第5章 4 5 核裂变与核聚变&“基本”粒子（Word教参）-【精讲精练】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

4　核裂变与核聚变

5　“基本”粒子

[学业要求]

1．知道重核的裂变反应。

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．了解聚变反应的特点及其条件。

5．了解可控热核反应及其研究和发展，会判断和填写核聚变方程，并能计算核聚变释放的能量。

6．知道轻核的聚变能够释放出很多的能量。

7．知道粒子的分类及其作用，了解夸克模型。

一、核裂变

1．核裂变：重核被中子轰击后分裂成两块质量差不多的新原子核的核反应。

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U＋n―→Ba＋Kr＋3n。

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：通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。

5．核裂变的能量：1 kg铀235全部发生核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。

二、反应堆与核电站

1．核电站：是利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，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、重水和普通水作慢化剂；

(3)控制棒：为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些。这种镉棒叫作控制棒。

2．工作原理：核燃料裂变释放能量，使反应区温度升高。

3．能量输出：核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高，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。

4．核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造

成的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽核裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。

三、核聚变

1．定义：两个轻核结合成质量较大的核的核反应。

2．典型的核聚变：H＋H―→He＋n＋17.6 MeV。

3．条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15 m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达几百万开尔文，因此聚变又叫热核反应。

4．应用：目前，人工产生的热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹。需要用原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。

5．太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.6×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部核聚变释放的核能。

6．聚变的优点：第一，轻核聚变产能效率高；第二，地球上核聚变氘燃料的储量丰富；第三，轻核聚变更为安全、清洁。

7．聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。

8．控制方法设想

(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)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，用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。

四、粒子和宇宙

1．“基本粒子”不基本

(1)直到19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是基本粒子。

(2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子组成的，并发现质子、中子等本身也有复杂结构。

2．发现新粒子

(1)新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现μ子，1947年发现K介子和π介子及以后的超子、反粒子等。

(2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子。

1．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．铀核的裂变是一种天然放射现象

B．铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能不停地进行下去

C．中子的速度越快，越容易发生铀核裂变

D．实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受热核反应所需的温度

答案　BD

2．氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为H＋H―→He＋X，式中X是某种粒子。已知H、H、He和粒子X的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u，1 u＝，c是真空中的光速，由上述反应方程和数据可知，粒子X是n(或中子)，该反应释放出的能量为17.6MeV(结果保留3位有效数字)。

探究点一　对重核裂变和链式反应的分析

[交流讨论]

看教材图5.4­1并思考：

(1)裂变过程中重核分裂成质量较小还是较大的核，释放出核能？这个过程原子核的比结合能变大还是变小？

(2)是不是所有的核裂变都能放出核能？

答案：(1)质量较小的核，变大。

(2)不是所有的核反应都能放出核能，有的核反应，反应后生成物的质量比反应前的质量大，这样的核反应不放出能量，反而在反应过程中要吸收大量的能量。

[归纳总结]

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)由慢中子轰击；

(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。