2019-2020学年高中物理 第四章 原子核 第六节 核能利用 第七节 小粒子与大宇宙学案 粤教版选修3-5

第六节 核能利用 第七节 小粒子与大宇宙1.知道什么是反应堆，了解反应堆的工作原理2.知道什么是核电站，了解我国核电站的发展3了解物质世界的时间跨度和空间跨度一、反应堆1受控热核反应是人类对核聚变能量的利用2核反应堆的建造是人类对核裂变能量的利用3核反应堆是人工控制链式反应的装置核反应堆用天然铀或浓缩铀制成铀棒作为核燃料；用石墨、重水作为减速剂使中子减速；为调节中子数以控制反应速度需用镉棒作为控制棒；为控制反应堆的温度，需要用水、液体金属钠等流体作为冷却剂在反应堆内外循环流动，不断带走热能，同时可以用来输出热能加以利用；在反应堆外面修建很厚的水泥防护层来屏蔽射线，将放射性废料装入特制的容器，埋入地层深处来处理(1)在核反应中，中子的速度越大越容易击中铀核()(2)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度()(3)核反应堆用过的核废料无毒无害()提示：(1)(2)(3)二、核电站核能利用1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2核能利用：发电，制造核动力潜艇、核动力破冰船、核动力航空母舰，进行原子核物理实验，制造各种放射性同位素三、从小粒子到大宇宙空间跨度人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从1015 m到1027 m，共跨越了大约42个数量级四、从粒子寿命到宇宙年龄时间跨度物质世界的时间尺度，约从1025 s到1018 s，共跨越了将近43个数量级核电站1核电站是使原子核的链式反应在人工控制下进行，使释放的核能转化为内能，再由蒸汽轮机带动发电机转化为电能，使核能为人类和平建设服务2核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是浓缩铀235，它的主要部件列表如下：慢化剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨、重水或普通水(也叫轻水)镉水或液态钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染3核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少，一座百万千瓦的核电站，一年只消耗浓缩铀30 t左右，而同样功率的火电站每年要消耗250万吨优质煤(2)对环境的污染要比火力发电小铀核裂变有多种形式，其中一种的核反应方程是unbakr3n.(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量(u、ba、kr、n的质量分别为235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u，1 u相当于931 mev)(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？它相当于燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94107 j/kg)(3)一座发电能力为p1.00106 kw的核电站，核能转化为电能的效率为40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，所用铀矿石中铀235的含量为4%，则该核电站一年消耗铀矿石多少吨？思路点拨 (1)计算释放的核能相当于燃烧多少煤，或需要多少铀时，先计算出一个铀核裂变放出的能量e，e乘以原子核数为放出的总能量e，再由e计算煤或铀的质量(2)原子核数nna.解析(1)裂变反应的质量亏损为m(235.043 91.008 7140.913 991.897 331.008 7) u0.215 3 u一个铀235原子核裂变后释放的能量为e0.215 3931 mev200.4 mev.(2)1 kg铀235中含原子核的个数为nna6.0210232.561024个则1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量enne2.561024200.4 mev5.131026 mev设q为煤的热值，m为煤的质量，有enqm所以m kg2 791.8 t.(3)核电站一年的发电量ept，需要的核能为设所用铀矿石质量为m，则铀235的含量为0.04m，对应的原子核数因nae则mg2.4107 g24 t.答案(1)200.4 mev(2)5.131026 mev2 791.8 t(3)24 t核能的利用与环境保护1核原料提供的能量巨大，1 kg铀全部释放的能量大约相当于2 700 t标准煤燃烧放出的能量地球上的一般常规能源都无法跟核能相比除铀外，钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富，如果能把钍利用起来，核电的发展前景将更为广阔热核反应所需的氘如前所述更是储量丰富核原料的运输和储存方便，如：一座100万千瓦核电站一年所需原料铀，只需6辆卡车就可全部运到现场核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护2核电站为防止放射性物质的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物，外面密封锆合金包壳，第三道是压力边界，第四道是安全壳这些措施大大提高了核能利用的安全性对核废料先回收利用，剩下的废料就很少了，将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后，储存在地下浅层废料库，对高放射性的废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性(多选)日本东海岸曾发生9.0级地震，地震引发的海啸摧毁了日本福岛第一核电站的冷却系统，最终导致福岛第一核电站的6座核反应堆不同程度损坏，向空气中泄漏大量碘131、铯137、钡等放射性物质，这些放射性物质随大气环流飘散到许多国家有效防治核污染，合理、安全利用核能成为当今世界关注的焦点和热点下列说法中正确的是()a福岛第一核电站是利用原子核衰变时释放的核能来发电b铯、碘、钡等衰变时释放能量，故会发生质量亏损c铯137进行衰变时，往往同时释放出射线，射线具有很强的穿透能力，甚至能穿透几厘米厚的铅板d铯137进入人体后主要损害人的造血系统和神经系统，其半衰期是30.17年，如果将铯137的温度降低到0度以下，可以延缓其衰变速度解析核电站是利用重核裂变释放的能量来发电的，而不是靠衰变，a错误释放能量就一定有质量亏损，b正确衰变往往同时释放出射线，射线具有很强的穿透能力，能穿过几厘米厚的铅板，c正确放射性元素的半衰期由其本身决定，与周围环境无关，d错误答案bc有关核反应的综合问题某一年， 7颗人造卫星同时接收到来自远方的中子星发射的光子，经分析确认，1个负电子和1个正电子湮灭时放出2个频率相同的光子已知负电子、正电子的静止质量m09.11031 kg，又已知静止质量为m0的粒子，其能量e和湮灭前的动量p满足关系e2c2p2mc4.式中c为光速，若负电子、正电子的动量为零，则：(1)写出湮灭的核反应方程式(2)用动量的有关知识说明上述核反应不可能只放出一个光子(3)计算出光子的频率解析(1)核反应方程式为ee2.(2)若只放出一个光子，说明反应后总动量不为零，而反应前总动量为零，违反动量守恒定律，所以只放出一个光子是不可能的(3)正、负电子湮灭前的动量为零，即c2p2项为零，可知其对应的能量为em0c2，光子的能量满足eh，由能量守恒有：m0c2m0c22h，即得频率为 hz1.241020 hz.答案(1)ee2(2)见解析(3)1.241020 hz本题中需明确光子、电子等微观粒子均有动量和能量，且动量守恒定律、能量守恒定律在核反应中同样适用 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氢核、氚核、氦核等轻核解析：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镉棒在核反应堆中所起的作用是()a使快中子变成慢中子b使慢中子变成快中子c使反应速度加快d控制反应速度，调节反应速度的快慢解析：选d.在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用镉棒又叫控制棒，起吸收中子、控制反应速度、调节功率大小的作用，故d正确3秦山核电站第三期工程中有两个6105kw发电机组已实现并网发电发电站的核能来源于u的裂变，下列说法正确的是()a反应堆中核反应速度通常是采用调节u的体积来控制的bu的一种可能裂变为unxesr2ncu是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短d虽然核电站能提供很大的能量，但它对环境的污染比火电站严重解析：选b.反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制，a错；u裂变有多种可能性，这是其中常见的一种，b对；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温度、压强等外界条件无关，c错；核电站的核能是清洁能源，污染少，d错4(多选)如图所示，国际原子能机构2007年2月15日公布核辐射警示新标志，新标志为黑框红底三角，内有一个辐射波标记、一个骷髅头标记和一个逃跑的人形核辐射会向外释放三种射线：射线带正电，射线带负电，射线不带电现有甲、乙两个原子核原来都静止在同一匀强磁场中，其中一个核放出一个粒子，另一个核放出一个粒子，得出如图所示的四条径迹，则()a磁场的方向一定垂直于纸面向里b甲核放出的是粒子，乙核放出的是粒子ca为粒子的径迹，d为粒子的径迹db为粒子的径迹，c为粒子的径迹解析：选bd.由于不知道它们的旋转方向，因而无法判断磁场是向里还是向外，a错；衰变过程中满足动量守恒，释放粒子与新核的动量大小相等、方向相反，根据带电粒子在磁场中的运动不难分析：若轨迹为外切圆，则为衰变；若轨迹为内切圆，则为衰变又因为r知半径与电荷量成反比，可知答案为b、d项5每昼夜消耗220 g铀235的原子能发电站，如果效率为25%，它能产生的电功率为多大？(每个铀核裂变时放出的能量是200 mev)解析：一昼夜消耗的铀所产生的核能e2006.0210231061.61019 j1.801013 j电功率p w5.2107 w.答案：5.2107 w课时作业一、单项选择题1核电站泄漏的污染物中含有碘131和铯137.碘131的半衰期约为8天，会释放射线；铯137是铯133的同位素，半衰期约为30年，发生衰变时会辐射射线下列说法正确的是()a碘131释放的射线由氦核组成b铯137衰变时辐射出的光子能量小于可见光光子能量c与铯137相比，碘131衰变更慢d铯133和铯137含有相同的质子数解析：选d.射线是由原子核内一个中子变成一个质子而放出的电子构成，选项a错误；光子的频率高于可见光的频率，由光子能量eh知选项b错误；由于铯137的半衰期比碘131的半衰期长，所以碘131比铯137衰变更快，选项c错误；同位素具有相同质子数和不同中子数，选项d正确2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.现在的核电站用的是裂变反应获取能量，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3原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要有四部分组成，分别是()a原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统b原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统c原子燃料、调速剂、碰撞系统和控制调节系统d原子燃料、减速剂、原子能聚存系统和输送系统解析：选a.目前核反应堆组成有：核燃料、减速剂、控制调节系统与冷却系统4据央视报道，中科院等离子体物理研究所经过八年的艰苦努力，终于率先建成了世界上第一个全超导的托卡马克装置并调试成功，这种装置被称为“人造太阳”，它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续地输出能量，就像太阳一样为人类提供无限清洁的能源在下列核反应方程中有可能是该装置内部所进行的核反应的是()anheohbhhhencuthhedunbakr3n解析：选b.a项是发现质子的核反应方程，c项是铀238的衰变方程，d项是铀235的裂变方程，b项正确5正电子、负质子等都属于反粒子，它们跟普通电子、质子的质量、电量均相等，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年年初和年底，欧洲和美国的科研机构先后宣布：他们分别制造出了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.由题目中所给的信息知，物质与反物质的质量相同，电荷量相同，而电性相反，所以选b.6雷蒙德戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(e)而获得了2002年度诺贝尔物理学奖他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615 t四氯乙烯(c2cl4)溶液的巨桶中微子可以将一个氯核转变为一个氩核和一个电子，其核反应方程式为eclare.已知cl核的质量为36.956 58 u，ar核的质量为36.956 91 u，e的质量为0.000 55 u，1 u质量对应的能量为931.5 mev.根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为()a0.82 mevb0.31 mevc1.33 mev d0.51 mev解析：选a.核反应过程中，反应前的能量应大于或等于反应后的能量，质量关系为memclmarme，得me0.000 88 u.则电子中微子的最小能量应为0.000 88931.5 mev0.82 mev，故a正确二、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，两者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关于热核反应是一种理想能源的原因，下列说法正确的是()a就每一个核子平均来说，比重核裂变时释放的能量多b对环境的放射性污染较裂变轻，且较容易处理c热核反应的原料在地球上储量丰富d热核反应的速度容易控制解析：选abc.受控热核反应的实际应用的技术尚不成熟，它的反应速度是不易控制的9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中的一种，x是某种粒子，a是x粒子的个数，用mu、mba、mkr分别表示u、ba、kr核的质量，mx表示x粒子的质量，c为真空中的光速，以下说法正确的是()ax为中子，a2bx为中子，a3c上述核反应中放出的核能e(mumbamkr2mx)c2d上述核反应中放出的核能e(mumbamkr3mx)c2解析：选bc.核反应中，质量数守恒，电荷数守恒，则知unbakrax中x为n，a3，则a错，b对；由emc2可得：e(mumxmbamkr3mx)c2(mumbamkr2mx)c2，则c对，d错10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，它们的带电量如下表所示，表中e为元电荷ud 带电量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：选ad.根据电荷量关系可知，由于介子带有e的电荷量，又由于介子是由一个夸克和一个反夸克组成，根据题意可知介子(e)应由一个夸克u 和一个反夸克 组成，a正确；同理介子由夸克d和反夸克组成，d正确三、非选择题11日本发生地震并引发海啸导致福岛核电站发生了核泄漏，对附近的环境造成了很大的危害核泄漏直接导致严重的环境污染，产生的射线具有非常大的危害性，能够使动植物体内的细胞发生癌变，致使生物死亡根据以上材料回答以下问题：