第5章 第4节 核裂变与核聚变 第5节 “基本”粒子（Word教参）-【学霸笔记·同步精讲】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

本高中物理讲义聚焦核裂变与核聚变及“基本”粒子核心知识点，系统梳理重核裂变的链式反应条件、核反应堆工作原理，再到轻核聚变的条件与优势，最后延伸至粒子分类，构建从原理到应用再到微观粒子的学习支架。 资料通过判断正误、探究问题及例题分析，强化科学推理与科学论证能力，如结合“玲珑一号”核反应堆案例培养科学态度与责任。课中辅助教师引导学生分析核反应能量计算，课后学生可通过练习题巩固核能计算及粒子分类知识，有效查漏补缺。

第4节　核裂变与核聚变　 第5节　“基本”粒子 　 1．知道重核的裂变反应和链式反应的发生条件。　2.了解核反应堆的类型，知道核电站的工作模式。　3.知道核聚变反应，关注受控核聚变反应研究的进展。　4.会分析和计算核裂变和核聚变过程释放的核能。　5.初步了解粒子物理学的基础知识。 一、核裂变的发现 1．核裂变：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。 2．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，其中一种典型的核反应方程是 U＋n→ Ba＋Kr＋3n。　 3．链式反应 (1)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。 (2)通常把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。 二、反应堆与核电站 1．核反应堆：通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆。 2．慢化剂：反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水和普通水。 3．控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。 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，因此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。核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。 三、核聚变 1．定义：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．举例：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。 3．条件 (1)轻核的距离要达到10-15m以内。 (2)需要加热到很高的温度，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。 5．约束方法：磁约束和惯性约束。 四、发现新粒子 1．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。后来还发现了超子等。 2．反粒子：实验中发现，存在着这样一类粒子，它们的质量、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，这些粒子叫作反粒子。例如，电子的反粒子就是正电子。 五、粒子的分类 1．强子：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：轻子不参与强相互作用。最早发现的轻子是电子。 3．规范玻色子：规范玻色子是传递各种相互作用的粒子。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。 4．希格斯玻色子：希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。 判断下列说法是否正确。 (1)铀核的裂变是一种天然放射现象。(　　) (2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。(　　) (3)控制棒是通过吸收中子的多少来控制链式反应速度的。(　　) (4)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些。(　　) (5)质子、中子和电子都是不可再分的基本粒子。(　　) (6)质子和反质子的电荷量相同，电性相反。　(　　) 答案：(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√ 知识点一　重核的裂变 　 图为重核裂变的链式反应。 试探究：(1)什么是链式反应？ (2)链式反应中的临界体积和临界质量分别指什么？ [提示]　(1)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。 (2)核裂变物质能发生链式反应的最小体积叫临界体积，相应的质量叫临界质量。 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，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： ① U＋n→ Xe＋Sr＋2n。 ②U＋n→ Ba＋Kr＋3n。 2．链式反应的条件 (1)铀块的体积大于临界体积。 (2)铀块的质量大于临界质量。 以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足。 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。 角度1　重核的裂变 　(2023·北京卷，T3)下列核反应方程中括号内的粒子为中子的是(　　) A．U＋n→Ba＋Kr＋(　　) B． U→ Th＋(　　) C． N＋He→ O＋(　　) D． C→N＋(　　) [解析]　根据质量数守恒和电荷数守恒知，U＋n→Ba＋Kr＋(3n)，故A符合题意；U→Th＋(He)，故B不符合题意；N＋He→O＋(H)，故C不符合题意；C→N＋(e)，故D不符合题意。 [答案]　A 角度2　重核裂变中的能量计算 　我国自主研发的“玲珑一号”核反应堆，是全球最小的商用核反应堆，核反应方程为U＋n→Ba＋ Kr＋3n＋γ，反应产物Ba会发生β衰变。已知核U、Ba、Kr和n的质量分别是235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u和1.008 7 u，1 u为1.66×10-27 kg，真空中的光速c＝3×108 m/s，则下列说法正确的是(　　) A．核反应方程中的x＝57，y＝89 B．U核的比结合能小于Ba核的比结合能 C．Ba的衰变方程为Ba＋n→ X＋e D．一个 U核裂变放出的核能约为3.2×10-10 J [解析]　根据质量数守恒和电荷数守恒可知核反应方程中的x＝56，y＝92，故A错误；核反应的产物比反应物更稳定，而比结合能越大原子核越稳定，可知U核的比结合能小于Ba核的比结合能，故B正确；根据题意可知，Ba会发生β衰变，因此其衰变方程为Ba→ Xa＋e，故C错误；根据爱因斯坦的质能方程有ΔE＝Δmc2＝(235.043 9 u＋1.008 7 u－140.913 9 u－91.897 3 u－3×1.008 7 u)c2，解得ΔE≈3.2×10-11 J，故D错误。 [答案]　B 　(2025·山东青岛市期末) U发生α衰变时，其衰变方程为：U→ Th＋He＋55 MeV，光在真空中的传播速度c＝3×108 m/s，e＝1.6×10-19 C。 (1)求一次衰变过程中亏损的质量(保留2位有效数字)。 (2)若U开始处于静止状态，衰变过程释放的核能全部转化为α粒子和钍核的动能，求放出的α粒子的动能(单位用MeV表示，保留2位有效数字)。 (3)若U和Th的比结合能分别是7.38 MeV和7.50 MeV，求He的比结合能。 [解析]　(1)由衰变方程可知，一次衰变释放的核能ΔE＝55 MeV＝55×106×1.6×10-19 J＝8.8×10-12 J 由爱因斯坦质能方程可得 ΔE＝Δmc2 解得亏损的质量Δm≈9.8×10-29 kg。 (2)衰变过程满足动量守恒，可知α粒子和钍核的动量等大、反向。动能与动量的关系为 Ek＝ 可得＝＝＝57 依题意可得Ekα＋EkTh＝ΔE＝55 MeV 解得Ekα≈54 MeV。 (3)根据ΔE＋232×EU＝228×ETh＋4×Eα 已知EU＝7.38 MeV，ETh＝7.50 MeV 解得Eα＝14.29 MeV。 [答案]　(1)9.8×10-29 kg　(2)54 MeV (3)14.29 MeV 知识点二　核电站的工作原理 　 慢中子反应堆的示意图如图所示。 试探究：(1)铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？ (2)如何控制核裂变反应的激烈程度？ [提示]　(1)慢中子。 (2)控制棒由镉做成，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，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。 1．反应堆工作原理 (1)热源：在核电站中，核反应堆是热源。铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)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，用于推动蒸汽机，使发电机发电。 发生裂变反应时，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。 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。 　我国玲龙一号(ACP100)是全球首个陆上商用模块化小型核反应堆，被称为“核能移动充电宝”，可以作为我国将来的核动力航母的动力和电能来源。下列说法正确的是(　　) A．玲龙一号核反应堆的核燃料取自海水中的氘 B．玲龙一号原理利用轻核的聚变释放核能 C．玲龙一号利用重核裂变释放的核能来发电 D．玲龙一号利用比结合能大的核变成比结合能小的核来获得核能 [解析]　玲龙一号利用重核的裂变释放的核能来发电，用中子轰击铀核裂变成中等质量的核，同时放出几个中子，故A、B错误，C正确；中等质量的核比结合能最大，则玲龙一号是利用比结合能小的核变成比结合能大的核来获得核能的，故D错误。 [答案]　C 知识点三　核聚变及核能的计算 1．核聚变发生的条件 要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15 m以内，这要克服电荷间强大的库仑斥力，要求使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，它首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 (2)可控人工核聚变：目前处于探索阶段。 5．重核裂变与轻核聚变的区别 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要大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，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富，而氚可以利用锂来制取，足以满足核聚变的需要 可控性 速度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，人工产生的热核反应主要用在核武器上，人们还不能控制它 　某电影中太阳核心聚变加速，导致内核温度高达一亿度，足以产生“氦闪”。如图所示，现实中太阳内层的氢发生聚变，每4个H会聚变成1个He，即质子－质子链反应，下列说法不正确的是(　　) A．两个H合成H的过程中产生一个中子 B．H比H少一个中子 C．H和H聚合成He，反应前后质量数守恒 D．He的比结合能大于H的比结合能 [解析]　两个H合成H的核反应方程是H＋H→H＋e，即产生一个正电子，A错误，符合题意；H比H少一个中子，B正确，不符合题意；H和H聚合成He，反应前后质量数和电荷数均守恒，C正确，不符合题意；反应放出核能，最终的生成物He更稳定，则He的比结合能大于H的比结合能，D正确，不符合题意。 [答案]　A 　(2024·1月浙江选考，T7)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]　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；氘核与氚核发生核聚变，要使它们间的距离达到10-15m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ΔE＝Δm·931.5 MeV≈17.6 MeV，4 g氘完全参与聚变释放出能量E＝×6×1023×ΔE≈2.11×1025 MeV，数量级为1025 MeV，故D正确。 [答案]　D 1．(重核的裂变)(2025·江苏南京市期中)一个中子n被U捕获后生成 Xe和Sr的过程中释放出ΔE的核能。已知真空中的光速为c，下列说法正确的是(　　) A．该反应是原子核的聚变 B．U没有放射性 C．该反应过程中的质量亏损为 D．U的比结合能为 解析：选C。由质量数守恒、电荷数守恒可得，核反应方程为n＋U→Xe＋Sr＋10n，该反应属于原子核的裂变，故A错误；原子序数大于83的所有天然存在的元素都具有放射性，U有放射性，故B错误；已知真空中光速为c，根据ΔE＝Δmc2，可得反应过程中的质量亏损Δm＝，故C正确；U的结合能并不是它衰变时放出的能量，所以U的比结合能不是，故D错误。 2．(核电站的工作原理)(2025·黑龙江哈尔滨市期末)核聚变和核裂变是两种核反应的形式。下列关于核聚变和核裂变的说法正确的是　(　　) A．核电站获得核能的典型核反应方程为U→Ba＋Kr＋2n B．核聚变反应可以自发进行，不需要任何条件 C．核聚变和核裂变均放出能量 D．我国的核电站都是采用核聚变发电的 解析：选C。核电站获得核能的典型核反应方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n，故A错误；轻核聚变需要很高的温度，使发生反应的两个核有较大的相对动能，故B错误；核聚变和核裂变均放出能量，故C正确；我国的核电站都是采用核裂变发电的，故D错误。 3．(核聚变及核能)太阳内部每天都进行着大量的核聚变反应，其中一种核聚变反应为两个氘核对心碰撞发生的核聚变：H＋H→He＋n。已知一个氘核(H)的质量为m1，一个氦核(He)的质量为m2，一个中子(n)的质量为m3，下列说法正确的是(　　) A．氦核(He)和中子(n)的质量数之和小于两个氘核(H)的质量数之和 B．该核反应吸收的能量E＝(m1－m2－m3)c2 C．核反应前后系统总动量减小 D．该核反应释放的能量E＝(2m1－m2－m3)c2 解析：选D。核聚变满足质量数守恒，则氦核(He)和中子(n)的质量数之和等于两个氘核(H)的质量数之和，故A错误；核聚变反应释放能量，反应前后有质量亏损，由爱因斯坦的质能方程可知E＝Δmc2＝(2m1－m2－m3)c2，故B错误，D正确；核聚变反应为内力作用，系统的动量守恒，则核反应前后系统总动量不变，故C错误。 4．(核裂变与核聚变)“中国环流三号”实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，标志着我国在可控核聚变领域达到了国际领先水平。下列关于核聚变的说法正确的是(　　) A．轻核聚变过程，原子核的比结合能变大 B．轻核聚变在常温常压下即可自发地进行 C．轻核聚变过程，生成物的质量大于反应物的质量 D．与核裂变反应相比，核聚变的产能效率更低 解析：选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，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的距离，因此需要高温，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，C错误；与核裂变反应相比，核聚变的产能效率更高，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $