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较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢？
新课导入
5.4核裂变与核聚变　5.5“基本”粒子
1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的过程中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。
奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释，铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变。
哈恩
迈特纳
弗里施
学习任务一
学习任务一 核裂变的发现
核裂变：重核受粒子打击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应。
1.核裂变
⑴铀核裂变的一种典型情形
中子轰击铀235
中间产物铀236
氪89
钡144
3个中子
????????????????????????+????????????→????????????????????????????+????????????????????????+????????????????
?
（最典型的一种核反应方程式）
⑵铀核的三分裂、四分裂
1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇在巴黎首先观察到中子轰击铀核的三分裂和四分裂现象。
铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有:
????????????????????????+????????????→????????????????????????????+????????????????????????+????????????????
?
????????????????????????+????????????→????????????????????????????+????????????????????????+????????????????????
?
二分裂
三分裂
四分裂
概率：
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，这种反应叫核裂变的链式反应。
⑴定义：
2.链式反应
（2）临界体积和临界质量：使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。
铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。
原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，就有可能不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。只有当铀核足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，使链式反应进行下去。通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量
（3）链式反应的条件:
①有足够浓度的铀235
②有足够数量的慢中子
③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。
发生链式反应
爆炸
足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量(critical mass)。 铀-235 的临界质量约为 1 kg，质量超过1 kg 则发生爆炸。
发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。
『想一想』
如图为核裂变示意图。
(1)重核裂变是一种天然现象吗？
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
答案：(1)不是　(2)不能
解析：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，只有达到链式反应的条件时，才会发生重核的裂变。
3.核裂变释放大量的能量
一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能!
原子弹是利用重核的裂变反应制成的,高纯度的铀或钚超过临界体积时发生链式反应,在极短时间内能够释放大量核能，发生猛裂爆炸。
原子弹
拓展学习
原子弹的结构有“内爆式”和“枪式”两种。
通过可控制的链式反应来释放核能的装置。
1.反应堆：
“热中子（慢中子）”核反应堆示意图
水泥防护层
控制棒——镉棒
燃料棒—铀棒
减速剂
⑴燃料：铀棒
⑵慢化剂：为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水或普通水。
⑶控制棒：在铀棒之间插入一些镉棒，利用镉棒吸收中子的能力很强来控制反应速度。镉棒插入的越深，吸收的中子就越多，链式反应的速度就越慢，这样的镉棒叫控制棒。
⑷水泥防护层：屏蔽射线防止放射性污染。
热中子反应堆的核燃料是铀棒，成分是天然铀或浓缩铀（铀235的含量占2%?4%）。
中子的速度不能太快，否则会与铀235“擦肩而过”，铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变。实验证明，速度与热运动速度相当的中子最适于引发核裂变。这样的中子就是“热中子”，或称慢中子。
学习任务二 反应堆与核电站
学习任务二
2.核电站
核电站工作流程
第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核心反应放出的热使水的内能增加，水温升高。第一回路的水进入交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆。
在热交换器内，第二回路中的水被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。
⑴核电站工作流程
例2 [2023·邯郸一中月考] 2020年11月27日,“华龙一号”全球首堆——中核集团福清核电5号机组首次并网成功,其内核是如图所示的核反应堆,关于核反应下列说法中正确的是 (　)
A.图示装置的核反应类型是人工转变
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,反应过程有质量亏损
D.石墨起到降低反应温度的作用
学习任务二
C
[解析]图示装置的核反应类型是核裂变,A错误;
将铀棒插入得更深,中子接触的铀更多,反应加剧,B错误;
裂变反应的燃料是铀,反应过程有质量亏损,C正确;
石墨主要是将快中子变为慢中子,D错误.
两个轻核结合成质量较大的核的核反应。
1.核聚变
一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3-4倍，核反应方程：
????????????+????????????→????????????????+????????????+????????.????????????????
?
其他聚变反应方程:
学习任务三 核聚变
学习任务三
要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15 m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。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？
当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变。因此，核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。
⑵对物质加热到很高的温度108～109K
⑴用加速器加速原子核
（1）反应物质量相同的情况下聚变放出的能量比裂变多，产能效率高。相同的核燃料，反应中产生的能量比较多。
（2）地球上聚变燃料的储量丰富。每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6亿亿立方米的水，大约有40万亿吨氘。氚可以利用锂来制取，地球上锂储量有2000亿吨。
（3）轻核聚变更为安全、清洁。高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是没有放射性的。
（4）反应中放射物质的处理较容易，遗留物对环境污染小。氘和氚聚变反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。
可控核聚变（热核反应）的优越性：
例3 目前地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部核聚变时释放的核能.
(1)如果将太阳内部聚变时的核反应简化为4个氢核(11H)聚变生成1个氦核(24He)和2个正电子.请你写出此核反应方程.
?
学习任务三
[答案] 411H→24He+210e
?
[解析]由质量数守恒和电荷数守恒可得核反应方程为411H→24He+210e
?
例3 目前地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部核聚变时释放的核能.
(2)天文学家估测:太阳已有50亿年的历史了.有人认为:50亿年来,因释放核能而带来的太阳质量变化几乎可以忽略.请你通过计算说明这种观点的合理性.
可能用到的数据:光速为c=3×108 m/s,太阳的质量约为M0=2×1030 kg,太阳辐射的总功率为P0=4×1026 W,1年≈3×107 s.
学习任务三
[解析] 50亿年太阳辐射的总能量为ΔE=P0t
根据ΔE=Δmc2可知,50亿年太阳损失的总质量为Δm=Δ????????2
损失的总质量与太阳质量之比Δ????????0≈0.03%
所以这种说法合理.
?
变式2 (多选)[2023·北京八中期末] 太阳的能量来源是轻核的聚变,太阳中存在的主要元素是氢,核聚变反应可以看作是4个氢核(11H)结合成1个氦核同时放出2个正电子.下表中列出了部分粒子的质量(取1 u=16×10-26 kg).以下说法正确的是 ( 　)
A.核反应方程为411H→24He+210e
B.4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为0.026 6 kg
C.4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为4.43×10-29 kg
D.聚变反应过程中释放的能量约为4.0×10-12 J
?
学习任务三
ACD
粒子名称
质子(p)
α粒子
正电子(e)
中子(n)
质量/u
1.007 3
4.001 5
0.000 55
1.008 7
学习任务三
[解析]由核反应的质量数守恒及电荷数守恒得411H→24He+210e,A正确;
反应中的质量亏损为Δm=4mp-mα-2me=(4×1.007 3-4.001 5-2×0.000 55) u=0.026 6 u=4.43×10-29 kg,B错误,C正确;
由质能方程得ΔE=Δmc2=4.43×10-29×(3×108)2 J≈4×10-12 J,D正确.
?
【要点总结】
学习任务三
1.重核裂变与轻核聚变的区别
2.热核反应的优越性
(1)相同质量的核燃料,热核反应所释放的能量比较多.
(2)热核反应产物基本上是稳定的氦核,生成的废物易处理.
(3)热核反应所用的燃料——氘和氚在地球上储量丰富.
?
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中平均每个核子放出的能量多
[物理观念] 19世纪末,人们认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒,但电子、质子和中子的发现使人们知道原子是可以再分的,人们把光子、电子、质子和中子叫作　　　　　　.?
(1)新粒子的发现
学习任务四 “基本”粒子
学习任务四
基本粒子　
发现时间
1932年
1937年
1947年
40年代后
新粒子
正电子
μ子
K介子与π介子
超子
学习任务四
(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
强子有内部结构,由“夸克”组成
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
规范玻
色子
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
希格斯
玻色子
?
?
希格斯玻色子是希格斯场的量子激发,基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量
(3)实验中发现,对应着许多粒子都存在着质量、寿命、自旋等物理性质与它相同而电荷等其他性质　　　　的粒子,叫作反粒子.?
相反
例4 粒子的分类
(1)强子:是　　　　(填“参与”或“不参与”)强相互作用的粒子.　　　　和
　　　　都是强子.?
(2)轻子:　　　　(填“参与”或“不参与”)强相互作用.　　　　、电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已发现的轻子.?
(3)规范玻色子:是　　　　各种相互作用的粒子,如　　　　、中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子.?
(4)希格斯玻色子:是希格斯场的量子激发.
学习任务四
参与　
质子
中子　
不参与
电子
传递
光子
1.核裂变的发现
⑴重核裂变：重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应的过程，如92235U+01n→56144????????+3689????r+301n
?
⑵链式反应：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
⑶链式反应的条件：铀的纯度和铀块大小
2.反应堆与核电站
3.核聚变
⑴核聚变：两个轻核结合成一个质量较大的核
⑶核聚变的条件：加热到几百万卡尔文（热核反应）
⑷核聚变的例子：太阳、氢弹
课堂小结
12H+13H→24He+01n
?
⑵
核聚变反应：
⑴发现新粒子
粒子的分类
⑵
4.基本粒子
课后习题
1．什么是核裂变？什么是链式反应？
课后习题
2．在核反应堆中，用什么方法控制核裂变的速度？
2.在核反应堆中，主要通过调节控制棒(镉棒)的位置控制核裂变的速度。
课后习题
3．什么是核聚变？核聚变过程中的能量转化有什么特点？
3.两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。从比结合能图线看，核聚变后比结合能增加，因此反应中要释放能量。
课后习题
4．请分析：在地球上实现受控热核反应的必要性、可能性和困难是什么？
4.必要性：由于地球上化石燃料和核裂变材料的储量有限，开发核聚变能非常重要，并且是一项十分紧迫的任务。各国科学家都在加紧研究，以期尽快在地球上制造出人类自己的“太阳”,缓解甚至消除能源危机的困扰。
可能性：地球上核聚变燃料的储量丰富。每升水中含有0.03g氘，地球上的河流、湖泊、
海洋等有138.6亿亿立方米的水，有40多亿吨氘。反应中所用的氚可以利用锂来提取，地球上锂的储量有2000亿吨，用来制取氚足以满足核聚变的需要。
困难：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温。
课后习题
5.在一个反应堆中用石墨做慢化剂使快中子减速。碳核的质量是中子的12倍，假设中子与碳核的每次碰撞都是弹性正碰，而且认为碰撞前碳核都是静止的。
（1）设碰撞前中子的动能是E0，经过一次碰撞，中子失去的动能是多少？
（2）至少经过多少次碰撞，中子的动能才能小于10-6E0？
课后习题
6.秦山核电站第一期工程装机容量为3×108W。如果1g铀235完全核裂变时产生的能量为8.2×1010J，并且假定所产生的能量都变成了电能，那么每年要消耗多少铀235？
7.太阳的总输出功率为3.8×1026W，它来自三种核反应，这些反应的最终结果是氢转变为氦24????????。按照总输出功率计算，太阳每秒失去多少质量？
?
课后习题
课后习题
1.请设计和绘制一个合理的表格，在表格中填入相关的内容，全面概括你对粒子分类的了解
课后习题
2.查找华人科学家在粒子物理领域的成果和事迹，写一篇文章，并与同学交流。

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