高中物理 19.6 核裂变 19.7 核聚变 19.8 粒子和宇宙课件 新人教版选修35.ppt

6核裂变7核聚变8粒子和宇宙 第十九章原子核 学习目标 知识探究 典例精析 达标检测 1 知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件 2 掌握核聚变的定义及发生条件 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 一 核裂变和链式反应 1 铀核裂变是如何发生的 知识探究 导学探究 答案 答案铀核的裂变 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 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 同时放出中子 这些中子又引起其他铀核裂变 这样 裂变反应一代接一代继续下去 形成链式反应 2 铀核裂变在自然界中能自发进行吗 答案 答案重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中 在自然界中不会自发地发生 铀核裂变不会自发地进行 要使铀核裂变 首先要利用中子轰击铀核 使铀核分裂 分裂产生更多的中子 这些中子继续与其他铀核发生反应 再引起新的裂变 这样就形成了链式反应 对核裂变和链式反应的理解 1 核裂变重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的 并放出的过程 2 铀核裂变用轰击铀核时 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 知识梳理 答案 核能 新原子核 中子 3 链式反应由重核裂变产生的使裂变反应一代接一代继续下去的过程 叫做核裂变的链式反应 4 链式反应的条件 铀块的体积或等于临界体积或铀块的质量或等于临界质量 有足够数量的中子 答案 中子 大于 大于 慢 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的质量无关 即学即用 解析答案 解析要使铀核裂变产生链式反应 铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量 只要组成铀块的体积小于临界体积或质量小于临界质量就不会产生链式反应 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 若超过临界体积时则发生链式反应 由此知a b d错误 c正确 答案c 核反应堆的结构及核电站的认识 1 核电站是利用核能发电 它的核心设施是 它主要由以下几部分组成 燃料 慢化剂 铀235容易捕获慢中子发生反应 采用 重水或普通水作慢化剂 控制棒 采用在反应堆中插入镉棒的方法 利用镉的能力很强的特性 控制链式反应的速度 知识梳理 答案 二 核电站 反应堆 铀棒 石墨 吸收中子 2 工作原理核燃料释放能量 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 把反应堆内的热量传输出去 用于发电 同时也使反应堆冷却 4 核污染的处理在反应堆的外面需要修建很厚的 用来屏蔽裂变产物放出的各种射线 核废料具有很强的 需要装入特制的容器 答案 裂变 循环流动 水泥层 放射性 深埋地下 即学即用 核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置 它的主要组成部分是 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 调速剂 碰撞系统和热系统d 原子燃料 中子源 原子能聚存和输送系统 a 解析答案 解析核反应堆的主要部分包括 燃料 即浓缩铀235 慢化剂 采用石墨 重水或普通水 控制棒 控制链式反应的速度 冷却系统 水或液态钠等流体在反应堆内外循环流动 把反应堆的热量传输出去用于发电 故a正确 b c d错 1 为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温 导学探究 答案 三 核聚变 答案轻核的聚变反应 是较轻的核子聚合成较重的核子 要使得核子的强相互作用发挥作用 必须使核子间接近到发生相互作用的距离 约为10 15m 同时由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大 因而需要核子有很大的动能 表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度 2 目前人们实现的核聚变是什么 实现热核反应存在的困难是什么 如何实现对热核反应的控制 答案 答案 目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸 是由普通炸药引爆原子弹 再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核反应 但这是不可控制的 实现热核反应存在的困难是 地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温 可能实现对热核反应的控制方法 磁约束 利用磁场来约束参与反应的物质 环流器是目前性能最好的一种磁约束装置 惯性约束 利用强激光从各个方向照射参加反应的物质 使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应 对核聚变的认识 1 聚变两个轻核结合成质量较大的核 释放出核能的反应 称为核聚变 聚变反应又称为热核反应 2 聚变方程 知识梳理 3 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m 这要克服电荷间强大的库仑力作用 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 有一种方法就是给它们 使物质达到几百万开尔文以上的高温 答案 10 15 加热 即学即用 多选 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开尔文的高温 因此聚变又叫做热核反应c 原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温 所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应d 太阳和许多恒星内部都在进行着剧烈的热核反应 在地球内部也可自发地进行 解析答案 解析轻核聚变时 要使轻核之间距离达到10 15m 故必须克服库仑斥力做功 a正确 要克服核子间作用力做功 必须使反应的原子核有足够大的动能 方法就是将其加热到几百万开尔文的高温 b正确 热核反应必须在几百万开尔文的高温下进行 这样高的温度可利用原子弹爆炸释放的能量获得 c正确 在太阳和许多恒星内部都存在热核反应 但在地球内部不会自发地进行 d错 答案abc 强子和夸克的关系是怎样的 夸克分多少种 它的带电性是怎样的 什么是夸克的 禁闭 导学探究 答案 四 粒子和宇宙 答案夸克是强子的基本组成成分 夸克有6种 上夸克 下夸克 奇异夸克 粲夸克 底夸克 顶夸克 它们带的电荷分别为元电荷为 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的性质 叫夸克的 禁闭 对粒子和宇宙的理解 1 基本粒子 不基本 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 后来人们发现了光子 电子 并把它们叫做 基本粒子 随着科学的发展 科学们发现了很多的新粒子并不是由以上组成的 并发现 等本身也有复杂结构 知识梳理 答案 质子 中子 基本粒子 质子 中子 2 发现新粒子 新粒子 1932年发现了 1937年发现了 1947年发现了k介子和 介子及以后的超子等 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 和 3 夸克模型的提出1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型 认为强子是由构成的 答案 正电子 子 强子 轻子 媒介子 夸克 即学即用 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的 u夸克带电荷量为e d夸克的带电荷量为e e为元电荷 下列说法中可能正确的是 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 返回 解析答案 解析 答案b 返回 例1关于重核的裂变 下列说法正确的是 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的能量 产生明显的质量亏损 所以核子数减少d 重核裂变为中等质量的核时 要发生质量亏损 放出核能 一 重核裂变的理解及核能的计算 典例精析 解析答案 归纳总结 解析核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损 是核能转化为其他形式能的过程 其能量远大于俘获中子时吸收的能量 a错误 d正确 发生链式反应是有条件的 铀块的体积必须大于或等于临界体积 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 重核裂变时 核子数守恒 c错误 答案d 归纳总结 归纳总结 重核裂变的实质 1 重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核 使之分裂成中等质量的原子核 同时释放大量的能量 放出更多中子的过程 2 重核的裂变是放能核反应 原因是核反应前后质量有亏损 根本原因是重核的比结合能比中等质量的核的比结合能要小 所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量 但核子数守恒 而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量 例2用中子轰击铀核 其中的一个可能反应是分裂成钡 和氪 两部分 放出3个中子 各个核和中子的质量如下 mu 390 3139 10 27kg mn 1 6749 10 27kg mba 234 0016 10 27kg mkr 152 6047 10 27kg 试写出核反应方程 求出反应中释放的核能 解析答案 总结提升 解析根据反应前后质量数守恒 电荷数守恒和反应中的能量守恒 就可以写出核反应方程 根据核反应前后的质量亏损 用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能 铀核裂变方程为 则核反应前后的质量亏损为 m mu mn mba mkr 3mn 3 578 10 28kg 由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为 e mc2 3 578 10 28 3 108 2j 3 2202 10 11j 答案3 2202 10 11j 总结提升 总结提升 铀核裂变释放核能的计算 1 首先算出裂变反应中的质量亏损 m 2 根据 e mc2计算释放的核能计算时要注意 m与 e单位的对应关系 若 m用kg做单位 则 e用j做单位 若 m用u做单位 则 e用mev做单位 1u相当于931 5mev的能量 3 若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能 应先算出铀块中有多少个铀核 设为n 则铀块裂变释放的核能e n e 二 轻核聚变的理解及核能的计算 例3 多选 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b 人造太阳 的核反应方程是c 根据公式e mc2可知 核燃料的质量相同时 聚变反应释放的能量比裂变反应大得多d 根据公式e mc2可知 核燃料的质量相同时 聚变反应释放的能量与裂变反应相同 解析答案 解析是氢核聚变方程 故a项正确 根据氢核聚变特点 相同质量的核燃料 氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多 故选项c正确 答案ac 例4太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应 这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源 计算结果在小数点后保留两位小数 1u相当于931 5mev的能量 1 写出这个核反应方程 解析答案 解析由题意可得核反应方程为 答案 2 这一核反应能释放多少能量 解析答案 解析反应前的质量m1 4mh 4 1 0073u 4 0292u 反应后的质量m2 mhe 2me 4 0015u 2 0 00055u 4 0026u m m1 m2 0 0266u 由质能方程得 释放能量 e mc2 0 0266 931 5mev 24 78mev 答案24 78mev 3 已知太阳每秒释放的能量为3 8 1026j 则太阳每秒减少的质量为多少千克 已知质子质量为mh 1 0073u 氦核质量为mhe 4 0015u 正电子质量为me 0 00055u 解析答案 解析由质能方程 e mc2得太阳每秒减少的质量 答案4 22 109kg 总结提升 返回 总结提升 重核裂变与轻核聚变的区别 总结提升 返回 返回 1 一个原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应的裂变方程为 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 因为裂变时释放能量 根据e mc2 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 达标检测 1 2 3 解析答案 4 解析x原子核中的核子数为 235 1 94 2 140个 b错误 中子数为140 92 38 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 答案a 1 2 3 4 2 一个铀235吸收一个中子后发生的一种核反应方程是 放出的能量为e 铀235核的质量为m 中子的质量为m 氙136核的质量为m1 锶90核的质量为m2 真空中光速为c 则释放的能量e等于 a m m1 m2 c2b m m m1 m2 c2c m m1 m2 9m c2d m1 m2 9m m c2 解析答案 c 解析铀235裂变时的质量亏损 m m m m1 m2 10m m m1 m2 9m 由质能方程可得e mc2 m 9m m1 m2 c2 1 2 3 4 3 某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论 其中的两个核反应方程为h c n q1 h n c x q2 方程中q1 q2表示释放的能量 相关的原子核质量见下表 1 2 3 4 解析答案 b 解析由核反应过程必须遵守质量数守恒和电荷数守恒知x是 放出热量分别为q1和q2的两个核反应中质量亏损分别为0 0021u和0 0053u 故q2 q1 1 2 3 4 4 一个氘核 和一个氚核 结合成一个氦核 同时放出一个中子 已知氘核质量为m1 2 0141u 氚核质