第5章 4 核裂变与核聚变&5 “基本” 粒子-【成才之路·学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步新课程学习指导(人教版)

C错误；原子核与电子之间的万有引力小于它们之间的电磁 力，D错误。 探究点2结合能 1.核子能量 2.(1)核子数平均（2)大小 判断正误 (1)×(2)V(3)V 例2：ABC原子核的结合能是使其完全分解成自由核子所需要 的能量，也等于核子结合成原子核时所释放的能量，A正确； 一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变过程中会释放 能量，故衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能， B正确；原子核的结合能大小主要取决于核子数，所以铯原子 核Cs的结合能小于铅原子核Pb的结合能，C正确；比结 合能越大，原子核越稳定，D错误。 跟踪训练1：C比结合能越大，原子核越稳定，2He核比Li核的 比结合能大，也更稳定，故A错误；根据图像知He核的比结 合能约为7MeV,所以结合能为△E=4×7MeV=28MeV,故 B错误；由题图可知，H的比结合能约为1MeV,则H核的结 合能为2MeV,2He核的结合能为28MeV,则两个H核结合 成He核时放出能量，故C正确：由图像可知，U核中核子 的平均结合能比Kr核中的小，故D错误。 探究点3质量亏损 1.(1)mc2 2.(1)小于(2)△mc2(3)△mc2 判断正误 (1)V(2)×(3)× 例3：(1)放出能量8.38MeV(2)8.38MeV2.79MeV 解析：(1)一个质子和两个中子结合成氚核的核反应方程是 H+2。n→H, 反应前核子总质量为 m。+2m.=(1.0078+2×1.0087)u=3.0252u, 反应后新核的质量mu=3.0162u, 质量亏损△m=(3.0252-3.0162)u=0.009u, 因反应前的总质量大于反应后的总质量， 故此核反应放出能量，放出的能量 △E=0.009×931.5MeV≈8.38MeV。 (2)氚核的结合能即为△E≈8.38MeV, 它的比结合能为兰-279V。 跟踪训练2：B根据爱因斯坦质能方程E=(m1+m,-m氘)c2, 可得氘核的质量m=(m+m)-号，y射线的频率)= E 例4：127.68MeV14.56MeV 解析：把0分成8个质子和8个中子需提供的能量 △E,=16×7.98MeV=127.68MeV。 将2个质子和2个中子结合成一个He 所放出的能量△E2=4×7.07MeV=28.28MeV, 2 则将0分成4个，He需提供的能量 △E'=△E,-4△E,=127.68MeV-4×28.28MeV= 14.56MeV。 素养能力提升 5:(Ia+-H+(27景(3)g 121c2 解析：(1)由题意可得，该核反应方程为。n+Li→H+He。 (2)由动量守恒定律得m=-3m1+42, 由题意得：2=7：8，解得，=，=0 7 8 (3)点枝和a拉子的动能之和为么=3×3m,2+子×4nm 0 242nm。 根帮能量守恒定律，释放的核能为4E=R-分m-贺m 403 2mm2=141 1 l21mm。 由爱因斯坦质能方程得，质量亏损为△m=5-141m心 c2 121c20 4.核裂变与核聚变 5.“基本”粒子 探究点1核裂变的发现 要点归纳 1.(1)中子2.中子3。m 3.(2)最小(3)不小于4.放出2800t 判断正误 (1)V(2)V(3)×(4)V 例1：B链式反应能否发生跟轴原料是否达到临界体积有关，故 A错误：裂变产物4Ba的比结合能大于U的比结合能，从而 产生质量亏损，放出能量，故B正确；该核反应过程中质量有 亏损，故C错误；该核反应中放出的核能为(mu-m-mk,- 2m.)c2,故D错误。故选B。 探究点2反应堆与核电站 1.降低吸收 2.(1)核裂变(2)循环流动热量发电 3.水泥层放射性 判断正误 (1)×(2)V(3)V 例2：B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；若要使反应 更激烈一些，则应使控制棒插人浅一些，C、D错误。 例3：(1)4090(2)8.11×10J 解析：(1)锆的电荷数Z=92-60+8=40, 质量数A=235+1-143-3×1=90。 (2)1kg铀235的轴核数n=,000×6.02×102个≈2.56× 235 104个。 不考虑核反应中生成的电子质量，一个轴核反应发生的质量 亏损为△m=mu+m。-ma-mz-3mn=0.212u 因此1kg轴235完全裂变产生的能量约为 E=n·△mc2=2.56×1024×0.212×1.6605×10-”×(3× 108)2J≈8.11×103J。 探究点3核聚变 1.(1)质量较大超高温热核反应(2)1015温度 (3)氢弹热核反应堆3~4 2.(3)磁场环流器激光 判断正误 (1)×(2)V(3)×(4)V(5)V 例4：A原子的比结合能越大越稳定，生成物较稳定，比结合能 变大，故A正确：轻核聚变反应过程需要吸收能量才能使轻核 间的距离接近到发生聚变反应的距离，因此需要高温，故B错 误；核反应方程电荷数和质量数守恒，释放热量，质量亏损，所 以生成物的质量小于反应物的质量，故C错误；与核裂变反应 相比，核聚变的产能效率更高，故D错误。 例5：C因为该反应放出能量，所以生成物的比结合能更大，由 题意可知，H有两个核子，H有三个核子，He共有四个核 子，所以其释放的核能为△E=4E3-2E1-3E2,C正确，A、B D错误。 探究点4“基本”粒子 1.(1)原子(2)光子质子(3)正电子以子K介子 介子 2.强子轻子 3.(4)最小(5)自由 例6：BCD强子内部也有结构，由更基本的夸克组成，所以强子 还可以再分，故A错误，B正确：夸克的电荷量分别为元电荷 的+子或-了，放C正确：每种夸克都存在相对应的反夸克， 故D正确。 素养能力提升 例7：C AB E Fα衰变是一种元素衰变成另一种元素过程 中释放出α粒子的现象，选项C为α衰变：B衰变为衰变过程 中释放出B粒子的现象，选项A、B均为B衰变；核裂变是质 量较大的核变成多个质量较小的核的过程，选项E是常见的 一种核裂变：把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应 称为核聚变反应，选项F是常见的一种核聚变。 章末整合素养提升 知识网络构建 自发氦核电子光子Hon1He_e电荷数 10-15牢固稳定mc236n0n 2 高考真题专练 1.D根据核反应满足质量数和电荷数守恒可知，Y是α粒子 (2He),三种射线的穿透能力，y射线最强，射线最弱；三种 射线的电离能力，α射线最强，Y射线最弱。故选D。 2.B原子核衰变时释放能量，根据质能方程，总质量会减少，新 核总质量小于原核质量，故A错误：半衰期定义为大量放射性 原子核半数发生衰变所需的时间，题干中强调“大量”，符合 定义，故B正确：半衰期由原子核内部结构决定，与温度无关， 故C错误：半衰期不受化学状态影响，因化学变化不改变原子 核性质，故D错误。故选B。 3.D根据C→N+9e,即C发生B衰变的产物是N,A错 误；B衰变辐射出的电子来自于原子核内的中子转化为质子 时放出的电子，B错误；半衰期与原子核本身有关，与外界环 境无关，C错误；若测得一古木样品的4C含量为活体植物的 子，可知经过了2个半衰期，则该古木距今约为5730×2年 =11460年，D正确。故选D。 4.C根据质量数和电荷数守恒可知，衰变方程为Pu→2U +He,即衰变方程中的X=234,故A错误；He是a粒子，穿 透能力比Y射线弱，故B错误；比结合能越大越稳定，由于 Pu衰变成为了U,故U比Pu稳定，即Pu比2U的比 结合能小，故C正确：半衰期由原子核本身决定的，与温度等 外部因素无关，故D错误。故选C。 5.A原子核U衰变成为稳定的原子核2P弘质量数减小了 28,则经过了7次α衰变，中间生成的新核的质量数可能为 231,227,223,219,215,211,则发生B衰变的原子核的质量数 为上述各数，则BCD都不可能，根据核反应的质量数和电荷 数守恒可知，选项A反应正确。故选A。 6.B根据题意可知，钍核每俘获1个中子质量数加1，电荷数 不变，每发生一次B衰变，质量数不变，电荷数加1，钍核变成 轴核，质量数加1，电荷数加2，则俘获1个中子，发生2次B 衰败，即x=1,y=2,故选B。 7.C根据质量数守恒和核电荷数守恒可知X是。n。故选C。 8.C根据质能方程E=mc2可知，则每秒钟平均减少的质量为 60c60×(3x10°5.4kg,则每秒钟平均减少的质 Eo 108 1030 △m 量量级为10kg。故选C。 9.B根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒，可知方程 为Li+H→Be→2He,则Z=4,A=8,铍原子核内的中子数 是4，X表示的是氦核，故C、D错误；核反应质量亏损为△m= m1+m2-2m3=0.02027u,则释放的核能为△E=（m1+m2 2m)c2,故A错误，B正确。故选B。 10.C原子弹是根据重核裂变研制的，而氢弹是根据轻核聚变 研制的，故A、B、D错误，C正确。故选C。 8137 4.核裂变与核聚变 S.“基本”粒子 ●目标重点展示 素养目标 学习重点 (1)知道核裂变、链式反应的概念，了解核反应堆的工作 原理，知道核电站的工作流程。 (1)对核裂变、临界体积、 物理观念 (2)知道核聚变的概念、发生条件及受控热核反应的控 链式反应的理解。 制方案。 (2)对核反应堆工作原理 (3)了解新粒子的发现历程和粒子的分类。 的理解。 (3)核聚变的原理。 通过练习，掌握核裂变和核聚变中核能的计算方法，并能 科学思维 求解相关的实际问题。 探究点1核裂变的发现 ●新知导学 [提示] 情境：1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成 铀核的裂变。 功，其爆炸威力相当于1.8万吨T炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔 化，在半径400m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1600m 范围内所有动植物全部死亡。 [拓展] 核裂变的过程是怎 探究：巨大的核能是从哪里来的？ [提示] 样的？ ●要点归纳 提示：当中子进入轴 235的核中后，便形 1.核裂变 成了处于激发状态的 (1)定义：重核被 轰击后分裂成两个或多个质量差不多的新核， 复核，复核中由于核 子的激烈运动，使核 并放出核能的过程。 变成不规则的形状， (2)重核裂变需要在人工控制的核反应中进行，自然界不会自发产生，这 核子间的距离增大， 也是裂变与衰变的区别之一。 因而核力迅速减弱， 使得核由于质子间的 (3)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的 斥力作用而不能恢复 原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。 原状，这样就分裂成 2.铀核裂变 几块，同时放出23 个中子。 用 轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种 注意：核裂变过程不 典型的反应是U+n→'6Ba+K+一。 [拓展] 是中子把重核撞碎。 132 3.链式反应 (1)定义：由重核裂变产生的中子使核裂变反应 能费 一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反 ·寒影富赣 应，如图所示。 (2)临界体积和临界质量：能发生链式反应的 体积叫临界体积，相应的质量叫临界质量。 (3)发生链式反应的条件 ①要有足够浓度的铀235。 ②要有足够数量的慢中子。 ③轴块的体积要 临界体积。 [思考] (4)链式反应的应用 链式反应开始后为何 能自发进行？ ①原子弹：不可控链式反应，爆炸猛烈，给人类带来危害。 提示：链式反应开始 ②核电站：可控链式反应，释放出电能，为人类带来清洁能源。[思考]后能自发进行是因为 反应后的中子被其他 4.核裂变的能量：重核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以 原子核捕获而持续 能量。 进行。 如果一个铀235核裂变时释放的能量按200MeV估算，1kg铀235全部 裂变时放出的能量就相当于 标准煤完全燃烧时释放的化学能。 [判断正误] (1)只有铀块的体积大于或等于临界体积时，才能够发生链式反应。( (2)核裂变反应一定存在质量亏损。 ( (3)原子核发生放射性衰变的过程也是核裂变的过程。 ( (4)核裂变必须用中子轰击重核才能使之实现。 () 例1：中国物理学家钱三强、何泽慧等，在利用中子打击轴的实验中，观察到三 分裂变和四分裂变现象。如图所示，一种典型的铀核裂变反应式是U +n→'6Ba+6Kr+3n。用mu、mp、mk分别表示2U、Ba、8Kr核的质 量，m,表示中子的质量，c为真空中的光速，下列说法正确的是() 铀235原子核 中子 A.链式反应能否发生跟铀原料的体积无关 B.裂变产物6Ba的比结合能大于2U的比结合能 C.该核反应过程中质量有所增加 D.该核反应中放出的核能为(mu-m-mk.-3m.)c2 133 探究点2反应堆与核电站 1.核反应堆 利用核能发电，它的核心设施是核反应堆。当前普遍用的“热中子（慢中 子)”核反应堆主要由以下几部分组成，如图所示。 镉棒 石墨 铀棒 水泥防护层 核燃料 慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层 浓缩铀 石墨、重水或 很厚的 采用的 水或液态 普通水（也叫 (298U) 镉棒 水泥外 材料 钠 轻水) 壳 在反应堆中插入 中子 镉棒，利用镉 屏蔽射 把反应堆 释放 速度，便于中 中子的 作用 线，防止 内的热量 [理解] 核能。 子被铀235俘 特性，就可以容 放射性 传输出去。 慢化剂的原理 获。 易地控制链式反 污染。 核裂变产生的是速度 应的速度。 很大的快中子，但是 中子的速度如果太 [理解] 快，铀核将不能 2.工作原理 “捉”住它，即不能 (1)核燃料发生 释放能量，使反应区温度升高。 发生核裂变.因此要 在轴棒周围要放“慢 (2)能量输出：水或液态的金属钠等流体在反应堆内外 ,把反应 化剂”，快中子跟慢 堆内的 传输出去，用于 ,同时也使反应堆冷却。 化剂中的原子核並撞 3.核污染的处理 后，中子能量减少， 在反应堆的外面需要修建很厚的 ,用来屏蔽裂变产物放出的各 变为慢中子。 种射线。核废料具有很强的 需要装入特制的容器，深埋地下。 4.核电站发电的优点 (1)消耗的核燃料少。 (2)作为核燃料的铀、钍等地球上可采储量大，所能提供的能量大。 (3)对环境的污染比火力发电小。 [判断正误] (1)在核反应中，中子的速度越大越容易击中铀核。 (2)核电站中用镉棒吸收中子控制链式反应的速度。 (3)核电站中用石墨或重水减慢中子的速度，使链式反应发生。 134 类型一：反应堆的工作原理 例2：如图是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的 镉棒 水泥防护层 说法正确的是 A.铀235容易吸收快中子而发生裂变反应 B.快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成 慢化剂 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 [规律方法]应用阿 吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些 伏加德罗常数计算 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 核能 撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些 若要计算具有宏观质 类型二：核电站中的核反应与核能的计算 量的物质中所有原子 核都发生核反应所放 例3：现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是说U+n→8Nd+Zr+3n 出的总能量，应用阿 +8-e+vo 伏加德罗常数计算核 (1)核反应方程中的v是中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物 能较为简便，其解题 锆(Zr)的电荷数与质量数； 的基本思路是： (1)根据物质的质量 (2)已知铀(U)核质量为235.0439u,中子质量为1.0087u,钕(Nd)核 m和摩尔质量M,由 质量为142.9098u,锆核质量为89.9047u;又知1u=1.6605× 102”kg,试计算1kg铀235大约能产生的能量是多少？（阿伏加德 n=册求出厚尔数， 罗常数取6.02×1023mol-1) >[规律方法] 并求出原子核的个数 N=Nn=N行 (2)由题设条件求出 一个原子核与另一个 原子核反应放出或吸 收的能量E。(或直接 从题目中找出E)。 (3)再根据E=NEo, 求出总能量。 135 [思考] 探究点3核聚变 为什么轻核的聚变反 应能够比重核的裂变 1.核聚变 反应释放更多的 (1)定义 核能？ 提示：因为很轻的原 两个轻核结合成 的核的核反应。轻核聚变反应必须在 子核比较重的原子核 的核子平均质量更 下进行，因此核聚变又叫 大，聚变成质量较大 (2)条件：使轻核间的距离达到 m以内，核力才能起作用。 的原子核能产生更多 的质量亏损，所以平 方法：需要加热到很高的 ,因此核聚变又叫热核反应。 均每个核子释放的能 (3)核反应举例 量就更大。 [思考] ①目前，热核反应主要应用在核武器上，如 受控核聚变中磁约束 的原理是什么？ ②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 提示：原子核带有正 ③典型的核聚变：一个氘核和一个氚核的聚变，H+HHe+n+ 电，垂直磁场方向射 入磁场后在洛伦兹力 17.6MeV。 作用下做匀速圆周运 该反应平均每个核子放出的能量比核裂变反应平均每个核子放出的能 动，绕着一个中心不 断旋转而不飞散，达 量大 倍。 。[思考] 到约束原子核的 作用。 2.受控热核反应 粒子轨迹 (1)核聚变的优点：第一，轻核聚变产能效率高。第二，地球上核聚变燃 线圈 线圈 料氘和氚储量丰富。第三，轻核聚变更为安全、清洁。 (2)核聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。 (3)控制方法 ①磁约束：利用 来约束参加反应的物质，目前性能最好的一种 磁约束装置是 [思考] 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 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。 [判断正误] (1)核聚变时吸收能量 (2)核聚变平均每个核子放出的能量，比核裂变反应中平均每个核子放出的 能量大。 ( (3)热核反应主要用在核武器上，那就是原子弹。 ( (4)核聚变必须在超高温条件下才能进行。 (5)核聚变时一定有质量亏损。 ( 136 类型一：对核聚变的理解 [规律方法]轻核聚 变的理解要点 例4：(2025·武汉高二检测)2025年3月，“中国环流三号”首次实现原子核 (1）核聚变反应和一 和电子温度均突破一亿度等离体运行。标志着我国在可控核聚变领域 般的核反应一样，也 达到了国际领先水平。下列关于核聚变的说法正确的是 遵循电荷数守恒和质 量数守恒，这是书写 A.轻核聚变过程，原子核的比结合能变大 核反应方程式的重要 B.轻核聚变在常温常压下即可自发地进行 依据。 C.轻核聚变过程，生成物的质量大于反应物的质量 (2)核聚变反应一般 只能在轻核之间发 D.与核裂变反应相比，核聚变的产能效率更低 生，如氢的同位素氘 ●[规律方法] 和氚，它们原子核间 的静电斥力最小，容 例5：现在地球上消耗的能量，追根溯源，绝大部分来自太阳，即太阳内部 易发生聚变反应生成 核聚变时释放的核能。已知氘氚核聚变方程为H+H一2He+0n, 新的质量更重的原 其中H的比结合能为E,H的比结合能为E2,He的比结合能为E, 子核。 把和则一个氘核与一个氚核发生这样的核反应释放的能量为 ( (3)由于轻核聚变需 分解成A.E3-E-E2 B.E1+E2-E3→把H分解成三个核子吸收的能量为3E 要非常高的温度，因 两个核C.4E3-2E-3E D.2E1+3E2-4E3 四个核子结合成He放出的能量为4E, 此重核的裂变仍然是 子吸收 核反应放出的能量等于四个核子结合成H放出的能量减去出分解成两个核子 当前核能的主要利用 的能量 吸收的能量和H分解成三个核子吸牧能量 方式。 为2E (4)轻核聚变是放能 反应，聚变后新核的 探究点4“基本”粒子 比结合能增加，相同 质量的轻核聚变比重 核裂变会放出更多的 1.发现新粒子 能量。 (1)直到19世纪末，人们都认为 是组成物质的不可再分的最小 微粒。 (2)后来认为 电子 和中子是组成物质的不可再分的 最基本的粒子，把它们叫作“基本粒子”。从20世纪后半期起，将“基本”二字 去掉，统称为粒子。 (3)1932年发现了 ,1937年发现了 1947年发现了 和 以及之后的超子等。 2.粒子的分类 目前发现的粒子大体可被分为 规范玻色子和希格 斯玻色子几种类别。 3.夸克模型 （1)夸克的提出：1964年美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为 强子是由夸克构成的。 ●137 (2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)、顶夸克(t)。 (3)夸克所带的电荷量：夸克带的电荷分别为元电荷的-日或+子。 (4)夸克的意义：电子电荷不再是电荷的 单元。 (5)夸克的“禁闭”：夸克不能以 的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”。 例6：（多选）下列说法正确的是 A.强子、轻子和媒介子是不可再分的最小粒子 B.强子内部也有结构，由更基本的夸克组成 C.夸克所带的电荷量为元电荷的+子或-号 D.每种夸克都存在相对应的反夸克 素养能力提升拓展整合·启智培优 核反应类型的判断 例7：在下列描述核过程的方程中，属于α衰变的是 ,属于B衰变的 [规律方法]核反应 是 ,属于核裂变的是 ,属于核聚变的是 方程的判断方法 (填正确答案标号) (1)衰变方程的左边 A.4C→4N+9e 只有一个原子核，右 B.isP-iS+-e 边出现α或B粒子， C.238U→236Th+He 分别为Q心衰变或B 衰变。 D.gN+2He→80+1H (2)人工转变核反应 E.22U+onXe+Sr+2on 方程的左边一般是高 F.H+H→He+n 能粒子氦原子核与常 [规律方法] 见原子核的反应，右 边也是常见元素的原 子核。 (3)聚变方程的左边 是两个轻核反应，右 边是质量较大的原 子核。 (4)裂变方程的左边 是重核与中子反应， 右边是中等质量的原 子核。 夯基提能作业 请同学们认真完成练案[26]