新教材适用2024-2025学年高中物理第5章原子核4.核裂变与核聚变5.“基本”粒子学案新人教版选择性必修第三册

4.核裂变与核聚变5.“基本”粒子课程标准1．知道核裂变反应及链式反应的条件。2．知道裂变反应堆的工作原理，知道核电站的工作流程。3．了解聚变反应及条件。会推断和填写核聚变方程，并能计算聚变释放的能量。4．初步了解粒子物理学的基础学问及粒子的分类。素养目标1．知道什么是裂变、聚变和链式反应，知道链式反应和聚变的条件。2．会书写裂变和聚变方程，会利用质量亏损计算裂变和聚变产生的核能。3．了解核反应堆的工作原理，知道如何限制核反应的速度。4．了解粒子的发觉史。5．知道粒子的分类及特点，了解夸克模型。学问点1核裂变的发觉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eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋_3eq\o\al(1,0)n__。3．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，且能不断接着下去，这种由重核裂变产生的中子使_核裂变__反应一代一代接着下去的过程，叫作核裂变的_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__。『判一判』(1)只要铀块的体积大于临界体积，就可以发生链式反应。(×)(2)重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小。(×)『选一选』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(C)A．重要因素是铀块的质量，与体积无关B．为了使裂变的链式反应简洁发生，最好干脆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：要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必需大于临界体积或铀块的质量大于临界质量，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，这些快中子不能干脆引发新的裂变。假如铀块的质量大，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。学问点2反应堆与核电站1．核能释放的限制：通过可限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，在铀棒四周要放“慢化剂”，常用的慢化剂有_石墨__、_重水__和_一般水__(也叫轻水)。3．限制棒：为了限制反应速度，还须要在铀棒之间插进一些镉棒，它汲取_中子__的实力很强，反应过于激烈时，可将其插入_深__一些，多汲取一些_中子__，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作_限制棒__。4．能量输出：核燃料_裂变__释放的能量使反应区温度上升，水或液态的金属钠等流体在反应堆外_循环流淌__，把反应堆内的_热量__传输出去，用于_发电__。说明：核裂变是可以限制的，如核电站的建立和应用。『判一判』(3)核反应堆是通过调整中子数目以限制反应速度。(√)『选一选』关于重核的裂变，以下说法正确的是(D)A．核裂变释放的能量等于重核俘获中子时得到的能量B．中子从铀块中通过时，肯定发生链式反应C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要削减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：依据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时重核俘获中子，核能转化为其他形式的能，释放的能量远大于重核俘获中子时汲取的能量。发生链式反应时铀块的体积必需大于临界体积。假如体积小，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削减的，如eq\o\al(235,92)U裂变为eq\o\al(90,38)Sr和eq\o\al(136,54)Xe的核反应，其核反应方程为eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(136,54)Xe＋10eq\o\al(1,0)n，其中各粒子质量分别为mU＝235.0439u，mn＝1.00867u，mSr＝89.9077u，mXe＝135.9072u质量亏损为Δm＝(mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn)＝0.15097u，可见铀核裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会削减的，因此选项A、B、C错误，D正确。学问点3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：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→_eq\o\al(4,2)He__＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV。3．条件：(1)轻核的距离要达到_10－15__m__以内。(2)须要加热到很高的_温度__，因此又叫_热核反应__。4．优点：(1)轻核聚变_产能效率高__。(2)地球上_聚变燃料__的储量丰富。(3)轻核聚变更为_平安、清洁__。5．约束方法有_磁约束__和惯性约束。『判一判』(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)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。(√)(6)质子、中子不能再分。(×)(7)太阳目前正处于氢通过热核反应成为氦，以电磁波的形式向外辐射核能。(√)『想一想』万物生长靠太阳(如图)，太阳在我们日常生活中是不行替代的，它供应应地球足够的能源，假如说太阳一旦没有了，那么地球上的一切生物都将随之消逝。你知道太阳的能量来源吗？答案：来源于太阳内部的核聚变反应。学问点4粒子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，科学家们发觉了很多的新粒子并不是由以上_基本粒子__组成的，并发觉_质子、中子__等本身也有困难结构。2．发觉新粒子(1)新粒子：1932年发觉了_正电子__,1937年发觉了_μ子__，1947年发觉了_K介子__和_π介子__及以后的超子等。(2)粒子的分类：大体可分为_强子__、_轻子__、规范玻色子和希格斯玻色子几种类型。(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_夸克__构成的。说明：反粒子最显著的特点是当它们与相应的正粒子相遇时，会发生“湮灭”，即同时消逝而转化成其他的粒子。探究重核的裂变及链式反应要点提炼1．铀核的裂变(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式。(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力快速减弱，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2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样裂变就会不断进行下去，释放出越来越多的核能。(3)常见的裂变方程：①eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n。②eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n。2．链式反应的条件(1)要有足够浓度的235U。(2)要有足够数量的慢中子。(3)铀块的体积要大于临界体积。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假如按200MeV估算，1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t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。典例剖析典例1eq\o\al(235,92)U俘获一个慢中子后，分裂成eq\o\al(136,54)Xe和eq\o\al(90,38)Sr，还放出(C)A．1个α粒子 B．3个中子C．10个中子 D．10个质子解析：设放出的粒子质量数为x，电荷数为y，核反应过程满意质量数守恒和电荷数守恒。由题意可得eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(235＋1＝136＋90＋x,92＝54＋38＋y))，解得eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(x＝10,y＝0))由此推断该核反应放出的肯定是中子，且个数是10。对点训练❶(2024·山东烟台第一中学高三上联考)秦山核电站是我国自行设计、建立和运营管理的第一座30万千瓦压水堆核电站。在一次核反应中一个中子轰击eq\o\al(235,92)U生成eq\o\al(136,54)Xe、eq\o\al(90,38)Sr和若干个中子，已知eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(136,54)Xe、eq\o\al(90,38)Sr的比结合能分别为7.6MeV、8.4MeV、8.7MeV，则(C)A．该核反应方程为eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋9eq\o\al(1,0)nB．要发生该核反应须要汲取能量C．eq\o\al(90,38)Sr比eq\o\al(136,54)Xe更稳定D．该核反应中质量增加解析：该核反应方程为eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n，选项A错误；发生该核反应要放出能量，选项B错误；eq\o\al(90,38)Sr比eq\o\al(136,54)Xe的比结合能大，则eq\o\al(90,38)Sr比eq\o\al(136,54)Xe更稳定，选项C正确；该核反应中放出能量，则有质量亏损，质量减小，选项D错误。探究核电站要点提炼1．核电站的主要组成核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件列表如下：部件名称慢化剂限制棒热循环介质爱护层采纳的材料石墨、重水或一般水(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汲取汲取中子，限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2．反应堆工作原理(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由自然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，石墨、重水或一般水为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的汲取，发生裂变，慢化剂附在铀棒四周。反应堆示意图(2)限制棒：镉棒的作用是汲取中子，限制反应速度，所以也叫限制棒。限制棒插入深一些，汲取中子多，反应速度变慢，插入浅一些，汲取中子少，反应速度加快，采纳电子仪器自动调整限制棒插入深度，就能限制核反应的猛烈程度。(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淌，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，会产生一些有危急的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。3．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。典例剖析典例2(多选)如图是慢中子反应堆的示意图，对核反应堆的下列说法中正确的是(BC)A．铀235简洁汲取快中子发生裂变反应B．快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量削减，变成慢中子，慢中子简洁被铀235俘获而引起裂变反应C．限制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使限制棒插入深一些，让它多汲取一些中子，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，应使限制棒插入深一些，使大量快中子碰撞限制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些解题指导：深化理解核反应堆的工作原理，是处理该类问题的关键。解析：依据铀235的特点，它更简洁汲取慢中子而发生裂变，A错误；在反应堆中慢化剂的作用就是削减快中子能量从而更易让铀235汲取裂变，B正确；链式反应的猛烈程度取决于裂变释放出的中子总数，镉限制棒可以汲取中子，因而可以限制核反应的快慢，即插入的深，汲取的多，反应将变慢，反之将加快，C正确，D错误。对点训练❷某反应堆功率是P＝1×104kW，用的核燃料是含5%铀235的浓缩铀，已知每个铀核裂变时释放的能量为200MeV，则这个反应堆一昼夜要消耗多少克核燃料？答案：210.8g解析：反应堆一天发出的电能E1＝Pt＝1×107W×24×3600s＝8.64×1011J设每天消耗eq\o\al(235,92)U的质量为m核裂变释放的能量E2＝eq\f(m,M)NA×200×106×1.6×10－19J＝eq\f(m,235g)×6.02×1023×200×106×1.6×10－19JE1＝E2联立解得m＝10.54g则这个反应堆一昼夜要消耗核燃料的质量m消耗＝20m＝10.54g×20＝210.8g。探究氢核的聚变要点提炼1．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。2．聚变发生的条件要使轻核聚变，就必需使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，但是原子核是带正电的，要使它们接近10－15m就必需克服很大的库仑斥力作用，这就要求原子核应具有足够的动能。方法是给原子核加热，使其达到几百万度的高温。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，就不再须要外界给它能量，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：一种不须要人工限制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。(2)可控热核反应：目前处于探究阶段。典例剖析典例3中国核工业集团新一代可控核聚变探讨装置“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始终保持着领先。关于核聚变反应，下列说法正确的是(B)A．核聚变反应原理简洁，比裂变反应简洁实现B．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加C．太阳目前正在进行的核反应既有聚变反应，也有裂变反应D．核聚变反应的核反应方程可能是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋2eq\o\al(1,0)n解析：核聚变反应原理简洁，但须要极高的温度，所以比裂变反应更难实现，选项A错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减小，比结合能增加，选项B正确；太阳目前正在进行的核反应是聚变反应，选项C错误；依据核反应中质量数守恒和电荷数守恒可知，D项中的核反应方程不正确，正确的可能为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n。对点训练❸关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是(B)A．一次聚变反应肯定比一次裂变反应释放的能量多B．聚变反应每个核子释放的平均能量肯定比裂变反应多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，故反应后质量增大解析：在一次聚变反应中释放的能量不肯定比一次裂变反应多，但平均每个核子释放的平均能量肯定比裂变反应多，故A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大的能量，则比结合能肯定增加，质量发生亏损，C、D错误。探究粒子的分类及夸克模型要点提炼1．新粒子的发觉及特点发觉时间1932年1937年1947年20世纪60年头后新粒子反粒子μ子K介子与π介子超子基本特点质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反比质子的质量小质量介于电子与核子之间其质量比质子大2．夸克模型(1)夸克的提出：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的。(2)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)。(3)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－eq\f(1,3)或＋eq\f(2,3)。例如，上夸克带的电荷量为＋eq\f(2e,3)，下夸克带的电荷量为－eq\f(e,3)。(4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。典例剖析典例4某中微子观测站揭示了中微子失踪的缘由，即观测到的中微子数目比理论上的少是因为部分中微子在运动过程中转化为一个μ子和一个τ子。关于上述探讨有以下说法，正确的是(C)A．若发觉μ子和中微子运动方向一样，则τ子运动方向与中微子运动方向肯定相反B．若发觉μ子和中微子运动方向一样，则τ子运动方向与中微子运动方向肯定相同C．若发觉μ子和中微子运动方向相反，则τ子运动方向与中微子运动方向肯定相同D．若发觉μ子和中微子运动方向相反，则τ子运动方向与中微子运动方向肯定相反解析：中微子转化为一个μ子和一个τ子的过程中动量守恒，设中微子运动方向为正方向，有m中v中＝mμvμ＋mτvτ，若μ子和中微子运动方向一样，则m中v中－mμvμ＝mτvτ，由v中大于0，vμ大于0可知，vτ也可能小于0，即τ子运动方向与中微子运动方向可能相同，也可能相反，A、B错误；若μ子和中微子运动方向相反，则m中v中－mμvμ＝mτvτ，由v中大于0，vμ小于0可知，vτ肯定大于0，则τ子运动方向与中微子运动方向肯定相同，C正确，D错误。对点训练❹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＋eq\f(2,3)e，d夸克带电荷量为－eq\f(1,3)e，e为元电荷，下列论断可能正确的是(B)A．质子由1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1个u夸克和1个d夸克组成解析：题目中给出的信息是u夸克与d夸克带的电荷量，故应从质子所带电荷为e，中子不带电荷的角度考虑，经过分析知B项正确。轻核聚变与重核裂变的区分反应方式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大约要大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洁得多原料的隐藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的235U在铀矿石中只占0.7%主要原料是氚，氚在地球上的储量特别丰富。1L海水中大约有0.03g氚，假如用来进行热核反应放出的能量约与燃烧300L汽油相当可控性反应速度比较简洁进行人工限制，现在的核电站都是用裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能限制它案例(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试验装置(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(AC)A．“人造太阳”的核反应方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB．“人造太阳”的核反应方程是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)nC．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．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：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是轻核聚变方程，故A正确；选项B的核反应方程是核裂变方程，故B错误；依据轻核聚变特点，聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3～4倍，相同质量的核燃料，轻核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确，D错误。一、核裂变的发觉1．(2024·山东济宁高三月考)我国自主研发的世界首座具有第四代核电特征的核电站位于山东省威海市荣成石岛湾。目前核电站运用的核燃料基本都是浓缩铀，有一种典型的铀核裂变方程是eq\o\al(235,92)U＋X→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3X。下列关于X的说法正确的是(B)A．X是β粒子，具有很强的电离本事B．X是中子，中子是查德威克通过试验最先发觉的C．X是中子，中子是卢瑟福通过试验最先发觉的D．X是α粒子，穿透实力比较弱解析：依据核反应前后质量数守恒和电荷数守恒可知，X为中子，故A、D错误；依据物理学史可知，中子是查德威克通过试验最先发觉的，故B正确，C错误。2．铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应被定义为核裂变。1947年中国科学家钱三强、何泽慧在试验中视察到铀核也可能分裂为三部分或四部分，其概率大约是分裂为两部分的概率的千分之三。关于铀核的裂变，下列说法不正确的是(C)A．裂变的产物不是唯一的B．裂变的同时能放出2～3个或更多个中子C．裂变能够释放巨大的能量，每个核子平均释放的能量在裂变反应中比在聚变反应中的大D．裂变物质达到肯定体积(即临界体积)时，链式反应才可以持续下去解析：铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的状况多，也有的分裂成多块，并放出2～3个或更多个中子，A、B正确；裂变能够释放巨大的能量，每个核子平均释放的能量在裂变反应中比在聚变反应中的小，C错误；要引起链式反应，需使裂变物质的体积达到临界体积以上，D正确。本题选不正确的，故选C。二、反应堆与核电站3．(2024·广东佛山西樵中学高三月考)如图所示是当前核电站普遍运用的核反应堆的示意图，关于该反应堆中进行的核反应，下列说法中正确的是(C)A．图示装置中进行的核反应类型是核聚变B．要使核反应速度减慢，可以将铀棒插入得更深C．裂变反应的燃料是铀，反应过程质量不守恒D．石墨起到降低反应温度的作用解析：图示装置中进行的核反应类型是核裂变，故A错误；将铀棒插入得更深，中子接触的铀原子更多，反应加剧，故B错误；裂变反应的燃料是铀，反应过程发生质量亏损，质量不守恒，故C正确；石墨主要是将快中子变为慢中子，故D错误。三、核聚变4．2024年5月2