第5章 4.核裂变与核聚变5.“基本”粒子（学用word）-【优学精讲】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

本讲义聚焦高中物理“核裂变与核聚变”及“基本粒子”核心内容，系统梳理核裂变的链式反应、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与夸克模型，构建从宏观能量应用到微观粒子结构的递进式知识支架。 资料以情境问题（如原子弹能量来源、太阳能源）驱动科学探究，通过对比表格（裂变与聚变比较）培养科学思维，结合例题计算与易错辨析强化物理观念，强调核安全与能源可持续性渗透科学态度与责任。课中辅助教师高效授课，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 知识点一　 情境导入 　提示：质量较大的原子核分裂成中等质量的原子核时释放出的结合能。 新知导读 1.（1）哈恩　（2）核裂变　（3）中子　n　n　（4）中子 （5）链式　最小　2.（1）①铀棒　②石墨　③中子　（2）裂变　循环流动　（3）放射性　水泥层　放射性 易错辨析 （1）×　（2）√ 知识点二　 情境导入 　提示：来源于太阳内部的核聚变反应。 新知导读 1.轻核　3.10－15　4.很高　热核反应　5.聚变　6.氢　原子 7.（1）①效率高　②丰富　（2）高　8.磁　惯性 易错辨析 （1）√　（2）√ 知识点三　 情境导入 　提示：中子和质子本身也有自己的复杂的结构，可以再分。 新知导读 1.质子　中子　质子　2.正电子　3.（1）参与　质子　中子 （2）不参与　电子　（3）传递　光子　4.（1）夸克　分数电荷 （2）粒子　夸克　轻子　规范玻色子　希格斯玻色子 易错辨析 （1）×　（2）× 4.核裂变与核聚变　5.“基本”粒子 知识点一　 【例1】　D　重核裂变过程是核能转化为其他形式能的过程，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其临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B错误；重核裂变过程中，质量数守恒，故核子数不变，C错误；由于重核的核子平均质量大于中等质量的核子平均质量且核子数不变，则重核裂变时，有质量亏损，放出核能，D正确。 【例2】（1）UnXeSr＋1n　（2）2.7×104 kg 解析：（1）根据核反应的质量数守恒和电荷数守恒可知核反应方程式为UnXeSr＋1n。 （2）核电站每年放出的热量 Q=Pt=1.0×109×3.6×103×24×365 J≈3.15×1016 J。 一U裂变放出的热量 ΔE=Δmc2=（235.043 9－89.907 7－135.907 2－9×1.008 7）×1.66×10－27×（3×108）2 J≈2.25×10－11 J。 需要浓缩铀的质量m=MU=×0.235 kg≈2.7×104 kg。 即学即练 1.C　要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变，如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，A、B、D错误，C正确。 2.C　该核反应过程中释放大量的能量，故钡核的比结合能比铀核的比结合能大，故A正确；取碰撞前中子的速度方向为正方向，根据动量守恒定律有mv0=mv1＋2mv2，依据能量守恒定律有m=m＋×2m，解得v1=－v0，故碰撞后中子的动能为Ek1=m=E0，故B正确；要使裂变反应更剧烈一些，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，故C错误；水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的射线，故D正确。 知识点二　 【例3】　（1）HHe＋e　（2）（4mp－mα－2me）c2　 （3） 解析：（1）根据质量数守恒和电荷数守恒，可得核反应方程为HHe＋e。 （2）质量亏损Δm=4mp－mα－2me，根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2得核反应释放的能量ΔE=（4mp－mα－2me）c2。 （3）设1秒内参与热核反应的质子数为N，依据能量关系有P=，则N=。 即学即练 　AC　根据质量数守恒和电荷数守恒知，核反应方程为HHHen，则该核反应中产生的新粒子为中子，故A正确，B错误；核反应过程中的质量亏损为Δm＝2mD－（mHe＋mn）＝0.003 5 u，则释放的核能为ΔE＝Δmc2≈3.26 MeV，故C正确，D错误。 知识点三　 【例4】　AD　因π＋介子带有＋e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克u带＋e和反夸克带＋e合成电荷量为＋e，那么π＋介子是由夸克u和反夸克组成的；同理，π－介子由夸克d和反夸克组成，所以A、D正确。 即学即练 　ABC　强子是由更基本的夸克组成的，夸克的电荷量分别为元电荷的＋或－，每种夸克都有对应的反夸克，夸克不能以自由的状态单个出现，D错误，A、B、C正确。 【随堂演练】 1.D　 A项中的核反应属于β衰变，不是链式反应，故A错误；B项中的核反应属于原子核人工转变，不是链式反应，故B错误；C项中核反应是轻核结合成较重的原子核，属于聚变，故C错误U核在中子的轰击下，裂变为较小的Xe核和Sr核，同时释放出两个中子，能发生链式反应，故D正确；故选D。 2.BD　比结合能小的原子核结合成比结合能大的原子核时，发生质量亏损，释放能量，故A错误；核反应可以说明原子核具有复杂结构，故B正确UThHe是α衰变，故C错误；核反应中HeHeHe＋2X，根据反应过程满足质量数守恒和电荷数守恒，可知X是质子H，故D正确。故选B、D。 3.D　轻核聚变其产能效率高、安全、清洁，但是核聚变需要的温度太高、地球上没有任何容器能够经受如此高的温度，现在核电站采用核裂变发电，故A项错误；要使核聚变能发生，其轻核需要具有足够大的动能，即应该给反应物加热到很高的温度，故B项错误；设该核反应中的质量亏损为Δm，对该核反应，由能量守恒定律可得4E3－2E1－3E2=Δmc2，故C项错误；比结合能越大，原子核越稳定，由HeH更稳定，所以E3大于E1，故D项正确。故选D。 学科网（北京）股份有限公司 $ 4.核裂变与核聚变5.“基本”粒子 学习目标 1.知道核裂变、链式反应的概念，会判断和书写核裂变反应的方程并会计算核裂变释放的核能。 2.了解核反应堆的工作原理，知道核电站的工作流程。 3.知道核聚变的概念、条件及受控热核反应的控制方案，会判断和书写核聚变反应方程并计算核聚变释放的核能。 4.了解新粒子的发现和粒子的分类。 知识点一　核裂变的发现　反应堆与核电站 　情境：如图所示，为1964年我国第一颗原子弹爆炸成功时升起的蘑菇云图片。 问题：原子弹之所以威力巨大，是因为爆炸时释放出大量的能量，几乎可以毁灭一切目标物体。那么，这些能量是哪里来的呢？ 1.核裂变的发现 （1）发现：1938年底，德国物理学家　　　　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：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为　　　　。 （3）铀核裂变：用　　　　轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多样的，常见的裂变方程： U＋　　　BaKr＋　　　　。 UnXeSr＋n。 （4）链式反应：由重核裂变产生的　　　　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。 （5）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。 2.反应堆与核电站 （1）核反应堆组成 ①燃料：　　　　。 ②慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，常用的慢化剂有　　　　、重水和普通水。 ③控制棒：由吸收　　　　能力很强的镉制成，用以控制链式反应的速度。 （2）核电站工作原理 核燃料　　　　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　　　　　，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，用时也使反应堆冷却。 （3）核污染的处理 为避免射线对人体的伤害和　　　　物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染。在反应堆外面要修建很厚的　　　　，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的　　　　，需要放入特制容器，深埋地下。 【易错辨析】 　（1）一个重核裂变只能产生两个中等质量的原子核。（　　） （2）铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损。（　　） 1.裂变反应的能量大小：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全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温。 2.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） 浓缩铀 提供核燃料 减速剂（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 传输热量 防护层 厚水泥层 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害 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、钍等在地球上可开采储量大，所能提供的能量大； （3）对环境的污染要比火力发电小。 【例1】　（裂变）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 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 【例2】　（反应堆与核电站）利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站的工作原理。核电站消耗的“燃料”很少，但功率却很大。 （1）核反应堆中的“燃料”是U，补全下面的核反应方程式UnXeSr＋1n。 （2）一座100万千瓦的核电站，每年（365天）需要多少浓缩铀？已知铀核的质量为235.043 9 u，氙核质量为135.907 2 u，锶核的质量为89.907 7 u。1 u＝1.66×10－27 kg，中子的质量为1.008 7 u，浓缩铀中铀235的含量占2％。（结果保留2位有效数字，NA＝6.02×1023 mol－1） 尝试解答 1.铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是（　　） A.铀块的质量是重要因素，与体积无关 B.为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子 C.若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生 D.能否发生链式反应与铀块的质量无关 2.如图为普遍使用的“慢中子”核反应堆的示意图，铀棒是核燃料，一种典型的铀核裂变方程为U＋BaKr＋n，用重水作为慢化剂可使快中子减速，假设中子与重水中的氘核H）每次碰撞均为弹性正碰，而且认为碰撞前氘核是静止的，氘核的质量是中子质量的两倍，则下列说法不正确的是（　　） A.钡核的比结合能比铀核的大 B.若碰撞前中子的动能为E0，经过一次弹性碰撞后中子动能变成E0 C.镉棒插入深一些可增大链式反应的速度 D.水泥防护层可用来屏蔽裂变产物放出的射线 知识点二　核聚变 情境：万物生长靠太阳（如图），太阳在我们日常生活中是不可替代的，它提供给地球足够的能源。 问题：如果说太阳一旦没有了，那么地球上的一切生物都将随之消失。你知道太阳的能量来源吗？ 1.定义：两个　　　　结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。 2.核反应方程HHHen＋17.6 MeV。 3.条件：使轻核的距离达到　　　　m以内。 4.方法：把轻核加热到　　　　的温度。因此核聚变又叫　　　　　。 5.宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核　　　　成氦核释放的核能。 6.人工热核反应：　　弹。首先由化学炸药引爆　　　　弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 7.核聚变的优、缺点 （1）优点：①轻核聚变产能　　　　；②地球上核聚变燃料氘的储量　　　　，而氚可以利用锂来制取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁。 （2）缺点：核聚变需要的温度太　　，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。 8.控制方案：　　约束和　　　　约束。 【易错辨析】 　（1）太阳内部氢核聚变时刻进行。（　　） （2）相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放出的能量多。（　　） 1.核聚变的特点 （1）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。 （2）在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放出的能量多。 （3）热核反应一旦发生，就不再需要外界给它提供能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。 （4）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。 2.重核裂变与轻核聚变的比较 项目 重核裂变 轻核聚变 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的简单得多 原料的 蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其是用于核裂变的铀235在天然铀中只占0.7％ 氘在地球上的储量非常丰富，而氚可以利用锂来制取 可控性 比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前，人们还不能控制它 【例3】　（核聚变）太阳的能量来自下面的反应：四个质子（氢核）聚变成一个α粒子，同时发射两个正电子，已知太阳辐射能量的总功率为P，质子H、氦核He、正电子e的质量分别为mp、mα、me，真空中的光速为c。 （1）写出核反应方程； （2）求核反应所释放的能量ΔE； （3）求1 s内参与上述热核反应的质子数目。 尝试解答 　〔多选〕中国的核聚变研究已进入世界前列，主要利用2个氘核聚变成3He，已知氘核的质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u，3He的质量为3.015 0 u，质子的质量为1.007 8 u，α粒子的质量为4.002 6 u，1 u＝931.5 MeV，则（　　） A.该核反应中产生的新粒子为中子 B.该核反应中产生的新粒子为质子 C.该核反应中释放出的核能约为3.26 MeV D.该核反应中释放出的核能约为4.10 MeV 知识点三　“基本”粒子 情境：如图所示，分子由原子组成，原子由原子核和核外电子组成，原子核由中子和质子组成。 问题：中子和质子是否可以再分？请查阅资料了解。 1.“基本”粒子 一段时间，许多人认为光子、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”。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、　　　　、电子组成，并发现　　　　、中子等本身也有自己的复杂的结构。从20世纪后半期，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。 2.发现新粒子 1932年发现了　　　，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：强子是　　　　强相互作用的粒子。　　　　和　　　　都是强子。 （2）轻子：轻子　　 　强相互作用。　　 　、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：规范玻色子是　　　　各种相互作用的粒子，如　　　　，中间玻色子（W和Z玻色子）、胶子。 （4）希格斯玻色子：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　　　　。夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在　　　　　。 （2）粒子物理标准模型是一整套关于　　　　的理论。其中，　　　　、　　　　、　　　　　　　和　　　　　　　是组成物质的几类最基本的粒子。 【易错辨析】 　（1）电子电荷e是电荷的最小单位。（　　） （2）质子、中子属于轻子。（　　） 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 质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反 比质子的 质量小 质量介于电子与质子之间 比质子的质量大 2.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、中子等 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 还没有发现内部结构 规范 玻色子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子等 光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用 希格斯玻色子 — — 希格斯玻色子是希格斯场的量子激发，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量 3.夸克模型 （1）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）。 （2）夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是元电荷的＋或－。例如，上夸克带的电荷量为＋，下夸克带的电荷量为－。 （3）意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。 【例4】　（基本粒子）〔多选〕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，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷。 粒子 π＋ π－ u d 带电荷量 ＋e －e ＋ － － ＋ 下列说法正确的是（　　） A.π＋由u和组成 B.π＋由d和组成 C.π－由u和组成 D.π－由d和组成 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　〔多选〕下列关于夸克模型的说法正确的是（　　） A.强子是由更基本的夸克组成的 B.夸克的电荷量分别为元电荷的＋或－ C.每种夸克都有对应的反夸克 D.夸克能以自由的状态单个出现 1.（链式反应）下列反应中能产生链式反应的是（　　） ANaMge BFHeNeH CHHHen DUnXeSr＋n 2.（核裂变）〔多选〕以下说法正确的是（　　） A.比结合能小的原子核结合成比结合能大的原子核时一定吸收能量 B.核反应可以说明原子核具有复杂结构 CUThHe是重核裂变 D.核反应中HeHeHe＋2X，其中X是质子 3.（核聚变）2024年2月29日，ITER组织宣布与中核集团签署合作协议，展示了我国核技术领域的强大实力。某核聚变反应的方程式为HHHe＋n，已知HHHe的比结合能分别为E1、E2、E3。下列说法正确的是（　　） A.核聚变产能效率高、安全、清洁，所以核电站均采用核聚变发电 B.要使核聚变能发生，反应物必须具备足够大的体积和质量 C.由能量守恒定律可知E1＋E2＝E3 D.E3一定大于E1 课堂小结 提示：完成课后作业　第五章　4.5. 7 / 7 学科网（北京）股份有限公司 $