第5章 第4、5节 核裂变与核聚变 “基本”粒子（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

本讲义聚焦核裂变、核聚变及“基本”粒子核心知识点，系统梳理核裂变的发现与链式反应、反应堆及核电站工作原理，衔接核聚变的条件、应用及控制方法，延伸至“基本”粒子的发现历程与分类，构建从宏观核反应到微观粒子结构的学习支架。 资料通过“质疑辨析”“情境思考”等互动设计，结合典例解析与题点训练，培养科学推理与质疑创新能力，融入核污染处理、聚变清洁性等内容渗透科学态度与责任，课中辅助教师精准教学，课后助力学生巩固知识、弥补盲点。

第4、5节　核裂变与核聚变　“基本”粒子(赋能课——精细培优科学思维) 课标要求 学习目标 1.了解核裂变反应和核聚变反应。 2.关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。 3.了解人类对物质结构的探索历程。 1.知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念,了解原子弹、核反应堆、聚变反应条件、新粒子的内容。 2.掌握链式反应及核裂变释放能量的计算,理解核电站的工作原理,掌握轻核聚变的条件,提高分析、解决问题的能力。 一、核裂变 1.核裂变的发现 (1)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)定义:重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核,并放出核能的过程。 (3)铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应方程是U＋n―→Ba＋Kr＋3n。 (4)链式反应:当一个中子引起一个重核裂变后,裂变释放的中子再引起其他重核裂变,且能不断继续下去的核裂变反应。 (5)链式反应的条件:发生核裂变物质的体积大于等于临界体积或发生核裂变物质的质量大于等于临界质量。 2.反应堆:可以控制链式反应释放核能的装置。 3.核电站 (1)组成 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、重水或普通水作慢化剂。 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)工作原理:核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高。 (3)能量输出:利用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,用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线,核反应堆用过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。 [质疑辨析] 　　如图所示为铀核裂变示意图,请对以下说法作出判断: (1)铀核裂变是一种天然放射现象。 (×) (2)铀核裂变的产物是固定的,就是生成钡和氪,同时放出3个中子。 (×) (3)只有铀块的体积大于临界体积时,才能够发生链式反应。 (√) (4)核反应堆用过的核废料无毒无害。 (×) 二、核聚变 1.定义:两个轻核结合成质量较大的核,并释放出能量的反应。 2．典型的核反应方程：H＋H―→He＋n＋17.6 MeV。 3.条件:要使轻核聚变,必须使轻核间距达到核力发生作用的距离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,因此核聚变又叫热核反应。 4.太阳能:太阳的主要成分是氢,太阳的中心温度可达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,不断地放出能量。太阳能就来自于太阳内部核聚变释放的核能。 5.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。 6.核聚变的优点:第一,轻核聚变产能效率高。第二,地球上核聚变燃料氘储量丰富。第三,轻核聚变更为安全、清洁。 7.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。 8.控制方法 (1)磁约束:利用磁场约束参加反应的物质,目前性能最好的一种磁约束装置是环流器。 (2)惯性约束: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参加反应的物质,使它们“挤”在一起发生反应,核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。 [情境思考] 　　如图所示为氢弹爆炸形成的蘑菇云,实际上氢弹爆炸是由原子弹爆炸产生的高温高压引发的,那么氢弹中核聚变反应为什么需要几百万开尔文的高温呢? 提示:要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离,而核力是短程力,作用距离数量级为10-15 m,在这个距离上时,质子间的库仑斥力非常大,为了克服库仑斥力,就需要原子核具有非常大的动能才会使它们撞到一起,当温度达到几百万开尔文,原子核就可以具有这样大的动能。 三、“基本”粒子 1.“基本”粒子不基本 (1)直到19世纪末,人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒。后来发现了电子、质子和中子,于是认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子。 (2)随着科学的发展,科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的,又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。 2.发现新粒子 (1)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,及以后的质量比质子的质量大很多的超子。 (2)20世纪70年代以后发现的新粒子 1971~1980年间发现τ子、胶子、J/Ψ介子 1981~1990年间发现W和Z玻色子 1991~2000年间发现τ子中微子 2001年至今发现希格斯玻色子 (3)反粒子:质量、寿命、自旋等物理性质与过去已发现的粒子相同,而电荷等其他性质相反。例如,电子的反粒子是正电子,质子的反粒子是反质子。 3.粒子的分类:现在发现的粒子达400多种,它们大体可分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子四大类。 4.夸克模型:1964年,美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型,认为强子是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。 [情境思考] 质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同,而电荷等其他性质相反,这些粒子叫反粒子。例如,电子的反粒子是正电子,质子的反粒子是反质子。反粒子最显著的特点是当它们与相应的正粒子相遇时,会发生湮灭,即同时转化为其他粒子。是否所有的粒子都有反粒子? 提示:从粒子的对称性可知,有一个粒子,就应该有一个反粒子。 强化点(一)　重核裂变与核能计算 任务驱动 　　如图为核裂变示意图。 (1)试写出一种铀核裂变的核反应方程。 (2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗? 提示：(1)U＋n―→Ba＋Kr＋3n。 (2)有慢中子轰击铀块且铀块的体积大于等于临界体积,这样才可以产生链式反应。 [要点释解明] 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,核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)有慢中子轰击。 (2)铀块的体积大于等于临界体积,或铀块的质量大于等于临界质量。 3.裂变反应的能量 铀核裂变为中等质量的原子核,发生质量亏损,所以放出能量。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算,1 kg铀235全部裂变时放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的化学能。 4.铀235比铀238更易发生链式反应 在天然铀中,主要有两种同位素,99.3%的是铀238,0.7%的是铀235,中子能引起这两种铀核发生裂变,但它们和中子发生作用的情况不同。 (1)铀235:俘获各种能量的中子都会发生裂变,且俘获低能量的中子发生裂变的概率大。 (2)铀238:只有俘获能量大于1 MeV的中子才能发生裂变,且裂变的概率小。能量低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞,不引起裂变。 因此,为了使链式反应容易发生,最好利用纯铀235。 　[典例]　现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是U＋n―→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ν (1)核反应方程中的ν是中微子,它不带电,质量数为零。试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数; (2)已知铀U)核的质量为235.049 3 u,中子质量为1.008 7 u,钕Nd)核质量为142.909 8 u,锆核质量为89.904 7 u。又知1 u=1.660 6×10-27 kg,试计算,1 kg铀235大约能产生的能量是多少? [解析]　(1)根据电荷数和质量数守恒可得, Zr的电荷数Z=92-60+8=40, 质量数A=236-143-3×1=90。 (2)1个铀核发生反应的质量亏损为Δm=(mU+mn)-(mNd+mZr+3mn)=0.217 4 u=0.217 4×1.660 6×10-27 kg≈3.61×10-28 kg, 产生的能量ΔE=Δmc2=3.61×10-28×(3×108)2 J≈3.25×10-11 J, 1 kg铀235含有铀核的数量n=个≈2.56×1024个 1 kg铀235产生的能量E总=nΔE=2.56×1024×3.25×10-11 J=8.32×1013 J。 [答案]　(1)40　90　(2)8.32×1013 J [题点全练清] 1.关于重核的裂变,以下说法正确的是 (　　) 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,所以核子数要减少 D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量,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 解析:选D　核裂变过程是核能转化为其他形式的能的过程,释放的能量远大于俘获中子时得到的能量,A错误;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,可能碰不到铀核,则不会发生链式反应,B错误;重核裂变时,核子数不变,C错误;由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量且核子数不变,则重核裂变为中等质量的核时,有质量亏损,放出核能,D正确。 2.(2025·海南海口高二期末)(多选)一个U核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应,其裂变方程为UnXSr+n,则下列叙述正确的是 (　　) A.X原子核中含有86个中子 B.X原子核中含有141个核子 C.上述核反应过程中,裂变时释放能量,裂变后生成物的总核子数增加 D.上述核反应过程中,裂变时释放能量,出现质量亏损,但总质量数守恒 解析:选AD　根据核反应的质量数和电荷数守恒可知,X原子核的质量数,即核子数为(235+1)-(94+2)=140,电荷数为92-38=54,则X原子核含有中子140-54=86个,故A正确,B错误;上述核反应过程中,裂变时释放能量,出现质量亏损,裂变后生成物的总核子数不变,即反应的总质量数守恒,故C错误,D正确。 强化点(二)　核电站的主要组成及工作原理 [要点释解明] 1.核电站的主要组成 核电站的核心设施是核反应堆,反应堆用的核燃料是铀235,它的主要组成如表格: 慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层 采用的 材料 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 镉 水或液态的金属钠 很厚的水泥防护层 作用 降低中子速度,便于铀235吸收 吸收中子,控制反应速度 把反应堆内的热量传输出去 屏蔽射线,防止放射性污染 2.反应堆工作原理 (1)热源:在核电站中,核反应堆是热源,如图为简化的核反应堆示意图。铀棒是燃料,由天然铀或者浓缩铀(铀235的含量占2%~4%)制成,常用石墨、重水或普通水(也叫轻水)为慢化剂,使反应生成的快中子变为慢中子,便于铀235的吸收,发生核裂变,慢化剂附在铀棒周围。 (2)控制棒:镉棒的作用是吸收中子,控制反应速度,所以也叫控制棒。控制棒插入深一些,吸收中子多,反应速度变慢;插入浅一些,吸收中子少,反应速度加快。采用电子仪器自动调节控制棒插入深度,就能控制核反应的剧烈程度。 (3)冷却剂:核反应释放的能量大部分转化为内能,这时通过水、液态的金属钠等作冷却剂,在反应堆内外循环流动,把内能传输出去 ,用于推动汽轮发电机发电。发生核裂变反应时,会产生一些有危险的放射性物质,很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。 3.核电站发电的优点 (1)消耗的核燃料少。 (2)作为核燃料的铀、钍等在地球上储量大,所能提供的能量大。 (3)对环境的污染要比火力发电小。 [题点全练清] 1.随着时代的发展,能源危机逐渐形成,现在科学家正在努力寻找新能源。核能是现今比较普遍利用的能源之一,核电站利用核能发电是人类利用核能的重要手段。据你判断,现已建成的核电站的能量来自 (　　) A.天然放射性元素衰变放出的能量 B.人工放射性同位素放出的能量 C.重核裂变放出的能量 D.化学反应放出的能量 解析:选C　现已建成的核电站的能量来自重核裂变放出的能量,故C正确。 2.如图所示是当前核电站普遍使用的核反应堆的示意图,关于该反应堆中进行的核反应,下列说法中正确的是 (　　) A.图示装置中进行的核反应类型是核聚变 B.要使核反应速度减慢,可以将铀棒插入得更深 C.裂变反应的燃料是铀,反应过程质量不守恒 D.石墨起到降低反应温度的作用 解析:选C　题图示装置中进行的核反应类型是核裂变,故A错误;将铀棒插入得更深,中子接触的铀原子核更多,反应加剧,故B错误;裂变反应的燃料是铀,反应过程发生质量亏损,质量不守恒,故C正确;石墨的主要作用是将快中子变为慢中子,故D错误。 3.核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它主要由哪四部分组成 (　　) A.原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统 B.原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统 C.原子燃料、慢化剂、碰撞系统和传热系统 D.原子燃料、中子源、原子能储存系统和输送系统 解析:选A　核反应堆里用的核燃料是由天然铀或浓缩铀(铀235占2%~4%)制成的铀棒;铀235易俘获慢中子,不易俘获快中子,必须使用慢化剂(如石墨、重水、普通水),让快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少,变成慢中子;控制调节系统是用于调节中子的数目以控制反应速度,它是由置放在铀棒之间的一些镉棒及计算机调节系统组成;冷却系统靠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,同时使反应堆冷却,保证安全。故选A。 强化点(三)　核聚变及其应用 [要点释解明] 1.核聚变发生的条件 要使轻核聚变,必须使轻核间距达到核力发生作用的距离10-15 m以内,这要克服电荷间强大的斥力作用,要求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,使物质达到几百万开尔文的高温。 2.轻核聚变是放能反应 从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应。 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进行下去。 (3)普遍性: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。 4.核聚变的应用 (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聚变爆炸。 (2)可控热核反应:目前处于探索阶段。 　　[典例]　(2025·南京高二期末)我国成功研制了全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)，其运行原理是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘和氚，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H＋H―→He＋X＋17.6 MeV，光速c＝3.0×108 m/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3.1×10-29 kg D.提升等离子体的密度,在常温常压下也能发生聚变反应 　　[解析]H和H聚变为He会放出能量,可知He比H更加稳定,则H的比结合能小于He的比结合能,故A错误;根据核反应中电荷数和质量数守恒可知,此反应中粒子X的电荷数为0,质量数为1,即粒子X是中子,中子的穿透能力强,电离能力弱,故B错误;根据质能方程ΔE=Δmc2,则一个氘核和一个氚核发生核聚变,亏损的质量为Δm= kg≈3.1×10-29 kg,故C正确;目前轻核聚变只能在高温高压的环境下进行,故D错误。 [答案]　C [题点全练清] 1．(2025·北京东城高二期末)开发更为安全清洁的能源是人类不懈的追求。关于核反应H＋H―→He＋n，下列说法正确的是(　　) A.该核反应属于重核的裂变 B.该核反应属于轻核的聚变 C.该核反应过程没有质量亏损 D.目前核电站利用的就是该核反应所释放的能量 解析:选B　该核反应属于轻核的聚变,故A错误,B正确;该核反应过程有质量亏损,故C错误;目前核电站利用的是重核的裂变所释放的能量,故D错误。 2.(2024·浙江1月选考)已知氘核质量为2.014 1 u,氚核质量为3.016 1 u,氦核质量为4.002 6 u,中子质量为1.008 7 u,阿伏加德罗常数NA取6.0×1023 mol-1,氘核摩尔质量为2 g·mol-1,1 u相当于931.5 MeV。关于氘与氚聚变成氦,下列说法正确的是 (　　) A．核反应方程式为H＋H―→He＋n B.氘核的比结合能比氦核的大 C.氘核与氚核的间距达到10-10 m就能发生核聚变 D.4 g氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025 MeV 解析:选D　核反应方程式为H＋H―→He＋n，故A错误;氘核的比结合能比氦核的小,故B错误;要使氘核与氚核发生核聚变,必须使它们间的距离达到10-15 m以内,故C错误;一个氘核与一个氚核聚变反应质量亏损Δm=(2.014 1+3.016 1-4.002 6-1.008 7)u=0.018 9 u,聚变反应释放的能量为ΔE=Δm·931.5 MeV≈17.6 MeV,4 g氘完全参与聚变释放出能量E=×6.0×1023×ΔE≈2.11×1025 MeV,数量级为1025 MeV,故D正确。 强化点(四)　粒子的发现和分类 任务驱动 　　已知π+介子、π-介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克或反夸克)组成的,它们所带电荷量如下表所示,表中e为元电荷。 粒子 π+ π- u d 电荷量 +e -e +e -e -e +e 　　(1)π+应由哪两个组成? 　　(2)π-又应由哪两个组成? 　　提示:(1)由于π+介子带有+e的电荷量,应由夸克u和反夸克组成。 　　(2)同理π-介子带有-e的电荷量,应由夸克d和反夸克组成。 [要点释解明] 1.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,由夸克构成 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、胶子 光子、中间玻色子、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 2.夸克模型 (1)夸克的提出:1964年,美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型,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:夸克所带的电荷分别为元电荷的-或+。 (4)意义:电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷。 [题点全练清] 1.根据宇宙大爆炸的理论,在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期,那么在大爆炸之后最早产生的粒子是 (　　) A.夸克、轻子、胶子等粒子 B.质子和中子等强子 C.光子、中微子和电子等轻子 D.氢核、氘核、氦核等轻核 解析:选A　宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子,之后又经历了质子和中子等强子时代,再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代,再之后是中子和质子组合成氘核,并形成氦核的核合成时代,之后电子和质子复合成氢原子,最后形成恒星和星系,因此A正确,B、C、D错误。 2.(多选)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基本粒子 B.强子都是带电粒子 C.反粒子与其对应的粒子相遇时,会发生湮灭现象 D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单元 解析:选CD　由于中子、质子是由不同的夸克组成的,它们不再是基本粒子,夸克模型是探究强子结构的理论,不同的夸克构成的强子,有的带电,有的不带电,不同的夸克带的电荷不同,可能为+e或-e,夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单元,A、B错误,D正确;反粒子与其对应的粒子带等量异种电荷,相遇时会发生湮灭现象,故C正确。 学科网（北京）股份有限公司 $