2027高考物理复习选择性必修三第4节　核裂变与核聚变　第5节　“基本”粒子

第4节核裂变与核聚变第5节“基本”粒子学习目标1．知道重核的裂变反应和链式反应的发生条件。2.了解核反应堆的类型，知道核电站的工作模式。3.知道核聚变反应，关注受控核聚变反应研究的进展。4.会分析和计算核裂变和核聚变过程释放的核能。5.初步了解粒子物理学的基础知识。课前知识梳理PART01第一部分一、核裂变的发现1．核裂变：重核被____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。中子3．链式反应(1)由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的________。(2)通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的________，相应的质量叫作________。链式反应临界体积临界质量二、反应堆与核电站1．核反应堆：通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为________。2．慢化剂：反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有____、____和______。3．控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，镉吸收____的能力很强，当反应过于激烈时，可将其插入__一些，多吸收一些____，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作______。核反应堆石墨重水普通水中子深中子控制棒4．核污染的处理为避免____对人体的伤害和__________对水源、空气和工作场所造成放射性污染，因此在反应堆的外面需要修建很厚的______，用来屏蔽核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，________。射线放射性物质水泥层放射性深埋地下三、核聚变1．定义：两个轻核结合成________的核，这样的核反应叫作核聚变。3．条件(1)轻核的距离要达到_________以内。(2)需要加热到很高的____，因此核聚变又叫________。质量较大10-15m温度热核反应4．优点(1)轻核聚变__________。(2)地球上____________储量丰富，而氚可以利用锂来制取，足以满足核聚变的需要。(3)轻核聚变更为安全、清洁。5．约束方法：______和惯性约束。产能效率高核聚变燃料氘磁约束四、发现新粒子1．新粒子：1932年发现了______，1937年发现了____，1947年发现了______和______。后来还发现了超子等。2．反粒子：实验中发现，存在着这样一类粒子，它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子____，而电荷等其他性质____，这些粒子叫作反粒子。例如，电子的反粒子就是______。正电子μ子K介子π介子相同相反正电子五、粒子的分类1．强子：强子是____强相互作用的粒子。____和____都是强子。2．轻子：轻子______强相互作用。最早发现的轻子是____。3．规范玻色子：规范玻色子是____各种相互作用的粒子。光子传递____相互作用，中间玻色子传递__相互作用，胶子传递__相互作用。4．希格斯玻色子：希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。参与质子中子不参与电子传递电磁弱强√×

判断下列说法是否正确。(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。(

)(2)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。(

)(3)控制棒是通过吸收中子的多少来控制链式反应速度的。(

)(4)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些。(

)(5)质子、中子和电子都是不可再分的基本粒子。(

)(6)质子和反质子的电荷量相同，电性相反。(

)√×

×

√课堂深度探究PART02第二部分知识点一重核的裂变图为重核裂变的链式反应。试探究：(1)什么是链式反应？[提示]

由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程叫作核裂变的链式反应。(2)链式反应中的临界体积和临界质量分别指什么？[提示]

核裂变物质能发生链式反应的最小体积叫临界体积，相应的质量叫临界质量。1．铀核的裂变和裂变方程(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状。(2)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2或3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能。2．链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积。(2)铀块的质量大于临界质量。以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足。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。√√[解析]

根据质量数守恒和电荷数守恒可知核反应方程中的x＝56，y＝92，故A错误；根据爱因斯坦的质能方程有ΔE＝Δmc2＝(235.0439u＋1.0087u－140.9139u－91.8973u－3×1.0087u)c2，解得ΔE≈3.2×10-11J，故D错误。[解析]

由衰变方程可知，一次衰变释放的核能ΔE＝55MeV＝55×106×1.6×10-19J＝8.8×10-12J由爱因斯坦质能方程可得ΔE＝Δmc2解得亏损的质量Δm≈9.8×10-29kg。[答案]

9.8×10-29

kg依题意可得Ekα＋EkTh＝ΔE＝55MeV解得Ekα≈54MeV。[答案]

54MeV[解析]

根据ΔE＋232×EU＝228×ETh＋4×Eα已知EU＝7.38MeV，ETh＝7.50MeV解得Eα＝14.29MeV。[答案]

14.29MeV知识点二核电站的工作原理慢中子反应堆的示意图如图所示。试探究：(1)铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？[提示]

慢中子。(2)如何控制核裂变反应的激烈程度？[提示]

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，反之，应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快一些。1．反应堆工作原理(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源。铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变。慢化剂附在铀棒周围。(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。(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动，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，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。2．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。我国玲龙一号(ACP100)是全球首个陆上商用模块化小型核反应堆，被称为“核能移动充电宝”，可以作为我国将来的核动力航母的动力和电能来源。下列说法正确的是(

)A．玲龙一号核反应堆的核燃料取自海水中的氘B．玲龙一号原理利用轻核的聚变释放核能C．玲龙一号利用重核裂变释放的核能来发电D．玲龙一号利用比结合能大的核变成比结合能小的核来获得核能√[解析]玲龙一号利用重核的裂变释放的核能来发电，用中子轰击铀核裂变成中等质量的核，同时放出几个中子，故A、B错误，C正确；中等质量的核比结合能最大，则玲龙一号是利用比结合能小的核变成比结合能大的核来获得核能的，故D错误。1．核聚变发生的条件要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15m以内，这要克服电荷间强大的库仑斥力，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。知识点三核聚变及核能的计算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，就不再需要外界给它能量，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，它首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。(2)可控人工核聚变：目前处于探索阶段。5．重核裂变与轻核聚变的区别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单得多比较项目重核裂变轻核聚变原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富，而氚可以利用锂来制取，足以满足核聚变的需要可控性速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能目前，人工产生的热核反应主要用在核武器上，人们还不能控制它√√氘核的比结合能比氦核的小，故B错误；氘核与氚核发生核聚变，要使它们间的距离达到10-15m以内，故C错误；随堂巩固落实PART03第三部分√√轻核聚变需要很高的温度，使发生反应的两个核有较大的相对动能，故B错误；核聚变和核裂变均放出能量，故C正确；我国的核电站都是采用核裂变发电的，故D错误。√4．(核裂变与核聚变)“中国环流三号”实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，标志着我国在可控核聚变领域达到了国际领先水平。下列关于核聚变的说法正确的是(

)A．轻核聚变