　2.45×106 kg 解析　核反应方程为： U＋n→Ba＋Kr＋3n， 质量亏损为：Δm＝(mU＋mn)－(mBa＋mKr＋3mn)＝(235.0439＋1.0087) u－(140.9139＋91.8973＋3×1.0087) u＝0.2153 u， 释放的核能为：ΔE0＝0.2153×931.5 MeV≈201 MeV， 已知235 g铀235有6.02×1023个铀235核，那么1 kg铀235内大约有×6.02×1023≈2.56×1024个铀235核，由此可知1 kg铀235全部核裂变放出的能量为： ΔE＝2.56×1024×201 MeV≈5.15×1026 MeV＝5.15×1032 eV＝8.24×1013 J， 则相当于优质煤的质量为：M＝kg≈2.45×106 kg。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$