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第五章 原子核
第四节 核裂变与核聚变
第五节 “基本”粒子
[核心素养·明目标]
核心素养 学习目标
物理观念 核裂变、核聚变、链式反应、核电站、夸克模型。
科学思维 理解热核反应可能的控制方法。
科学探究 探究核电站的组成及工作原理。
科学态度与责任 (1)了解常用裂变反应堆的类型，了解核电站及核能发电的优缺点。 (2)了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史，初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子和谐统一。
知识点一　重核裂变与链式反应
情景导学：
1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。
(1)巨大的核能是从哪里来的？
(2)重核裂变是一种天然现象吗？只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
(3)在利用重核裂变制成的原子弹中，需不需要用镉制成的控制棒？
答案提示：(1)铀核的裂变。
(2)重核的裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，故不是天然现象；只有达到链式反应的条件时，才会发生重核的裂变。
(3)不需要。
1.重核的裂变
(1)定义
用中子轰击铀核，发现铀核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量，这种核反应过程称为核裂变。
(2)铀核的裂变
①一种常见的核反应方程：U＋n→Ba＋Kr＋3n。
②在不同的裂变反应中，U核释放的能量也不同。如果按照一个U核裂变时释放200 MeV的能量来估算，1 kg的U全部裂变释放出的核能相当于两千余吨标准煤完全燃烧释放的能量。
2.链式反应
(1)定义：在U核裂变释放出巨大能量的同时，平均每次可以放出2～3个中子，这些中子称为第1代中子，如果其中至少有一个继续轰击U，使之发生裂变，就能产生第2代中子，这样不断继续下去，中子会不断增加，裂变反应就会不断加强，就形成了裂变的链式反应。能够发生链式反应的铀块的最小体积称为临界体积。
(2)发生条件：铀核的体积达到临界体积。
思考与讨论
(1)铀核的裂变是一种天然放射现象吗？
(2)铀核裂变的核反应方程是唯一的吗？
答案提示：(1)不是。铀核在受到中子轰击后才发生裂变，不是天然放射现象。
(2)不是。铀核裂变的生成物并不确定，所以其核反应方程不是唯一的。
知识点二、反应堆与核电站
1.核电站：利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成：
(1)核燃料：反应堆使用浓缩铀(铀235占3%～4%)制成铀棒作为核燃料，释放核能。
(2)减速剂：用石墨、重水或普通水，使裂变中产生的中子减速，以便被铀235吸收。
(3)控制棒：为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫做控制棒．
(4)水泥防护层：反应堆外层是很厚的水泥壁，可防止射线辐射出去。
(5)热交换器：靠水和液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去。
2.工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高。
3.能量输出：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。
4.核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，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。
5.核电站与火电站相比有何优缺点
(1)优点：①核电站消耗的燃料很少。
②作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量很大。
③火电站烧煤要放出很多污染物，而核电站放出的污染物要少得多。
(2)缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染。
②核废料处理比较困难。
知识点三　轻核聚变与可控热核聚变
情景导学：
“大海航行靠舵手，万物生长靠太阳。”没有太阳，地球上就不可能有姿态万千的生命现象。当然也不会孕育出作为智能生物的人类。
(1)太阳是靠什么为地球生命提供巨大能量的呢？
(2)为什么实现核聚变要使聚变的核燃料加热到几百万开尔文的高温？
答案提示：(1)现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应。
(2)轻核的聚变反应，是较轻的核子聚合成较重的原子核，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15 m以内；两原子核相互靠近时要克服库仑斥力做功，而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。
1.轻核聚变
(1)定义：采用轻核聚变成较重核引起结合能变化的方式可获得核能。这样的核反应称为核聚变。
(2)太阳内部的核聚变：太阳内部氢核聚变的反应方程为H＋H→He＋n，平均每个核子释放的结合能约为3.5 MeV，要比裂变中平均每个核子释放的能量大得多。
(3)轻核聚变的优点：聚变反应不仅能释放巨大的能量，而且所用的燃料容易获得。氘可从海水中提取，天然的氚不存在，但可通过核反应n＋Li→He＋H得到。
2.可控热核聚变
(1)热核聚变的条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的间距达到核力作用的范围。以氘核发生聚变为例，必须在大约108 K高温下，使氘核获得至少70 keV的动能才能达到核力作用的范围而发生核聚变。
(2)物质第四态：轻核聚变温度到达108 K，在这样的高温下，原子已完全电离，形成了物质第四态——等离子态。
(3)约束等离子体的三种方式：磁约束、惯性约束。
①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。
②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。
思考与讨论：
为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？
答案提示：因为很轻的原子核比较重的原子核的核子平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大。
知识点四 “基本粒子”不基本
1.“基本”粒子
19世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子。
2.发现新粒子
(1)从20世纪起科学家陆续发现了400多种不同种类的新粒子，它们不是由质子、中子、电子组成。
(2)科学家进一步发现质子、中子等本身也是复合粒子，且还有着复杂的结构。
3.探测工具
粒子加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具。
4.新粒子
1932年发现了正电子,1937年发现了μ子,1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等。
5.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。
6.夸克模型
组成强子的粒子有六种夸克，分为上夸克和下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，所带电荷分别为元电荷的±或±，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。
易错易混点1.核裂变的理解和应用
易错易混点辨析：
1.裂变过程放出能量的原因
中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定。如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，发生质量亏损并释放出能量。
2.U两种典型的裂变方程
U＋n→Xe＋Sr＋2n
U＋n→Ba＋Kr＋3n
3.链式反应发生的条件
(1)铀块的体积大于或等于临界体积。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。
4.核反应堆——核电站的心脏：裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理见表：
组成部分 材料 作用
裂变材料 (核燃料) 浓缩铀 U 提供核燃料
慢化剂 (减速剂) 石墨、重水或普通水 使裂变产生的快中子减速
控制棒 镉 吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层 石墨 阻止中子逃逸
冷却剂 普通水、重水、氦、二氧化碳等 产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电
防护层 金属套和钢筋混凝土 防止射线对人体及其他生物体的侵害
5.核反应堆与原子弹爆炸的比较：原子弹爆炸时，链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆(核电站的核心设施)。核反应堆是人工控制链式反应的装置。
6.核反应堆
原子核的链式反应可以在人工控制下进行，使核能较平缓地释放出来，这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务，裂变反应堆的结构和工作原理如下表所示：
组成部分 材料 作用
裂变材料(核燃料) 浓缩铀(U) 提供核燃料
慢化剂(减速剂) 石墨、重水或普通水 使裂变产生的快速中子减速
控制棒 镉 吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层 石墨 阻止中子逃逸
热交换器 水 产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电
防护层 金属套和钢筋混凝土 防止射线对人体及其他生物体的侵害
7.解题规律总结
(1)重核裂变是中子轰击质量较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。
(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后有质量亏损，根本原因是重核的平均结合能相比中等质量的核的平均结合能要小。所以在重核裂变为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。
(3)重核的裂变方程仍然符合质量数守恒和电荷数守恒。
例1.“华龙一号”福清核电站5号机组首次并网成功，标志着我国正式进入核电技术先进国家行列。“华龙一号”利用的是铀核裂变释放的核能，其裂变方程为U＋n→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是(　　)
A.裂变后粒子的总核子数减少 B.X原子核中含有85个中子
C.裂变反应前后质量没有变化 D.裂变后新核的平均结合能比铀核的小
解析：选B。核反应过程中，质量数守恒，所以裂变后粒子的总核子数不变，A错误；设X原子核中有x个质子，质量数为y，则92＝x＋38，235＋1＝y＋95＋1×2，解得x＝54，y＝139，所以X原子核中含有中子数为y－x＝85，B正确；裂变释放核能，所以有质量亏损，C错误；裂变释放核能是因为新核的平均结合能比铀核的大，新核较稳定，D错误。
例2.裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核U为燃料的反应堆中，俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种方式可表示为：
反应方程下方的数字是中子及有关原子核静止时的质量(以原子质量单位u为单位)，已知1 u的质量对应的能量为931.5 MeV，求：
(1)该反应中放出的能量是多少兆电子伏特？
(2)1 kg U全部裂变大约产生多少能量？(结果保留2位有效数字)
解析：(1)裂变前后的质量亏损为Δm＝mU＋mn－mXe－mSr－3mn
由质能方程ΔE＝Δm×931.5 MeV，得：
ΔE＝(235.043 9－138.917 8－93.915 4－2×1.008 7)×931.5 MeV＝1.8×102 MeV。
(2)1 kg 的铀核数为n＝×6.02×1023＝2.56×1024(个)
故1 kg全部裂变产生的能量约为：
E＝n·ΔE＝2.56×1024×1.8×102 MeV＝4.6×1026 MeV＝7.4×1013 J。
例3.(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
解析：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吸收裂变，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。
例4.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，它主要由四部分组成，它们是(　A　)
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、慢化剂、碰撞系统和传热系统
D.原子燃料、中子源、原子能存聚系统和输送系统
解析：选A。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，它主要由原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统四部分组成，故A正确。
易错易混点2.核聚变的理解和应用
易错易混点辨析：
1.轻核结合成质量较大的原子核的反应叫聚变。
例如H＋H―→He＋n
2.聚变发生的条件
要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达几百万开尔文，因此聚变又叫热核反应。
3.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核爆炸。
4.太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.5×107K，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。
5.轻核聚变是放能反应：从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。
6.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。
7.重核裂变与轻核聚变的区别
反应方式 比较项目 重核裂变 轻核聚变
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
废料处理 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
原料储量 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% 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富，1 L海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应放出的能量约与燃烧300 L汽油相当
反应控制 速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用裂变反应释放核能 目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站
例5.2021年5月28日，在中科院合肥物质科学研究院，有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，向核聚变能源应用迈出重要一步。下列关于聚变的说法正确的是 (　　)
A.任何两个原子核都可以发生聚变
B.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小
C.两个轻核结合成质量较大的核，核子的平均结合能减小
D.核聚变比核裂变更为安全、清洁，是目前利用核能的主要方式
解析：选B。只有两个质量数较小的原子核才可以聚变成一个中等质量数的原子核，并不是任何两个原子核都可以发生聚变，A错误；核聚变反应会放出大量的能量，根据质能关系可知反应会发生质量亏损，两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小，平均结合能增大，B正确，C错误；核聚变的最终产物是氦，无污染，而核裂变产生的固体核废料具有放射性，因此核聚变更加清洁和安全，但是还不是目前利用核能的主要方式，D错误。
例6.太阳现在正处于主序星演化阶段，它主要是由电子和质子、氦核等组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应为两个电子与四个质子聚变为氦。已知太阳的质量为2×1030 kg，太阳向周围空间辐射能量的总功率为3.8×1026 W。
(1)写出上述聚变反应的方程式；
(2)已知质子质量mp＝1.67×10－27 kg，氦核质量mα＝6.645 8×10－27 kg，电子质量me＝9.0×10－31 kg，光速c＝3.0×108 m/s，求每发生一次上述核反应所释放的能量；
(3)根据题目中数据计算太阳1秒钟减少的质量。太阳还能用多少年？
解析：(1)根据聚变反应满足质量数、电荷数守恒得核反应方程式为
2e＋4H→He。
(2)反应中的质量亏损Δm＝2me＋4mp－mα＝(2×9.0×10－31＋4×1.67×10－27－6.645 8×10－27)kg＝3.6×10－29 kg，由爱因斯坦质能方程可知核反应释放的能量ΔE＝Δmc2＝3.6×10－29×(3.0×108)2 J＝3.24×10－12 J。
(3)太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量
Δm＝＝ kg＝4.2×109 kg
太阳还能用t＝＝ s＝4.76×1020 s＝1.5×1013年。
例7.太阳内部有多种热核反应，其中的一个反应方程是：H＋H→He＋x，若已知H的质量为m1，H的质量为m2，He的质量为m3，x的质量为m4，则下列说法中正确的是(　　)
A.x是质子 B.x是电子
C.这个反应释放的核能为ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2 D.H和H在常温下就能够发生聚变
解析：选 C。根据核反应方程质量数和核电荷数守恒，可知x的电荷数是0，质量数是1，所以x是中子，故AB错误；由质能方程可知，这个反应释放的核能为ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2；H和H只有在极高温度下才能够发生聚变反应，故D错误。
易错易混点3.新粒子的发现和离子的分类
易错易混点辨析：
1.发现新粒子
发现时间 1932年 1937年 1947年 60年代后
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 质量介于电子与质子之间 其质量比质子大
按照粒子与各种相互作用的关系，可以将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子。
2.粒子的分类
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
强子 参与强相互作用 质子、中子、介子、超子 强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子
轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子，τ子、τ子中微子 未发现内部结构
媒介子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子 光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用
3.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±或±。例如上夸克带的电荷量为＋2e/3，下夸克带的电荷量为－e/3。
例8.在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测。1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中H的核反应，间接地证实了中微子的存在。
(1)中微子与水中的H发生核反应，产生中子(n)和正电子(e)，即：中微子＋H→n＋e
可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是____。(填写选项前的字母)
A.0和0　　　　　　　 B.0和1
C.1和0 D.1和1
(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即e＋e→2γ已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31 kg，反应中产生的每个光子的能量约为多少？正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是什么？
解题指导：(1)由核反应过程质量数和电荷数守恒判断。
(2)根据E＝Δmc2和动量守恒求解。
解析：(1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0，A项正确。
(2)产生的能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E＝Δmc2，故一个光子的能量为，代入数据得＝8.2×10－14 J。正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，所以如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒定律。
例9.(多选)已知π＋介子、π－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，它们带电量如下表所示，表中e为元电荷。
π＋ π－ u d
带电量 ＋e －e ＋e －e －e ＋e
下列说法正确的是(　　)
A.π＋由u和组成　 B.π＋由d和组成
C.π－由u和组成 D.π－由d和组成
解析：选AD。根据题目所给图表可以知道各种粒子的带电量，由电荷守恒定律可得A、D正确，B、C错误。
针对训练
1.铀235是核电站的主要核燃料，核反应堆在工作时，铀235既发生裂变，也发生衰变。铀235裂变方程为U＋n→X＋Kr＋3n，衰变方程为U→Y＋He，则下列说法正确的是(　　)
A.上述裂变过程放出能量，衰变过程也放出能量 B.衰变产生的新核Y不再具有放射性
C.裂变产生的新核X中含有143个质子 D.核裂变释放能量产生的高温会加快铀235的衰变
2.(多选)太阳能源于其内部的聚变反应，太阳质量也随之不断减少。若每次聚变反应可看作4个氢核结合成1个氦核，太阳每秒钟辐射的能量约为4.0×1026 J，下列说法正确的是 (　　)
A.该聚变反应在常温下也容易发生 B.太阳每秒钟减少的质量约为4.4×109 kg
C.该聚变的核反应方程是4H→He＋2e D.要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功
3.(核能的理解与利用)如图所示，“嫦娥三号”探测器由着陆器和月面巡视探测器(玉兔号)组成。为了维持“嫦娥三号”探测器的内部仪器在月球夜晚极端低温的环境下的温度，“嫦娥三号”探测器安装了“放射性同位素热源”，其中用到了核能，关于核能下列说法正确的是(　　)
A.核能是可再生能源 B.核能有利无害
C.原子弹利用了核聚变 D.太阳内部氢核在高温下发生聚变
4.(多选)如图所示，核反应堆通过可控的链式反应实现核能的释放，核燃料是铀棒，在铀棒周围放慢化剂，快中子和慢化剂中的碳原子核碰撞后，中子速度减少变为慢中子。下列说法正确的是(　　)
A.慢化剂使快中子变为慢中子，慢中子更难被铀核捕获
B.裂变后的新核氪的平均结合能大于铀核的平均结合能
C.链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程
D.一个U裂变释放的能量是200 MeV，则该核反应中质量亏损约为3.6×10－28 kg
5．2020年11月24日4时30分，我国用长征五号遥五运载火箭成功发射“嫦娥五号”探测器。该探测器顺利到达月球表面并取回1.73 kg月壤。氦3大量存在于月壤中，是未来的清洁能源。两个氦3聚变的核反应方程是He＋He→He＋2X＋12.86 MeV，已知氦3、氦4和X粒子的质量分别为m1、m2和m3。下列说法正确的是(　　)
A.核裂变比核聚变更为安全、清洁 B.X粒子为中子
C.两个轻核结合成质量较大的核，平均结合能较聚变前增大
D.由核反应过程质量守恒可知2m1＝m2＋2m3
6.(多选)月球储藏大量可控核聚变理想燃料氦－3(He)，2020年12月1日，我国嫦娥五号探测器成功着陆月面后开始“挖土”并成功带回地面供科学研究。核聚变反应方程为H＋H→He＋x或H＋He→He＋y。下列说法正确的是(　　)
A.x是中子 B.y是正电子
C.核聚变过程发生质量亏损，释放核能 D.He比He的原子核更稳定
7．2020年12月4日，我国新一代“人造太阳”中国环流器二号M装置在成都建成并实现首次放电，标志着我国在核聚变反应堆建设中处于世界前列。中国环流器二号M装置内主要核反应是H＋H→He＋X，已知氘核的平均结合能是1.09 MeV、氚核的平均结合能是2.78 MeV、氦核的平均结合能是7.03 MeV，该聚变反应中(　　)
A．X为质子 B．X为电子
C．一次反应释放的核能为3.16 MeV D．一次反应释放的核能为17.6 MeV
8.由中科院等离子体物理研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置试用已经成功，标志着我国站在了世界核聚变研究的前端。设可控热核反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4，已知真空中的光速为c。下列说法中正确的是(　　)
A.这种核反应放出的能量为(m1＋m2－m3－m4)c2
B.上述核反应过程中原子核的平均结合能减小
C.这种核反应释放出氦核，是α衰变
D.这种装置的核反应原理与我国大亚湾核电站所使用核装置的原理相同
9.中国在“人造太阳”方面的研究取得了较大的成就，“人造太阳”被评为2018年中国10大科技之一。其原理是一个质量mD＝3.343 6×10－27 kg的氘核(H)与一个质量mT＝5.008 5×10－27 kg的氚核(H)发生核聚变，结合后生成了一个质量大小为m＝6.646 7×10－27 kg的新核，同时放出一个质量mn＝1.675 0×10－27 kg的中子(n)，并释放出大小为E的能量。(光的速度c＝3.0×108 m/s，结果保留三位有效数字)
(1)写出“人造太阳”轻核聚变的方程式；
(2)求该聚变释放的能量E。第五章 原子核
第四节 核裂变与核聚变
第五节 “基本”粒子
[核心素养·明目标]
核心素养 学习目标
物理观念 核裂变、核聚变、链式反应、核电站、夸克模型。
科学思维 理解热核反应可能的控制方法。
科学探究 探究核电站的组成及工作原理。
科学态度与责任 (1)了解常用裂变反应堆的类型，了解核电站及核能发电的优缺点。 (2)了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史，初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子和谐统一。
知识点一　重核裂变与链式反应
情景导学：
1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。
(1)巨大的核能是从哪里来的？
(2)重核裂变是一种天然现象吗？只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
(3)在利用重核裂变制成的原子弹中，需不需要用镉制成的控制棒？
答案提示：(1)铀核的裂变。
(2)重核的裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，故不是天然现象；只有达到链式反应的条件时，才会发生重核的裂变。
(3)不需要。
1.重核的裂变
(1)定义
用中子轰击铀核，发现铀核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量，这种核反应过程称为核裂变。
(2)铀核的裂变
①一种常见的核反应方程：U＋n→Ba＋Kr＋3n。
②在不同的裂变反应中，U核释放的能量也不同。如果按照一个U核裂变时释放200 MeV的能量来估算，1 kg的U全部裂变释放出的核能相当于两千余吨标准煤完全燃烧释放的能量。
2.链式反应
(1)定义：在U核裂变释放出巨大能量的同时，平均每次可以放出2～3个中子，这些中子称为第1代中子，如果其中至少有一个继续轰击U，使之发生裂变，就能产生第2代中子，这样不断继续下去，中子会不断增加，裂变反应就会不断加强，就形成了裂变的链式反应。能够发生链式反应的铀块的最小体积称为临界体积。
(2)发生条件：铀核的体积达到临界体积。
思考与讨论
(1)铀核的裂变是一种天然放射现象吗？
(2)铀核裂变的核反应方程是唯一的吗？
答案提示：(1)不是。铀核在受到中子轰击后才发生裂变，不是天然放射现象。
(2)不是。铀核裂变的生成物并不确定，所以其核反应方程不是唯一的。
知识点二、反应堆与核电站
1.核电站：利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成：
(1)核燃料：反应堆使用浓缩铀(铀235占3%～4%)制成铀棒作为核燃料，释放核能。
(2)减速剂：用石墨、重水或普通水，使裂变中产生的中子减速，以便被铀235吸收。
(3)控制棒：为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫做控制棒．
(4)水泥防护层：反应堆外层是很厚的水泥壁，可防止射线辐射出去。
(5)热交换器：靠水和液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去。
2.工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高。
3.能量输出：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。
4.核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，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。
5.核电站与火电站相比有何优缺点
(1)优点：①核电站消耗的燃料很少。
②作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量很大。
③火电站烧煤要放出很多污染物，而核电站放出的污染物要少得多。
(2)缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染。
②核废料处理比较困难。
知识点三　轻核聚变与可控热核聚变
情景导学：
“大海航行靠舵手，万物生长靠太阳。”没有太阳，地球上就不可能有姿态万千的生命现象。当然也不会孕育出作为智能生物的人类。
(1)太阳是靠什么为地球生命提供巨大能量的呢？
(2)为什么实现核聚变要使聚变的核燃料加热到几百万开尔文的高温？
答案提示：(1)现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应。
(2)轻核的聚变反应，是较轻的核子聚合成较重的原子核，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15 m以内；两原子核相互靠近时要克服库仑斥力做功，而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。
1.轻核聚变
(1)定义：采用轻核聚变成较重核引起结合能变化的方式可获得核能。这样的核反应称为核聚变。
(2)太阳内部的核聚变：太阳内部氢核聚变的反应方程为H＋H→He＋n，平均每个核子释放的结合能约为3.5 MeV，要比裂变中平均每个核子释放的能量大得多。
(3)轻核聚变的优点：聚变反应不仅能释放巨大的能量，而且所用的燃料容易获得。氘可从海水中提取，天然的氚不存在，但可通过核反应n＋Li→He＋H得到。
2.可控热核聚变
(1)热核聚变的条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的间距达到核力作用的范围。以氘核发生聚变为例，必须在大约108 K高温下，使氘核获得至少70 keV的动能才能达到核力作用的范围而发生核聚变。
(2)物质第四态：轻核聚变温度到达108 K，在这样的高温下，原子已完全电离，形成了物质第四态——等离子态。
(3)约束等离子体的三种方式：磁约束、惯性约束。
①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。
②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。
思考与讨论：
为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？
答案提示：因为很轻的原子核比较重的原子核的核子平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大。
知识点四 “基本粒子”不基本
1.“基本”粒子
19世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子。
2.发现新粒子
(1)从20世纪起科学家陆续发现了400多种不同种类的新粒子，它们不是由质子、中子、电子组成。
(2)科学家进一步发现质子、中子等本身也是复合粒子，且还有着复杂的结构。
3.探测工具
粒子加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具。
4.新粒子
1932年发现了正电子,1937年发现了μ子,1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等。
5.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。
6.夸克模型
组成强子的粒子有六种夸克，分为上夸克和下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，所带电荷分别为元电荷的±或±，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。
易错易混点1.核裂变的理解和应用
易错易混点辨析：
1.裂变过程放出能量的原因
中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定。如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，发生质量亏损并释放出能量。
2.U两种典型的裂变方程
U＋n→Xe＋Sr＋2n
U＋n→Ba＋Kr＋3n
3.链式反应发生的条件
(1)铀块的体积大于或等于临界体积。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。
4.核反应堆——核电站的心脏：裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理见表：
组成部分 材料 作用
裂变材料 (核燃料) 浓缩铀 U 提供核燃料
慢化剂 (减速剂) 石墨、重水或普通水 使裂变产生的快中子减速
控制棒 镉 吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层 石墨 阻止中子逃逸
冷却剂 普通水、重水、氦、二氧化碳等 产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电
防护层 金属套和钢筋混凝土 防止射线对人体及其他生物体的侵害
5.核反应堆与原子弹爆炸的比较：原子弹爆炸时，链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆(核电站的核心设施)。核反应堆是人工控制链式反应的装置。
6.核反应堆
原子核的链式反应可以在人工控制下进行，使核能较平缓地释放出来，这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务，裂变反应堆的结构和工作原理如下表所示：
组成部分 材料 作用
裂变材料(核燃料) 浓缩铀(U) 提供核燃料
慢化剂(减速剂) 石墨、重水或普通水 使裂变产生的快速中子减速
控制棒 镉 吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层 石墨 阻止中子逃逸
热交换器 水 产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电
防护层 金属套和钢筋混凝土 防止射线对人体及其他生物体的侵害
7.解题规律总结
(1)重核裂变是中子轰击质量较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。
(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后有质量亏损，根本原因是重核的平均结合能相比中等质量的核的平均结合能要小。所以在重核裂变为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。
(3)重核的裂变方程仍然符合质量数守恒和电荷数守恒。
例1.“华龙一号”福清核电站5号机组首次并网成功，标志着我国正式进入核电技术先进国家行列。“华龙一号”利用的是铀核裂变释放的核能，其裂变方程为U＋n→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是(　　)
A.裂变后粒子的总核子数减少 B.X原子核中含有85个中子
C.裂变反应前后质量没有变化 D.裂变后新核的平均结合能比铀核的小
解析：选B。核反应过程中，质量数守恒，所以裂变后粒子的总核子数不变，A错误；设X原子核中有x个质子，质量数为y，则92＝x＋38，235＋1＝y＋95＋1×2，解得x＝54，y＝139，所以X原子核中含有中子数为y－x＝85，B正确；裂变释放核能，所以有质量亏损，C错误；裂变释放核能是因为新核的平均结合能比铀核的大，新核较稳定，D错误。
例2.裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核U为燃料的反应堆中，俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种方式可表示为：
反应方程下方的数字是中子及有关原子核静止时的质量(以原子质量单位u为单位)，已知1 u的质量对应的能量为931.5 MeV，求：
(1)该反应中放出的能量是多少兆电子伏特？
(2)1 kg U全部裂变大约产生多少能量？(结果保留2位有效数字)
解析：(1)裂变前后的质量亏损为Δm＝mU＋mn－mXe－mSr－3mn
由质能方程ΔE＝Δm×931.5 MeV，得：
ΔE＝(235.043 9－138.917 8－93.915 4－2×1.008 7)×931.5 MeV＝1.8×102 MeV。
(2)1 kg 的铀核数为n＝×6.02×1023＝2.56×1024(个)
故1 kg全部裂变产生的能量约为：
E＝n·ΔE＝2.56×1024×1.8×102 MeV＝4.6×1026 MeV＝7.4×1013 J。
例3.(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
解析：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吸收裂变，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。
例4.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，它主要由四部分组成，它们是(　A　)
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、慢化剂、碰撞系统和传热系统
D.原子燃料、中子源、原子能存聚系统和输送系统
解析：选A。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，它主要由原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统四部分组成，故A正确。
易错易混点2.核聚变的理解和应用
易错易混点辨析：
1.轻核结合成质量较大的原子核的反应叫聚变。
例如H＋H―→He＋n
2.聚变发生的条件
要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达几百万开尔文，因此聚变又叫热核反应。
3.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核爆炸。
4.太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.5×107K，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。
5.轻核聚变是放能反应：从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。
6.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。
7.重核裂变与轻核聚变的区别
反应方式 比较项目 重核裂变 轻核聚变
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
废料处理 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
原料储量 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% 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富，1 L海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应放出的能量约与燃烧300 L汽油相当
反应控制 速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用裂变反应释放核能 目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站
例5.2021年5月28日，在中科院合肥物质科学研究院，有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，向核聚变能源应用迈出重要一步。下列关于聚变的说法正确的是 (　　)
A.任何两个原子核都可以发生聚变
B.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小
C.两个轻核结合成质量较大的核，核子的平均结合能减小
D.核聚变比核裂变更为安全、清洁，是目前利用核能的主要方式
解析：选B。只有两个质量数较小的原子核才可以聚变成一个中等质量数的原子核，并不是任何两个原子核都可以发生聚变，A错误；核聚变反应会放出大量的能量，根据质能关系可知反应会发生质量亏损，两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小，平均结合能增大，B正确，C错误；核聚变的最终产物是氦，无污染，而核裂变产生的固体核废料具有放射性，因此核聚变更加清洁和安全，但是还不是目前利用核能的主要方式，D错误。
例6.太阳现在正处于主序星演化阶段，它主要是由电子和质子、氦核等组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应为两个电子与四个质子聚变为氦。已知太阳的质量为2×1030 kg，太阳向周围空间辐射能量的总功率为3.8×1026 W。
(1)写出上述聚变反应的方程式；
(2)已知质子质量mp＝1.67×10－27 kg，氦核质量mα＝6.645 8×10－27 kg，电子质量me＝9.0×10－31 kg，光速c＝3.0×108 m/s，求每发生一次上述核反应所释放的能量；
(3)根据题目中数据计算太阳1秒钟减少的质量。太阳还能用多少年？
解析：(1)根据聚变反应满足质量数、电荷数守恒得核反应方程式为
2e＋4H→He。
(2)反应中的质量亏损Δm＝2me＋4mp－mα＝(2×9.0×10－31＋4×1.67×10－27－6.645 8×10－27)kg＝3.6×10－29 kg，由爱因斯坦质能方程可知核反应释放的能量ΔE＝Δmc2＝3.6×10－29×(3.0×108)2 J＝3.24×10－12 J。
(3)太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量
Δm＝＝ kg＝4.2×109 kg
太阳还能用t＝＝ s＝4.76×1020 s＝1.5×1013年。
例7.太阳内部有多种热核反应，其中的一个反应方程是：H＋H→He＋x，若已知H的质量为m1，H的质量为m2，He的质量为m3，x的质量为m4，则下列说法中正确的是(　　)
A.x是质子 B.x是电子
C.这个反应释放的核能为ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2 D.H和H在常温下就能够发生聚变
解析：选 C。根据核反应方程质量数和核电荷数守恒，可知x的电荷数是0，质量数是1，所以x是中子，故AB错误；由质能方程可知，这个反应释放的核能为ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2；H和H只有在极高温度下才能够发生聚变反应，故D错误。
易错易混点3.新粒子的发现和离子的分类
易错易混点辨析：
1.发现新粒子
发现时间 1932年 1937年 1947年 60年代后
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 质量介于电子与质子之间 其质量比质子大
按照粒子与各种相互作用的关系，可以将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子。
2.粒子的分类
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
强子 参与强相互作用 质子、中子、介子、超子 强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子
轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子，τ子、τ子中微子 未发现内部结构
媒介子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子 光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用
3.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±或±。例如上夸克带的电荷量为＋2e/3，下夸克带的电荷量为－e/3。
例8.在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测。1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中H的核反应，间接地证实了中微子的存在。
(1)中微子与水中的H发生核反应，产生中子(n)和正电子(e)，即：中微子＋H→n＋e
可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是____。(填写选项前的字母)
A.0和0　　　　　　　 B.0和1
C.1和0 D.1和1
(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即e＋e→2γ已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31 kg，反应中产生的每个光子的能量约为多少？正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是什么？
解题指导：(1)由核反应过程质量数和电荷数守恒判断。
(2)根据E＝Δmc2和动量守恒求解。
解析：(1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0，A项正确。
(2)产生的能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E＝Δmc2，故一个光子的能量为，代入数据得＝8.2×10－14 J。正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，所以如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒定律。
例9.(多选)已知π＋介子、π－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，它们带电量如下表所示，表中e为元电荷。
π＋ π－ u d
带电量 ＋e －e ＋e －e －e ＋e
下列说法正确的是(　　)
A.π＋由u和组成　 B.π＋由d和组成
C.π－由u和组成 D.π－由d和组成
解析：选AD。根据题目所给图表可以知道各种粒子的带电量，由电荷守恒定律可得A、D正确，B、C错误。
针对训练
1.铀235是核电站的主要核燃料，核反应堆在工作时，铀235既发生裂变，也发生衰变。铀235裂变方程为U＋n→X＋Kr＋3n，衰变方程为U→Y＋He，则下列说法正确的是(　　)
A.上述裂变过程放出能量，衰变过程也放出能量 B.衰变产生的新核Y不再具有放射性
C.裂变产生的新核X中含有143个质子 D.核裂变释放能量产生的高温会加快铀235的衰变
解析:选A。根据核反应的特点可知，裂变与衰变都放出能量，A正确；Y原子核中含有的电荷数为92－2＝90，大于83，是具有放射性的，B错误；根据电荷数守恒和质量数守恒，可知X的质量数为144，电荷数为56，即质子数为56，C错误；半衰期的大小与温度无关，D错误。
2.(多选)太阳能源于其内部的聚变反应，太阳质量也随之不断减少。若每次聚变反应可看作4个氢核结合成1个氦核，太阳每秒钟辐射的能量约为4.0×1026 J，下列说法正确的是 (　　)
A.该聚变反应在常温下也容易发生 B.太阳每秒钟减少的质量约为4.4×109 kg
C.该聚变的核反应方程是4H→He＋2e D.要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功
解析:选BD。聚变时，要使轻核之间的距离达到10－15 m，所以要使聚变产生，必须克服原子核间库仑斥力做功。核子必须有足够的动能，才能使它们的间距达到核力作用的范围。实验证明，轻核必须处在几百万摄氏度的高温环境中才有这样的能量，所以核聚变反应也叫热核反应，故A错误，D正确；根据ΔE＝Δmc2可知太阳每秒钟减少的质量约为Δm＝＝ kg＝4.4×109 kg，故B正确；根据氢核的聚变过程中质量数和电荷数守恒，可知其反应方程为4H→He＋2e，故C错误。
3.(核能的理解与利用)如图所示，“嫦娥三号”探测器由着陆器和月面巡视探测器(玉兔号)组成。为了维持“嫦娥三号”探测器的内部仪器在月球夜晚极端低温的环境下的温度，“嫦娥三号”探测器安装了“放射性同位素热源”，其中用到了核能，关于核能下列说法正确的是(　　)
A.核能是可再生能源 B.核能有利无害
C.原子弹利用了核聚变 D.太阳内部氢核在高温下发生聚变
解析:选D。核能是不可再生能源，故A错误；核能清洁无污染，但是核辐射、核泄漏等危害很大，故B错误；原子弹利用了核裂变，故C错误；太阳内部氢核在高温下发生聚变，故D正确。
4.(多选)如图所示，核反应堆通过可控的链式反应实现核能的释放，核燃料是铀棒，在铀棒周围放慢化剂，快中子和慢化剂中的碳原子核碰撞后，中子速度减少变为慢中子。下列说法正确的是(　　)
A.慢化剂使快中子变为慢中子，慢中子更难被铀核捕获
B.裂变后的新核氪的平均结合能大于铀核的平均结合能
C.链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程
D.一个U裂变释放的能量是200 MeV，则该核反应中质量亏损约为3.6×10－28 kg
解析:选BCD。中子的速度不能太快，否则无法被铀核捕获，裂变反应不能进行下去，A错误；重核裂变会有质量亏损，会释放核能，平均结合能大的原子核更稳定，故新核氪的平均结合能大于铀核的平均结合能，B正确；链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，C正确；根据爱因斯坦质能方程可知，一个U裂变释放的能量是200 MeV，此过程中的质量亏损为Δm＝＝3.6×10－28 kg，D正确。
5．2020年11月24日4时30分，我国用长征五号遥五运载火箭成功发射“嫦娥五号”探测器。该探测器顺利到达月球表面并取回1.73 kg月壤。氦3大量存在于月壤中，是未来的清洁能源。两个氦3聚变的核反应方程是He＋He→He＋2X＋12.86 MeV，已知氦3、氦4和X粒子的质量分别为m1、m2和m3。下列说法正确的是(　　)
A.核裂变比核聚变更为安全、清洁 B.X粒子为中子
C.两个轻核结合成质量较大的核，平均结合能较聚变前增大
D.由核反应过程质量守恒可知2m1＝m2＋2m3
解析：选C。核聚变需要在超高温、高压的条件下才能发生反应，一旦条件不满足就会停止反应，且没有放射性污染，比核裂变更为安全、清洁，A错误；据电荷数守恒及质量数守恒可确定X粒子为质子，B错误；两个轻核结合成质量较大的核，平均结合能较聚变前增大，C正确；核反应过程有质量亏损，故2m1>m2＋2m3，D错误。
6.(多选)月球储藏大量可控核聚变理想燃料氦－3(He)，2020年12月1日，我国嫦娥五号探测器成功着陆月面后开始“挖土”并成功带回地面供科学研究。核聚变反应方程为H＋H→He＋x或H＋He→He＋y。下列说法正确的是(　　)
A.x是中子 B.y是正电子
C.核聚变过程发生质量亏损，释放核能 D.He比He的原子核更稳定
解析:选AC根据核反应的质量数守恒和电荷数守恒可知，x的质量数为1，电荷数为0，则x为中子；y的质量数为1，电荷数为1，则y为质子，A正确，B错误；核聚变过程发生质量亏损，释放核能，C正确；因反应放出核能，则He比He的原子核更稳定，D错误。
7．2020年12月4日，我国新一代“人造太阳”中国环流器二号M装置在成都建成并实现首次放电，标志着我国在核聚变反应堆建设中处于世界前列。中国环流器二号M装置内主要核反应是H＋H→He＋X，已知氘核的平均结合能是1.09 MeV、氚核的平均结合能是2.78 MeV、氦核的平均结合能是7.03 MeV，该聚变反应中(　　)
A．X为质子 B．X为电子
C．一次反应释放的核能为3.16 MeV D．一次反应释放的核能为17.6 MeV
解析:选D。根据质量数守恒、电荷数守恒可知，X为中子，故A、B错误；氘核的平均结合能是1.09 MeV、氚核的平均结合能是2.78 MeV、氦核的平均结合能是7.03 MeV，一次反应释放的核能为7.03×4 MeV－3×2.78 MeV－2×1.09 MeV＝17.6 MeV，故D正确，C错误。
8.由中科院等离子体物理研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置试用已经成功，标志着我国站在了世界核聚变研究的前端。设可控热核反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4，已知真空中的光速为c。下列说法中正确的是(　　)
A.这种核反应放出的能量为(m1＋m2－m3－m4)c2
B.上述核反应过程中原子核的平均结合能减小
C.这种核反应释放出氦核，是α衰变
D.这种装置的核反应原理与我国大亚湾核电站所使用核装置的原理相同
解析：选A。可控热核反应装置中发生的核反应方程是H＋H→He＋n，核反应过程中存在质量亏损，因此m1＋m2＞m3＋m4，核反应过程中的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3－m4，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2；因轻核聚变反应释放巨大的核能，则生成物的平均结合能增大；这种核反应是核聚变反应，不是自发发生的α衰变；这种装置的核反应原理是核聚变，我国大亚湾核电站所使用核装置的原理是核裂变，它们的核反应原理不相同，A正确，B、C、D错误。
9.中国在“人造太阳”方面的研究取得了较大的成就，“人造太阳”被评为2018年中国10大科技之一。其原理是一个质量mD＝3.343 6×10－27 kg的氘核(H)与一个质量mT＝5.008 5×10－27 kg的氚核(H)发生核聚变，结合后生成了一个质量大小为m＝6.646 7×10－27 kg的新核，同时放出一个质量mn＝1.675 0×10－27 kg的中子(n)，并释放出大小为E的能量。(光的速度c＝3.0×108 m/s，结果保留三位有效数字)
(1)写出“人造太阳”轻核聚变的方程式；
(2)求该聚变释放的能量E。
解析：(1)轻核聚变的方程式：
H＋H→He＋n。
(2)轻核聚变中质量亏损为：
Δm＝mD＋mT－m－mn＝3.343 6×10－27 kg＋5.008 5×10－27 kg－6.646 7×10－27－1.675 0×10－2 kg＝0.030 4×10－27 kg
轻核聚变释放的能量：
E＝Δmc2＝0.030 4×10－27×(3×108)2 J≈2.74×10－12 J。

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