4.核裂变与核聚变 5.“基本”粒子-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

本讲义聚焦核裂变与核聚变、“基本”粒子核心知识点，系统梳理核裂变的发现与链式反应条件、反应堆与核电站工作原理、核聚变的条件与应用，以及“基本”粒子的分类及夸克模型，构建从宏观核反应到微观粒子结构的递进式学习支架。 以中国原子弹、氢弹爆炸及核电成就为情境导入，通过师生互动任务引导科学探究，结合例题与针对练强化科学推理，培养科学态度与社会责任。课中辅助教师引导学生建构物理模型，课后助力学生巩固知识、查漏补缺。

4.核裂变与核聚变　 5.“基本”粒子 【素养目标】　1.知道什么是核裂变、核聚变和链式反应，知道链式反应和核聚变的条件。2.会书写核裂变和核聚变的核反应方程，会利用质量亏损计算核裂变和核聚变产生的核能。3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度。4.了解粒子的发现史，知道粒子的分类及特点，了解夸克模型。 知识点一　核裂变的发现 【情境导入】　1964年10月16日，中国第一颗原子弹在新疆罗布泊的荒漠上试爆成功。原子弹的成功爆炸，是一大批科学家艰苦奋斗的结果。原子弹爆炸属于哪种核反应？ 提示：核裂变。 【教材梳理】 (阅读教材P119—P121完成下列填空) 1.核裂变的发现：1938年年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现了铀核的裂变。 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，其中一种典型的反应是U＋nBaKr＋n。 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。 【师生互动】　1938年年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现了铀核的裂变现象，如图为铀核的一种裂变示意图。 学生用书⬇第131页 任务1.重核裂变是一种天然现象吗？ 任务2.只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？ 提示：任务1.重核裂变不能自发地进行，不是天然现象。 任务2.不是，有中子轰击铀块且铀块的体积大于等于临界体积，才会发生链式反应。 【探究归纳】 1.铀核裂变的理解 (1)铀核受激发：当中子进入铀235后，使核处于激发状态，由于核子的剧烈运动，使核变成不规则的形状。 (2)铀核分裂：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2～3个中子。 (3)核能的释放：裂变中产生的新核的比结合能变大，因而释放核能。 (4)常见的裂变方程 UnXeSr＋n； UnBaKr＋n。 2.链式反应的条件 (1)有中子轰击。 (2)核裂变物质的体积大于等于临界体积(或核裂变物质的质量大于等于临界质量)。 3.铀核裂变释放核能的计算方法 (1)首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm。 (2)根据质能方程ΔE＝Δmc2计算释放的核能。 (3)若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核(设为n)，则铀块裂变释放的核能E＝nΔE。 核裂变的理解 (多选)以下关于核裂变的说法中正确的是(　　) A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B.中子从铀块中通过时，一定发生链式反应 C.重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，但是核子数仍然守恒 D.由于重核的核子的平均质量大于中等质量核的核子的平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能 答案：CD 解析：核裂变释放的能量来源于裂变过程中的质量亏损，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A错误；重核裂变为中等质量的原子核时，由于核子的平均质量减小，发生质量亏损，放出核能，D正确；发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于等于其临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，就不会发生链式反应，B错误；重核裂变时有质量亏损，所以放出大量能量，且核子数守恒，C正确。 核裂变释放核能的计算 裂变反应是目前核能利用中常用的反应。U俘获一个慢中子后发生的裂变反应产物有多种，其中一种裂变产物为Xe和Sr，其中UnXeSr的质量分别为235.043 9 u、1.008 7 u、138.917 8 u、93.915 4 u。已知1 u的质量对应的能量为931.5 MeV，则在此裂变反应过程中 (1)写出核裂变的方程； (2)释放出的能量是多少？(结果保留3位有效数字) 答案：(1)见解析　(2)180 MeV 解析：(1UnXeSr＋n。 (2)裂变前后质量亏损Δm＝m前－m后＝(235.043 9＋1.008 7－138.917 8－93.915 4－3×1.008 7) u＝0.193 3 u 释放出的能量为ΔE＝0.193 3×931.5 MeV≈180 MeV。 学生用书⬇第132页 针对练1.(2025·浙江温州高二期末)核电站发电利用了铀核裂变的链式反应。核反应堆中的“燃料”是U，产物多样，一种典型的铀核裂变是生成锶Sr)和氙Xe)。下列说法正确的是(　　) A.U的比结合能比Sr小 B.任意体积的铀核均能发生链式反应 C.若参加反应的铀核质量为m，则反应释放的能量为mc2 DU的半衰期为7亿年，10克U原子核经14亿年全部发生衰变 答案：A 解析：铀核裂变生成锶和氙，该反应释放能量，存在质量亏损，生成物锶比铀核更稳定，比结合能更大，故U的比结合能比Sr小，故A正确；铀块的体积必须达到临界体积才能发生链式反应，故B错误；根据爱因斯坦质能方程，若参加反应铀核的质量为m，则反应释放的能量小于mc2，故C错误；10克U原子核经14亿年，也就是2个半衰期，故还有2.5 g的铀核未发生衰变，故D错误。 针对练2.如图所示，一种典型的铀核裂变反应是UnBaKr＋n。用mU、mBa、mKr分别表示UBaKr核的质量，mn表示中子的质量，c为真空中的光速，下列说法正确的是(　　) A.链式反应能否发生跟铀原料的体积无关 B.裂变产物Ba的比结合能大于U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－mBa－mKr－3mn)c2 答案：B 解析：链式反应能否发生的条件之一为核裂变物质的体积大于等于临界体积，故A错误；裂变产物Ba的比结合能大于U的比结合能，该核反应放出能量，存在质量亏损，故B正确，C错误；该核反应中放出的核能为(mU－mBa－mKr－2mn)c2，故D错误。 故选B。 知识点二　反应堆与核电站 【情境导入】　原子弹的爆炸和核电站发电都应用了铀核裂变的链式反应，二者有什么不同？ 提示：原子弹爆炸时的链式反应是剧烈发生的，核电站发电时的链式反应是可控制条件下缓慢发生的。 【教材梳理】 (阅读教材P121—P123完成下列填空) 1.核电站利用核能发电，它的核心设施是反应堆。反应堆主要由以下几部分组成： (1)燃料：铀棒。 (2)慢化剂：石墨、重水和普通水(也叫轻水)。 (3)控制棒：由吸收中子能力很强的镉制成，用以控制链式反应的速度。 2.核电站的工作原理 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，同时也使反应堆冷却。 3.核污染的处理 在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线。核反应堆中的核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。 【师生互动】　如图是“慢中子”核反应堆的示意图。 学生用书⬇第133页 任务1.铀235容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？ 任务2.如何控制裂变反应的激烈程度？ 提示：任务1.慢中子。 任务2.控制棒由镉做成，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，链式反应的速度就会慢一些；反之，应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快一些。 【探究归纳】 1.核电站的主要部件及作用 组成部分 材料 作用 裂变材料 (核燃料) 铀棒 提供核燃料 慢化剂 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速 控制棒 镉棒 吸收中子，控制反应速度 热交换器 水或液态的金属钠等流体 传输热量；驱动汽轮机转动 防护层 厚水泥层 防止射线和放射性物质泄漏，对人体造成伤害，对环境造成污染。 2.核电站发电的优点 (1)消耗的核燃料少。 (2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大。 (3)对环境的污染要比火力发电小。 2023年12月6日，华能石岛湾高温气冷堆核电站正式投入商业运行。这是我国具有完全自主知识产权的国家重大科技专项标志性成果，也是全球首座第四代核电站，标志着我国在第四代核电技术领域达到世界领先水平。如图是核反应堆的示意图，对于核反应堆的认识，下列说法正确的是(　　) A.铀棒是核燃料，核心物质是铀238 B.石墨起到吸收中子的作用 C.镉棒起到使快中子减速的作用 D.水泥防护层的作用是阻隔各种射线，避免放射性危害 答案：D 解析：核反应堆采用的核燃料为铀235，故A错误；石墨的作用是使快中子减速，故B错误；镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，故C错误；水泥防护层的作用是阻隔各种射线，避免放射性危害，故D正确。 针对练1.(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是(　　) A.铀棒是核燃料，裂变时释放核能 B.镉棒的作用是控制反应堆的功率 C.石墨的作用是吸收中子 D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能 答案：ABD 解析：铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆的功率，故B正确；慢中子容易引发核裂变，所以快中子要进行减速，石墨的作用是使快中子减速，故C错误；冷却剂(水或液态金属钠等流体)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，同时也使反应堆冷却，控制温度，故D正确。 针对练2.(多选)某核电站单台机组每年发电量约为1×1010 kW·h，相当于减排二氧化碳816万吨。已知光速c＝3×108 m/s，下列说法正确的是(　　) A.该机组利用重核裂变释放的能量发电 B.该机组每年发电使原子核亏损的质量约为0.3 kg C.反应堆中可能存在UnBaKr＋n的核反应 D.反应堆需要用镉棒吸收中子控制链式反应的速度 答案：ACD 解析：该机组利用重核裂变释放的能量发电，A正确；由题知ΔE＝1×1010 kW·h＝1×1010×1 000×3 600 J＝3.6×1016 J，根据质能方程ΔE＝Δmc2可知，每年亏损的质量为Δm＝＝ kg＝0.4 kg，B错误；根据核反应前后质量数守恒和电荷数守恒可知，用中子轰击U的核反应可能为UnBaKr＋n，C正确；在反应堆中，当反应速度过快时，用镉棒吸收过多的中子，以控制链式反应的速度，D正确。故选ACD。 学生用书⬇第134页 知识点三　核聚变 【情境导入】　1967年6月17日，在中国新疆罗布泊上空，中国第一颗氢弹爆炸成功。这是中国继第一颗原子弹爆炸成功后，国防科研领域的又一次飞跃，标志着中国核武器发展进入了一个新阶段。氢弹的爆炸属于什么核反应？ 提示：核聚变。 【教材梳理】 (阅读教材P123—P125完成下列填空) 1.核聚变：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。 2.典型的核聚变反应方程HHHen＋17.6 MeV。 3.条件：轻核的距离要达到10－15 m以内。可以通过将轻核加热到很高的温度来使其发生核聚变，因此核聚变又叫热核反应。 4.优点 (1)轻核聚变产能效率高。 (2)地球上核聚变燃料氘储量丰富，而氚可以用锂来制取，足以满足核聚变的需要。 (3)轻核聚变更为安全、清洁。 5.实现可控核聚变的方案：磁约束和惯性约束。 【师生互动】　根据核聚变示意图，回答下面问题： 任务1.若发生核聚变，对原子核间的距离有什么要求？ 任务2.核聚变为何又叫热核反应？ 提示：任务1.轻核的聚变反应是两个轻核结合成质量较大的核，要使得核力发挥作用，必须使原子核间的距离达到10－15 m以内。 任务2.核聚变需要在几百万开尔文的高温下才能进行，因此核聚变又叫热核反应。 【探究归纳】 1.核聚变的理解 (1)发生条件：要使轻核发生核聚变，必须使轻核的距离达到10－15m以内，这要克服原子核间强大的库仑斥力作用，要求轻核具有足够大的动能。要使轻核具有足够大的动能，可以给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温。 (2)典型的核聚变方程HHHen＋17.6 MeV。 (3)放能反应：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。 (4)应用 ①核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 ②可控热核反应：目前处于探索阶段。 2.核裂变与核聚变的比较 核反应 核裂变 核聚变 放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能 放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大3～4倍 核废料处 理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多 学生用书⬇第135页 (多选)(2025·安徽合肥市高二检测)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1 876.1 MeV/c2(c为真空中的光速)的氘核H)和一个质量为2 809.5 MeV/c2的氚核H)结合为一个质量为3 728.4 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，c＝3×108 m/s，e＝1.6×10－19 C。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：该聚变反应方程为HHHen，X为中子，故A错误；该核反应中质量亏损Δm1＝17.6 MeV/c2，由质能方程可得m氘＋m氚＝m氦＋mX＋Δm1，代入数据可得1 876.1 MeV/c2＋2 809.5 MeV/c2＝3 728.4 MeV/c2＋mX＋17.6 MeV/c2，解得mX＝939.6 MeV/c2，故B正确；太阳每秒辐射能量ΔE＝PΔt＝4×1026 J，由质能方程可得Δm＝，解得太阳每秒因为辐射损失的质量Δm＝ kg≈4.4×109 kg，故C正确；因为ΔE＝4×1026 J＝ eV＝2.5×1039 MeV，则太阳每秒因为辐射损失的质量为Δm＝＝2.5×1039 MeV/c2，故D错误。 针对练1.(多选)下列关于核聚变的说法正确的是(　　) A.两个原子核发生核聚变时，其质量数守恒 B.两个轻核结合成质量较大的核，总质量比聚变前的大 C.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加 D.核聚变比核裂变更为安全、清洁，它是目前利用核能的主要方式 答案：AC 解析：核反应都遵循质量数守恒和电荷数守恒，故A正确；两个轻核结合成质量较大的核，结合时放出能量，存在质量亏损，则总质量比聚变前的小，故B错误；两个轻核结合成质量较大的核，放出能量，总的结合能增加，则核子的比结合能增加，故C正确；与核裂变相比，轻核聚变更为安全、清洁，但是目前核聚变还不能进行控制，利用核能的主要方式是核裂变，故D错误。 针对练2.(多选)2025年1月20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)首次实现上亿摄氏度1 066秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行。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。关于氢的同位素氘和氚的核聚变，其核反应方程为HHHe＋X＋17.6 MeV，已知光速c＝3×108 m/s，1 MeV＝1.6×10－13 J，下列说法正确的是(　　) A.当氘核和氚核距离达到一定范围内时，氘核和氚核之间的库仑力使它们结合成一个新核 B.X粒子是中子 CH的比结合能大于He的比结合能 D.一个氘核和一个氚核发生核聚变，亏损的质量约为3.1×10－29 kg 答案：BD 解析：当氘核和氚核的距离达到一定范围时，氘核和氚核之间的核力使它们结合成一个新核，A错误；由核反应时电荷数守恒和质量数守恒可知X为中子，B正确；在该核反应中，生成物更稳定，比结合能更大H的比结合能小于He的比结合能，C错误；根据ΔE＝Δmc2，解得Δm≈3.1×10－29 kg，D正确。 知识点四　“基本”粒子 【情境导入】　19世纪末，人们发现了光子、电子、质子和中子等“基本粒子”。20世纪，人们通过对粒子碰撞和宇宙线的观测，发现了很多新粒子，如图所示。 这些新发现的粒子分为哪几类？ 提示：分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子。 【教材梳理】 (阅读教材P126—P129完成下列填空) 1.“基本”粒子 以前，许多人认为光子、电子、质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”。然而，随着科学的发展，科学家们发现很多新粒子不能看作由质子、中子、电子组成的，并发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。 学生用书⬇第136页 2.发现新粒子 1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子，后来发现了超子等。 3.粒子的分类 (1)强子：是参与强相互作用的粒子。质子和中子都是强子。 (2)轻子：不参与强相互作用。电子、电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已发现的轻子。 (3)规范玻色子：是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。 (4)希格斯玻色子：是希格斯场的量子激发。 4.夸克与粒子物理标准模型 (1)夸克、夸克模型：1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克。夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。 (2)粒子物理标准模型是一整套关于粒子的理论。在标准模型中，夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质的几类最基本的粒子。 【师生互动】　结合“情境导入”，回答下面问题： 任务1.这些新发现的粒子分为哪几类？ 任务2.为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破？ 提示：任务1.强子、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子。 任务2.因为夸克模型指出了电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。 【探究归纳】 1.新粒子的发现及特点 发现 时间 1932年 1937年 1947年 20世纪 60年代后 新粒子 正电子 μ子 K介子 与π介子 超子 基本 特点 质量与电子相同，电荷量相同，电性相反 质量比质子的质量小 质量介于电子与核子之间 质量比质子的质量大很多 2.夸克模型 (1)夸克的提出：1964年美国物理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。 (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)和顶夸克(t)。 (3)夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的＋或－。例如，上夸克带的电荷量为＋，下夸克带的电荷量为－。 3.粒子的分类 分类 参与的 相互作用 发现的粒子 备注 强子 参与强相 互作用 质子、中子、介子、超子 强子有内部结构，由夸克组成 轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 未发现内部结构 规范玻 色子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子 光子、中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用 希格斯 玻色子 — — 希格斯玻色子是这几种基本粒子中最后一个被发现的 学生用书⬇第137页 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.强子都是带电粒子 C.夸克模型是探究轻子结构的理论 D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单元 答案：D 解析：质子、中子等本身也有自己复杂的结构，并不“基本”，有的强子(如质子)带电，有的强子(如中子)不带电，故A、B错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电荷不同，分别为＋e或－，说明电子电荷不再是电荷的最小单元，故C错误，D正确。 针对练1.现在已发现的粒子达400多种。它们大体可被分为(　　) A.光子、夸克、强子、质子 B.夸克、轻子、强子、电子 C.规范玻色子、希格斯玻色子、轻子、强子 D.质子、中子、电子、光子 答案：C 解析：大体可以把已发现的粒子分为四大类，即强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子，故C正确。 针对练2.目前普遍认为，质子和中子都是由被称为上夸克和下夸克的两类夸克组成的，上夸克的电荷量为＋e，下夸克的电荷量为－e，e为元电荷，下列说法可能正确的是(　　) A.质子由1个上夸克和1个下夸克组成，中子由1个上夸克和2个下夸克组成 B.质子由2个上夸克和1个下夸克组成，中子由1个上夸克和2个下夸克组成 C.质子由1个上夸克和2个下夸克组成，中子由2个上夸克和1个下夸克组成 D.质子由2个上夸克和1个下夸克组成，中子由1个上夸克和1个下夸克组成 答案：B 解析：质子电荷量为e，中子不带电，则组成它们的夸克的电荷量之和要等于质子和中子的电荷量，结合题给信息可知，质子可能由2个上夸克和1个下夸克组成，中子可能由1个上夸克和2个下夸克组成，故B正确。 学科网（北京）股份有限公司 $