2019年高中物理第十九章原子核第6节_第8节粒子和宇宙核裂变核聚变学案新人教版.docx

第6节核裂变第7节核聚变第8节粒子和宇宙1.知道重核的裂变产物和链式反应发生的条件2.知道核聚变，了解受控聚变反应3.会判断和书写核裂变、核聚变方程，能计算核反应释放的能量4.知道粒子的分类及其应用，了解夸克模型5.了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化一、核裂变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，其中一种典型的反应是UnBaKr3n3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，这种反应叫核裂变的链式反应4链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量二、核电站1核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，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：为了控制能量释放的速度，就要想办法调节中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子的特性，就可以容易地控制链式反应的速度2工作原理：核燃料裂变释放能量，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，用于发电4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，深埋地下三、核聚变与受控热核反应1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)举例：HHHen17.6 MeV(3)条件轻核的距离要达到1015 m以内需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应(4)应用：目前，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(5)太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.5107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部聚变释放的核能2受控热核反应(1)聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高第二：地球上聚变燃料的储量丰富第三：轻核聚变更为安全、清洁，控制温度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理(2)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(3)控制方法磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器惯性约束：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，在惯性约束下，用激光从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应四、粒子和宇宙1“基本粒子”不基本(1)直到19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是基本粒子(2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子组成的，并发现质子、中子等本身也有复杂结构2发现新粒子(1)新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了子，1947年发现了K介子和介子及以后的超子等(2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子3夸克模型：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，带电量为e或e.4宇宙的演化宇宙大爆炸温度为1032K，产生了夸克、轻子、胶子等粒子温度下降到1013K左右，强子时代温度下降到1011K时，轻子时代温度下降到109K时，核合成时代温度下降到104K，混合电离态温度下降到3 000 K时，中性的氢原子恒星和星系5恒星的演化：宇宙尘埃星云团恒星诞生氢核聚合成氦核氦核聚合成碳核其他聚变过程无聚变反应，形成白矮星或中子星或黑洞 判一判(1)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()(2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变()(3)核聚变时吸收能量()(4)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大()(5)夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单元()(6)恒星在辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡阶段停留时间最长()提示：(1)(2)(3)(4)(5)(6) 做一做(多选)如图是慢中子反应堆的示意图，对于核反应堆，下列说法中正确的是()A铀235容易吸收快中子发生裂变反应B快中子跟减速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，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D若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提示：选BC根据铀235的特点，它更容易吸收慢中子而发生裂变，A错误；在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量从而更易让铀235吸收引起裂变反应，B正确；链式反应的剧烈程度取决于裂变释放出的中子总数，镉控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反应的快慢，即插入的深，吸收的多，反应将变慢，反之将加快，C正确，D错误核裂变与核能的计算1常见的裂变方程(1)UnXeSr2n(2)UnBaKr3n2链式反应发生的条件(1)铀块的体积大于临界体积体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核(2)有足够浓度的铀235.(3)有足够数量的慢中子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标准煤完全燃烧释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温 命题视角1对重核裂变的理解关于重核的裂变，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，放出核能解析根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积如果体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会发生在裂变反应中核子数是不会减少的，如U裂变为Sr和Xe的核反应，其核反应方程为UnSrXe10n，其中各粒子质量分别为mU235.043 9 u，mn1.008 67 u，mSr89.907 7 u，mXe135.907 2 u，质量亏损为m(mUmn)(mSrmXe10mn)0.150 97 u.可见铀核裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此选项A、B、C均错答案D 命题视角2裂变中核能的计算现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是UnNdZr3n8e.(1)核反应方程中的是中微子，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，锆核质量为89.904 7 u；又知1 u1.660 61027 kg，试计算1 kg铀235大约能产生的能量是多少？思路点拨 关键是计算裂变前后的质量亏损解析(1)锆的电荷数Z9260840，质量数A23614690；核反应方程中应用符号Zr表示(2)1 kg铀235的铀核数为n6.0210232.561024个不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应发生的质量亏损为mmUmnmNdmZr3mn0.212 u因此1 kg铀235完全裂变产生的能量约为Enm931.5 MeV2.5610240.212931.5 MeV5.061026 MeV.答案(1)4090(2)5.061026 MeV【通关练习】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解析：选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，但铀块的质量无论怎样，只要组成铀块的体积小于临界体积，则不会发生链式反应，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，由此知A、B、D错误，C正确22011年3月11日，日本发生了9.0级地震后爆发海啸，导致福岛核电站核泄露，核安全问题引起世界关注福岛核电站属于轻水反应堆，即反应堆使用普通水作为减速剂，使快中子减速变成慢中子，便于被U俘获，发生可控制核裂变的链式反应(1)若铀核U俘获一个慢中子，发生核裂变后产生了Xe和Sr，试写出核裂变方程；(2)若快中子的减速过程可视为快中子与普通水中的H核发生对心正碰后减速，碰撞过程可简化为弹性碰撞假定碰撞前H核静止，快中子速度为v03.2107 m/s.求碰撞后中子的速度(已知中子质量mn为氢核质量mH的1.16倍)解析：(1)UnXeSr3n.(2)快中子与H核发生弹性对心正碰，由动量守恒定律得mnv00mnvnmHvH，由机械能守恒定律得：mnv0mnvmHv，代入数据解得：vn2.4106 m/s.答案：(1)UnXeSr3n(2)2.4106 m/s核聚变和核能的计算1聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离1015 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，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聚变方程HHHen17.6 MeV.4重核裂变与轻核聚变的区别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约要大34倍 命题视角1(多选)下列说法正确的是()A聚变反应中有质量亏损，所以必向外界放出能量B要使核发生聚变反应，必须使核之间的距离接近到11015 m，也就是接近到核力能够发生作用的范围内C要使核发生聚变反应，必须克服核力做功D热核反应只有在人工控制下才能发生解析由质能方程可知，选项A正确；轻核结合成质量较大的核，必须使轻核间的距离达到核力能发生作用的范围，才能使它们紧密地结合起来，选项B正确，C错误；热核反应必须在很高的温度下才能发生，不一定要人工控制，选项D错误答案AB 命题视角2聚变中核能的计算(2017高考全国卷乙)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电氘核聚变反应方程是：HHHen.已知H的质量为2.013 6 u, He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u，1 u931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为()A3.7 MeVB3.3 MeVC2.7 MeV D0.93 MeV解析氘核聚变反应的质量亏损为m22.013 6 u(3.015 0 u1.008 7 u)0.003 5 u，释放的核能为Emc20.003 5931 MeV/c2c23.3 MeV，选项B正确答案B(1)核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据(2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入Emc2进行计算 【通关练习】1关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是()A一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大C聚变反应中粒子的比结合能变小D聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加解析：选B在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，故C、D错误2两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)已知氘核质量mD2.013 6 u，氦核质量mHe3.015 0 u，中子质量mn1.008 7 u.(1)写出聚变方程并算出释放的核能；(已知质量亏损1 u释放的核能为931.5 MeV)(2)若反应前两氘核的动能均为EkD0.35 MeV.它们正面对撞发生聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？解析：(1)核反应方程为HHnHe.该反应质量亏损m2mDmHemn0.003 5 u.由质能方程得释放核能Em931.5 MeV0.003 5931.5 MeV3.26 MeV.(2)将两个氘核作为一个系统，由动量守恒有0mHevHemnvn，由于，则vHevn.又由能量守恒有mHevmnvE2EkD代入数据可得EkHe0.99 MeV，Ekn2.97 MeV.答案：(1)HHHen3.26 MeV(2)0.99 MeV2.97 MeV粒子的分类及夸克模型1粒子与反粒子：随着科学技术的发展，人们发现了更多的粒子，一方面“基本粒子”不基本，另一方面发现了反粒子粒子的质量、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，这类粒子叫做反粒子，例如正电子带正电荷，反质子带负电荷2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)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷(多选)已知介子、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；它们的带电荷量如下表所示(表中e为元电荷)：ud带电荷量eeeeee下列说法正确的是()A由u和组成B由d和组成C由u和组成 D由d和组成解析根据核反应中电荷数、质量数守恒可求得，电荷量为e，u电荷量为e，电荷量为e，则u和的总电荷量为e，故选项A正确，选项B错误；电荷量为e，d电荷量为e，电荷量为e，则d和的总电荷量为e，故选项D正确，选项C错误答案AD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强子都是带电的粒子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解析：选D由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A、B错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为e和，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误，D正确故正确答案为D随堂检测 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质子和中子等粒子C光子、中微子和电子等粒子D氦核、氚核、氦3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，并形成氦核的核时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，B、C、D的产生都在A之后，因此A正确2以下说法正确的是()A聚变是裂变的逆反应B如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量C聚变需将反应物加热至数百万度以上的高温，显然是吸收能量D裂变与聚变均可释放巨大的能量解析：选DA选项，从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应；B选项，既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量流向上也不必相反；C选项，要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万度的高温提供能量但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量；因此，总的来说，聚变反应还是释放能量，故D正确3一个U原子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UnXSr2n，则下列叙述正确的是()AX原子核中含有86个中子BX原子核中含有141个核子C因为裂变时释放能量，根据Emc2，所以裂变后的总质量数增加D因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少解析：选AX原子核中的核子数为(2351)(942)140(个)，B错误；中子数为140(9238)86(个)，A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D错误4(多选)(2017鞍山一中高二检测)下列关于聚变的说法中正确的是()A要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应C原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D自然界中不存在天然的热核反应 解析：选ABC轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到1015m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误5氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：HHHeX，式中X是某种粒子已知：H、H、He和粒子X的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u MeV，c是真空中的光速由上述反应方程和数据可知，粒子X是_，该反应释放出的能量为_ MeV(结果保留3位有效数字)解析：根据质量数和电荷数守恒可得X是n(中子)核反应中的质量亏损为m2.014 1 u3.016 1 u4.002 6 u1.008 7 u0.018 9 u所以该反应释放出的能量为Emc217.6 MeV.答案：n(或中子)17.6课时作业一、单项选择题1科学家发现在月球上含有丰富的He(氦3)它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为HeHe2HHe.关于He聚变，下列表述正确的是()A聚变反应不会释放能量B聚变反应产生了新的原子核C聚变反应没有质量亏损D目前核电站都采用He聚变反应发电解析：选B聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量但目前核电站都采用铀核的裂变反应，可控的轻核聚变尚在实验阶段2(2017汕头高二检测)U吸收一个慢中子后分裂成Kr和Ba，还放出()A1个粒子B3个中子C10个中子 D10个质子解析：选B根据质量数守恒、电荷数守恒可得还放出3个中子，B项正确3(2017南昌高二检测)中国承诺到2020年碳排放量下降40%45%.为了实现负责任大国的承诺，我国将新建核电站项目目前关于该电站获取核能的基本核反应方程可能是()AUnSrXe10nBNaMgeCNHeOHDUThHe解析：选A重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；B为衰变，C是发现质子的反应，D是衰变4(2017重庆南开中学高二检测)1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏加德罗常数)()ANA196 MeV B235NA196 MeVC235196 MeV D196 MeV解析：选D由于1 mol的铀核质量为235 g，1 g铀235的物质的量为 mol，因此1 g铀235释放的核能E196 MeV，选项D正确5目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成u夸克带电荷量为e，d夸克的带电荷量为e，e为元电荷下列论断中可能正确的是()A质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成B质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成C质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成D质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成解析：选B质子H带电荷量为2ee，中子n带电荷量为e20.可见B正确6正电子是电子的反粒子，它跟普通电子的电量相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质反物质.1997年初和年底，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布：他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步你推测反氢原子的结构是()A由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成B由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成C由一个不带电的中子与一个带负电荷的电子构成D由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成解析：选B反氢原子的结构应该是反质子与反电子组成，即一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成二、多项选择题7下列说法中正确的是()A目前还未发现媒介子、轻子和夸克三类粒子的内部结构B自然界存在的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律，对基本粒子不适用C反粒子与其对应的正粒子相遇时，会发生湮灭现象D强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子解析：选ACD媒介子、轻子和夸克在现代实验中还没有发现其内部结构，故A正确；自然界三大守恒定律是普遍适用的基本规律，选项B错误；反粒子与其对应的正粒子带等量异种电荷，反粒子与其对应的正粒子相遇时会发生湮灭现象，故C正确；质子是最早发现的强子，故D正确8我国科技工作者分别在1964年、1967年成功爆炸了我国第一颗原子弹和氢弹下列核反应方程中可表示两弹的爆炸原理的是()ANHeOHBUnSrXe7nCUThHeDHHHen解析：选BD原子弹是利用核裂变反应，而氢弹是利用核聚变反应，故B项对应原子弹的爆炸原理，D项对应氢弹的爆炸原理；A项为人工核转变，C项为核衰变反应，不符合要求，故本题应选B、D9据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试下列关于“人造太阳”的说法正确的是()A“人造太阳”的核反应方程是HHHenB“人造太阳”的核反应方程是UnBaKr3nC“人造太阳”释放的能量大小的计算式是Emc2D“人造太阳”核能大小的计算公式是Emc2解析：选AC释放的能量大小用爱因斯坦质能方程Emc2计算，有的考生不能区分裂变和聚变，得出错误的答案B10核反应堆是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能.UnBaKraX是反应堆中发生的许多核反应