第五章 4 核裂变与核聚变 5“基本”粒子-【新课程能力培养】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册学习手册（人教版）

质量和能量在数值上的联系绝不表示这两 个量可以互相转化。 例2（多选）1905年，爱因斯坦发表狭义 相对论时提出了质能方程E=mc2,质能方程 的正确性已被大量的实验所证实，并为现代 核能的研究和应用提供理论指导，具有深刻 意义并发挥出巨大的作用。下列关于质能方 程的说法正确的是() A.根据△E=△mc2可以计算核反应中释放的 能量 B.根据质能方程可知，在核反应中仍然遵 守质量守恒定律和能量守恒定律 C.E=mc2中的E是核反应中释放的核能 D.E=mc2中的E为质量为m的物体所对应 的能量 B变式训练2 用粒子加速器加速后的质子轰击静止的 锂原子核，生成两个动能均为8.919MeV的 4.核裂变 5.“基本 知识梳理 川知识点1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 ， 并放出 的过程。 2.铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核裂变 的产物是多样的，一种典型的核反应是 2U+n→'%Ba+2Kr+ bn。 3.链式反应：由重核裂变产生的中子使核裂 第五章原子核。 粒子(He),其核反应方程式为H+Li→ He+He,已知质子质量为1.007825u,锂 原子核的质量为7.016004u,α粒子的质量 为4.00260u,1u相当于931MeV的能量。 若核反应释放的能量全部转化为α粒子的动 能，则入射质子的动能约为() A.0.5 MeV B.8.4 MeV C.8.9 MeV D.17.34MeV 情境拓展 2025年1月1日0时17分，漳州核电 1号机组正式投入商业运行，核电站核反应 堆中的“燃料”是U。已知质子质量m,= 1.007u,中子质量mm=1.0019u,铀核(2U) 质量m.=235.044u,1u相当于931.5MeV 的能量。则U的比结合能约为( A.0.75 MeV B.7.5 MeV C.75 MeV D.750 MeV 与核聚变 ”粒子 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 反应的 体积叫作它的 临界体积，相应的质量叫作临界质量。 川知识点2反应堆与核电站 利用核能发电，它的核心设施是 其主要由以下几部分组成： (1)燃料： (2)慢化剂：轴235容易捕获慢中子发生反 高中物理选择性必修第三册（人教版） 应，采用 或 (也叫轻水)作慢化剂。 (3)控制棒：利用镉吸收 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： 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 核废料需装入特制的容器， 地下。 川知识点3核聚变 1.定义：两个轻核结合成质量 的核 的核反应。轻核聚变反应必须在 下进行，因此又叫热核反应。 2.核反应举例：H+H→ ton+17.6 MeV. 3.实例分析 (1)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： 。首先由化学炸药引 爆 再由 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 (2)地球上核聚变燃料的储量 (3)轻核聚变更为 5.实现可控核聚变的方案： 和 川知识点4“基本”粒子 1.“基本粒子”不基本 98)学 (1)传统的“基本粒子”：光子、 质子和 (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 的新粒子。 ②科学家们又发现质子、中子等本身也有自 己的 2.发现新粒子 1932年发现了 1937年发 现 1947年发现K介子和T介子， 后来又发现超子、反粒子等。 3.粒子的分类 (1)强子：参与 作用的粒子。 和 都是强子。 (2)轻子：不参与强相互作用，有 电子中微子、山子、 、T子、T 子中微子。 (3)规范玻色子： 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 相 互作用，中间玻色子传递 相互 作用，胶子传递 相互作用。 (4)希格斯玻色子：是希格斯场的 要点突破 川要点1重核裂变与轻核聚变的比较 重核裂变 轻核聚变 放能 把重核分裂成两个或多两个轻核结合成 原理 个中等质量的核，并释 质量较大的核， 放出核能 并释放出核能 放能 聚变反应平均每个核子释放出的核能比 多少 裂变反应要大得多 续表 重核裂变 轻核聚变 核废料 的处理 比较困难 比较容易 难度 原料的 主要原料氘储量 蕴藏量 储量较少，特别是5U 非常丰富 比较容易进行人工控目前除氢弹以 可控性制，现在的核电站都是 外，还不能进行 用重核裂变释放核能 人工控制 例12020年12月4日，我国新一代“人 造太阳”一环流器二号M装置，正式建 成并投人使用。该装置是利用核反应实现 的，其核反应方程为H+H→He+n,这一 科研成果是我国核物理学家艰苦奋斗的结 果。关于“人造太阳”下列说法不正确的是 A.该反应是轻核聚变反应，比重核裂变更 安全和清洁 B.该反应是热核反应，需要在几百万摄氏 度条件下才能进行 C.裂变反应相比聚变反应中平均每个核子 释放的能量要多 D.目前我国核反应堆产生的能量主要来自 重核裂变 B变式训练① 如图为普通核反 镉棒 应堆的结构示意图， 通过铀235链式反应 铀棒 实现核能的可控释放。 水泥防护层 下列关于核反应堆工 变式训练1题图 作中的说法正确的是( A.正常运行的反应堆，水泥防护层外能检 第五章原子核。 测到大量α粒子 B.中子速度越快越容易发生链式反应 C.通过改变镉棒的插入深度来控制反应速度 D.铀核裂变时释放能量的多少与生成物种 类无关 川要点2强子、轻子、媒介子的比较 分类 参与的 发现的粒子 备注 相互作用 质子是最早发现 强相互 介子、中子 强子 作用 的强子，强子有 质子、超子 内部结构 电子、电子 不参与强 中微子、山 轻子 相互作用 子、山子中 没有发现内部结 微子、？子、 构 ?子中微子 光子传递电磁作用； 媒介各种相互 光子、中间中间玻色子传递 公 作用 玻色子、胶弱相互作用； 子 胶子传递强相互 作用 例2为了探究宇宙起源，科学家将利用阿 尔法磁谱仪(AMS)在太空中寻找“反物 质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成 的。“反粒子”与其对应的正粒子具有相同 的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相 反。由此可知反氢原子是() A.由1个带正电荷的质子和1个带负荷的 电子构成 B.由1个带负电荷的反质子和1个带正电 荷的正电子构成 C.由1个带负电荷的反质子和1个带负电 荷的电子构成 D.由1个不带电荷的中子和1个带正电荷 学 (99 N 高中物理选择性必修第三册（人教版） 的正电子构成 B变式训练2 (多选)质子和中子属于强子，强子是 由更基本的粒子一夸克组成。根据夸克 模型，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-号或+子，电待量 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+ 3 B.下夸克的电荷量为-e 3 C.上夸克的电荷量为-2e 3 D.下夸克的电荷量为+e 3 (100)学 N 情境拓展 2023年4月12日，中国有“人造太 阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装 置(EAST)创造了新的纪录，成功实现稳 态高约束模式等离子体运行403秒。其运 行原理就是在装置的真空室内加入少量氢 的同位素氘或氚，通过某种方法产生等离 子体，等离子体满足一定条件就会发生聚 变反应，反应过程中会产生巨大的能量。 关于氢的同位素氘或氚的核聚变，其核反 应方程为H+H→He+X+17.6MeV,光速 c=3.0x108m/s,则下列说法正确的是() A.H的比结合能大于He的比结合能 B.粒子X具有较强的电离能力 C.一个氘核和一个氚核发生核聚变，亏损 的质量约为3.1×109kg D.提升等离子体的密度，在常温常压下也 能发生聚变反应。"2.放射性元素的衰变 知识梳理 知识点1原子核的衰变 1.a粒子B粒子2.守恒 3.(1)减少4减少2Th+He(2)两个中子 两个质子 4.(1)不变增加1Pa+.e(2)中子质子 知识点2半衰期 1.半数 2.(1)不同(2)大量原子核(3)核内部自身 化学状态外部条件 知识点3核反应 1.新原子核状态2.原子核3.守恒 知识点4放射性同位素及其应用 1.放射性2.治疗示踪 知识点5辐射与安全 过量放射性物质 要点突破 例1C【解析】根据题意，可以书写出下列核反 应方程：dn+Al→Na+He;Na→Mg+-9e,即X粒 子为α粒子，衰变过程为B衰变，故C正确。 变式训练1AB 例2AC【解析】静止的原子核发生了衰变，由于 无外力作用，动量守恒，说明原子核发生衰变后，新核 与放出的粒子速度方向相反，若是它们带相同性质的电 荷，则它们所受的洛伦兹力方向相反，则轨迹应是外切 圆，若它们所带电荷的性质不同，则它们的轨迹应是内 切圆。图示的轨迹说明是放出了正电荷，所以可能是α 衰变或放出了一个正电子，故A、C正确。 变式训练2D 例3A【解析】原子核B衰变过程中放出电子， 根据质量数守恒和电荷数守恒可知，碘131的衰变方 程为I→Xe+e,故A正确；Xe核比I核少一 个中子，故B错误；32g碘131样品，经16天，即 经过2个半衰期，由半衰期公式可知m余=8g,即大 约有8g样品未发生衰变，衰变的质量为24g,故C 错误：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素 决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关 系，因此升高温度不会影响原子核的半衰期，故D错 误。故选A。 变式训练3B 情境拓展 D【解析】根据质量数守恒和电荷数守恒可知S 衰变为器Y时产生电子，即B粒子，故A错误；根据质 参考答案与解析⊙ 量数守恒和电荷数守恒可知2Pu衰变为U时产生He, 即α粒子，故B错误；根据题意可知Pu的半衰期大 于Sr的半衰期，现用相同数目的Sr和Pu各做一块 核电池，经过相同的时间，S经过的半衰期的次数多， 所以Sr数目小于Pu的数目，故D正确，C错误。故 选D “3.核力与结合能 知识梳理 知识点1核力与四种基本相互作用 1.万有引力引力2.电荷磁体电磁力 3.核力稳定急剧减小原子核短程力 4.放射B衰变短程短 知识点2结合能 1.能量释放2.核子数牢固稳定 知识点3质量亏损 1.E=mc22.小于3.中等大小最大 要点突破 例1C【解析】结合能是核子结合成原子核释放 的能量，A错误：比结合能越大，原子核越稳定，B错 误；随着质量数的增大，比结合能先增大后减小，C正 确；D错误。 变式训练1B 例2ABD【解析】根据△E=△mc2可以计算核反应 中释放的能量，A正确；在核反应中仍然遵守质量守 恒定律和能量守恒定律，B正确；质能方程E=mc2中的 E表示质量为m的物体所对应的能量，C错误，D 正确。 变式训练2A 情境拓展 B【解析】比结合能是原子核总结合能除以核子数。 轴的质子数为92，中子数为235-92=143，质子总质 量=92×1.007u=92.644u,中子总质量=143×1.009u= 144.287u,核子总质量=92.644u+144.287u=236.931u, 质量亏损△m=236.931u-235.044u=1.887u,比结合能 △E=△mx93l5MeY=1.887x931.5MeV≈7.5MeV,故 235 235 选B, I 4.核裂变与核聚变5.“基本”粒子 知识梳理 知识点1核裂变的发现 1.较轻原子核核能2.34.链式最小 知识点2反应堆与核电站 核反应堆(1)铀棒(2)石墨重水普通水 41 N 高中物理选择性必修第三册（人教版） (3)中子(4)水或液态的金属钠(5)水泥层 深埋 知识点3核聚变 1.较大高温2.He 3.(2)氢弹原子弹原子弹 4.(1)效率高(2)丰富(3)安全、清洁 5.磁约束惯性约束 知识点4“基本”粒子 1.(1)电子中子(2)①不同种类②复杂的 结构 2.正电子u子 3.(1)强相互质子中子(2)电子μ子中 微子(3)传递电磁弱强(4)量子激发 要点突破 例1C【解析】核反应方程H+H→He+dn由两个 轻核聚变为质量较大的重核及放出中子，所以该反应是 轻核聚变反应，轻核聚变没有核污染，重核裂变的原料 具有放射性，所以该反应是轻核聚变反应，比重核裂变 更安全和清洁，故A正确：轻核聚变反应是热核反应， (42 需要几百万摄氏度条件下才能进行，故B正确：聚变反 应平均每个核子释放的能量比裂变反应中平均每个核子 释放的能量大3~4倍，所以聚变反应相比裂变反应中平 均每个核子释放的能量要多，故C错误；目前我国核反 应堆产生的能量主要来自重核裂变，故D正确。 变式训练1c 例2B【解析】反氢原子由1个带负电荷的反质 子和1个带正电荷的正电子构成，B正确。 变式训练2AB 情境拓展 C【解析】H和H聚变为He会放出能量，可知生 成核比反应核更加稳定，即H的比结合能小于He的比 结合能，故A错误；根据电荷数和质量数守恒可知，此 反应中X的电荷数为0，质量数为1，即粒子是中子， 中子的穿透能力强，电离能力弱，B错误；根据质能方 程有△E=△m·c2,则一个氘核和一个氚核发生核聚变， 亏损的质量为△m=17.6x10X1.6x10”kg≈3.1x10kg, (3x103)2 C正确：目前轻核聚变只能在高温高压的环境下进行， D错误。