5.4 核裂变与核聚变 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理课件围绕核裂变、核聚变及基本粒子展开，从哈恩发现铀核裂变切入，衔接链式反应、反应堆与核电站原理，再延伸至核聚变及粒子分类，构建从现象到应用的知识支架。 其亮点是结合钱三强夫妇三分裂发现、中国HL-2M装置等实例，通过反应堆结构分析、核能计算典例培养物理观念与科学思维，帮助学生深化能量观念，教师可借助实例提升教学直观性。

第4节 核裂变与核聚变 1938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过程中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。 奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释，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核裂变。 哈恩 迈特纳 弗里施 一、裂变的发现 核裂变：重核受粒子打击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应。 ⑴铀核裂变的一种典型情形 （最典型的一种核反应方程式） 1、核裂变 ⑵铀核的三分裂、四分裂 1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇在巴黎首先观察到中子轰击铀核的三分裂和四分裂现象。 铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有: 二分裂 三分裂 四分裂 概率： 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，且由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，这种反应叫核裂变的链式反应。 ⑴定义： 2、链式反应 （2）临界体积和临界质量：使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。 发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。 一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能! 3、核裂变释放大量的能量 原子弹是利用重核的裂变反应制成的,高纯度的铀或钚超过临界体积时发生链式反应,在极短时间内能够释放大量核能，发生猛裂爆炸。 原子弹的结构有“内爆式”和“枪式”两种。 拓展学习 通过可控制的链式反应来释放核能的装置。 “热中子（慢中子）”核反应堆示意图 水泥防护层 控制棒——镉棒 燃料棒—铀棒 减速剂 1、反应堆： ①铀棒：由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，它是核反应堆的燃料。 ②石墨(或重水)：石墨(或重水)作为慢化剂，附着在铀棒周围，使反应生成的快中子变为慢中子，便于被铀235“捉”住，发生核裂变。 ③镉棒：主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫作控制棒。 ④水泥防护层：屏蔽射线，防止放射性污染。 二、反应堆与核电站 核电站工作流程 第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核心反应放出的热使水的内能增加，水温升高。第一回路的水进入交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆。 在热交换器内，第二回路中的水被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。 ⑴核电站工作流程 2、核电站 在反应堆外面修建很厚的水泥层，用来屏障裂变反应放出的各种射线。核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器深埋地下。 两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。 一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3-4倍，核反应方程： 其他聚变反应方程: 1、核聚变： 三、核聚变 当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变。因此，核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。 ⑵对物质加热到很高的温度108～109K ⑴用加速器加速原子核 恒星 热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。 太阳聚变反应 2、核聚变普遍存在于宇宙中 普通炸药 Ｕ235 氘、氚 爆炸 裂变 聚变 1967年6月17日，我国首枚氢弹爆炸成功 不可控！ 3、核聚变的利用——氢弹 ⑴磁约束 带电粒子运动时在均匀磁场中受洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。 托卡马克装置 中国科学院的环流器装置 4、可控核聚变的方案 ⑵惯性约束 由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光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。 惯性约束示意图 第5节“基本”粒子 1931——1970年发现的新粒子 一、部分新粒子的实验发现年代 21971——2001年发现的新粒子 大型强子对撞机内部设备的一个局部 1932年发明的粒子加速器，能使带电粒子加速到很高的能量。让这些高能粒子彼此对撞，就能产生更多的粒子，这种装置称为对撞机。 现在已经发现的粒子达到400多种 年份 发现的粒子 年份 发现的粒子 1931—1940 正电子、u子 1971—1980 τ子、胶子、J/Ψ介子 1941—1950 K介子、π介子 1981—1990 W 和Z玻色子 1951—1960 反质子电子中微子 1991—2000 τ子中微子 1961—1970 u子中微子 2000年至今 希格斯玻色子 ①研究宇宙线发现新的粒子 ②利用加速器发现新的粒子 粒子的质量、寿命、自旋等物理性质与过去发现的粒子相同，电荷等其他性质相反。 例如： 由反粒子构成的物质叫反物质 反粒子（反物质）最显著的特点是当它们与相应的正粒子（物质）相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子。 质子和反质子等 电子和正电子 威尔逊云室里正电子“轨迹” 二、反粒子 1、强子：参与强相互作用的粒子。 2、轻子：不参与强相互作用的粒子。 电子 电子中微子 μ子 μ子中微子 τ子和τ子中微子 轻子（6 种） 质子 中子 三、粒子的分类 根据相互作用的性质分类 3、规范玻色子：传递各种相互作用的粒子。 光子 中间玻色子（W和Z玻色子） 胶子 传递弱相互作用 4、希格斯玻色子：希格斯场的量子激发。 传递电磁相互作用 传递强相互作用 希格斯玻色子别称上帝粒子，是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子。 2012年7月4日科学家宣布发现了一个新粒子，与希格斯玻色子特征有吻合之处。 现在已经发现的粒子达400多种。它们大体可被分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类别。 特点 粒子 强子 参与强相互作用 质子和中子 轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、u子、u子中微子、τ子、τ子中微子 规范玻色子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子 希格玻色子 希格斯场的量子激发 【典例1】　慢中子反应堆的示意图如图所示，下列对该反应堆的说法正确的是 (　　) A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应 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，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些 D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些 B (1)求上述反应中一个U核裂变释放的核能； (2)若核能转化为电能的效率为50%，假设反应堆中裂变全是上述核反应，已知每次核反应中放出的核能E1＝2.8×10－11 J，U核的质量约为mU＝3.9×10－25 kg，估算目前我国核电站平均每天最多消耗的纯净铀的质量(结果保留2位有效数字)。 答案　1.2×102 kg B AD 1．(多选)核电站工作流程图如图所示，关于核能，下列说法正确的是 (　　) A．核反应堆可以把核能直接转化为电能 B．核反应堆利用的是原子核衰变过程产生的能量 C．核反应生成物的比结合能大于反应物的比结合能 D．水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线 CD 2．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 C (1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为0，试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数。 答案：40　90 答案：5.06×1026 MeV (2)已知铀(U)核质量为235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142.909 8 u，锆(Zr)核质量为89.904 7 u；1 u相当于931.5 MeV的能量，试计算1 kg铀235大约能产生的能量是多少？(结果保留3位有效数字) 1．(多选)下列关于聚变的说法中，正确的是 ( 　　) A．要使聚变发生，必须克服库仑斥力做功 B．轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此轻核聚变又叫作热核反应 C．原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应 D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行 ABC B 3．中国核工业集团新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”，取得了聚变温度1.5亿摄氏度、等离子体电流2.5兆安培的重要进展，在这个全球竞争的聚变科学项目中一直保持着领先。关于核聚变反应，下列说法正确的是 (　　) B 2．在下列四个方程中，X1、X2、X3、X4各代表某种粒子，判断正确的是 (　　) A C 答案：17.6 MeV 1．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．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论 D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位 D ABC $