资源简介

4　核裂变与核聚变　5　“基本”粒子
学习任务一　核裂变的发现
[教材链接] 阅读教材“核裂变的发现”相关内容,完成下列填空:
(1)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　　　　的过程.
(2)典型的铀235裂变方程:　　　　　　　　　.
(3)链式反应:铀235核裂变时释放出2~3个　　　　,这些　　　　又继续引起其他铀235核裂变,这样就能使核裂变反应不断进行下去,称为核裂变的链式反应.
(4)链式反应的条件:发生裂变物质的体积大于或等于　　　　　　　　或裂变物质的质量大于或等于　　　　　　.
例1 [2024·河北唐山一中月考] 如图所示,某次铀核裂变反应式为UnBaKr+n.反应产生的中子可能击中其他铀原子核从而引发链式反应,用mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量,mn表示中子的质量,c为真空中的光速,下列说法正确的是 (　)
A.链式反应能否发生跟铀原料的体积无关
B.裂变产物Ba的比结合能大于U的比结合能
C.该核反应过程中质量有所增加
D.该核反应中放出的核能为(mU-mBa-mKr-3mn)c2
变式1 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,当U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式,其中一种裂变反应方程为U+Sr+n,其中UnXeSr的质量分别为235.043 9 u、1.008 7 u、138.917 8 u、93.915 4 u.已知1 u的质量对应的能量为931.5 MeV,则此裂变反应过程中:
(1)质量亏损为多少
(2)释放出的能量是多少
学习任务二　反应堆与核电站
[教材链接] 阅读教材“反应堆与核电站”相关内容,完成下列填空:
(1)核电站:核电站是利用核能发电的装置,它的核心设施是　　　　　　,它主要由以下几部分组成:
①核燃料:　　　　.
②慢化剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,常采用　　　　、　　　　和　　　　　作慢化剂.
③控制棒:为了控制能量释放的速度,就要想办法减少中子的数目,采用在反应堆中插入镉棒的方法,利用镉　　　　　　能力强的特性,就可以控制链式反应的速度.
(2)工作原理:核燃料　　　　释放能量,使反应区温度升高.
(3)能量输出:水或液态的金属钠等流体在反应堆内外　　　　　　,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　　　　对人体的伤害和　　　　　　　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　　　　　,用来屏蔽核裂变反应放出的各种射线,核废料具有很强的　　　　　,需要装入特制的容器,　　　　　　.
例2 [2024·江西九江一中月考] 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
学习任务三　核聚变
[教材链接] 阅读教材“核聚变”相关内容,完成下列填空:
(1)核聚变的发生
①两个　　　　结合成质量较大的核,这样的核反应叫核聚变.如HHHen+17.6 MeV.
聚变后比结合能　　　　,因此反应中会　　　　能量.
②核聚变条件:a.轻核的距离要达到　　　　以内.b.需要加热到很高的　　　　,因此又叫　　　　　　.
③氢弹原理:首先由化学炸药引爆原子弹,再由原子弹爆炸产生的　　　　　　引发热核爆炸.
④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　　　　　　　.
(2)受控热核反应
①聚变与裂变相比有很多的优点.a.轻核聚变产能　　　　　;b.地球上核聚变燃料的储量　　　　;c.轻核聚变更为安全、清洁.
②科学家设想的受控热核反应有两种方案:即　　　　　和　　　　　　.
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H)聚变生成1个氦核(He)和2个正电子.请你写出此核反应方程.
(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.
变式2 (多选)[2024·北京四中月考] 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H)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=×10-26 kg). 以下说法正确的是 (　)
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
A.核反应方程为HHe+e
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
【要点总结】
1.重核裂变与轻核聚变的区别
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
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.
学习任务四　“基本”粒子
[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
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
(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)夸克与粒子物理标准模型
①夸克的提出:1964年美国物理学家盖尔曼等人提出了夸克模型,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:夸克所带的电荷是元电荷的+或-.例如,上夸克带的电荷量为+,下夸克带的电荷量为-.
④意义:电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷.
例4 为了探究宇宙起源,科学家将利用阿尔法磁谱仪(AMS)在太空中寻找“反物质”,所谓“反物质”是由“反粒子”构成的.“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量,但电荷的符号相反,则反氢原子是 (　)
A.由1个带正电荷的质子和1个带负荷的电子构成
B.由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成
C.由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成
D.由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成
[反思感悟]

例5 (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,它们的带电荷量如表所示,表中e为元电荷.下列说法正确的是 (　)
粒子 π+ π- u d
带电荷量 +e -e + - - +
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
1.(核裂变)关于重核的裂变,以下说法正确的是(　)
A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B.中子从铀块中通过时,一定发生链式反应
C.重核裂变释放出大量能量,产生明显的质量亏损,所以核子数要减少
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
2.(反应堆)(多选)关于核反应堆,下列说法正确的是 (　)
A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能
B.镉棒的作用是控制反应堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热量
3.(核裂变)(多选)核能已广泛应用于清洁电力、热力生产等领域,成为全球能源供应的重要组成部分,应进一步扩大核能利用,以减少碳排放,实现可持续发展和气候变化目标.目前核能的利用主要是人工控制下进行的核裂变的链式反应.已知阿伏加德罗常数为6.02×1023 mol-1,关于核裂变的链式反应,下列说法正确的是 (　)
A.裂变产生的快中子,速度越大越有利于反应的进行,无需设法使快中子减速
B.铀核裂变的产物是多样的,比如核反应方程可以是UnBaKr+n
C.一个铀235核裂变可释放200 MeV的能量,1 t标准煤燃烧时放出2.93×1010 J的热量,则1 g铀235全部裂变时释放的能量就相当于2.8 t标准煤完全燃烧时释放的能量
D.秦山核电站利用的是核裂变产生的能量,裂变比聚变产能效率更高,更为安全、清洁
4.(核聚变)[2022·天津卷] 从夸父逐日到羲和探日,中华民族对太阳的求知探索从未停歇.2021年10月,我国第一颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”顺利升空.太阳的能量由核反应提供,其中一种反应序列包含核反应:He+HeHe+2X,下列说法正确的是 (　)
A.X是中子
B.该反应有质量亏损
C. He比He的质子数多
D.该反应是裂变反应
5.(基本粒子)太阳放出的大量中微子向地球飞来,但实验测定的数目只有理论的三分之一,后来科学家发现中微子在向地球传播过程中衰变成一个μ子和一个τ子.若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子原来的方向一致,则τ子的运动方向 (　)
A.一定与μ子同方向
B.一定与μ子反方向
C.一定与μ子在同一直线上
D.不一定与μ子在同一直线上
4　核裂变与核聚变　5　“基本”粒子
[教材链接] (1)中子　核能　(2UnBaKr+n　(3)中子　中子　(4)临界体积　临界质量
例1　B　[解析] 链式反应能否发生跟铀原料的体积有关,故A错误;裂变产物Ba的比结合能大于U的比结合能,从而产生质量亏损,放出能量,故B正确;该核反应过程中质量有亏损,故C错误;该核反应中放出的核能为(mU-mBa-mKr-2mn)c2,故D错误.
变式1　(1)0.193 3 u　(2)180 MeV
[解析] (1U裂变成Xe和Sr,同时放出中子n,裂变前后质量变化Δm=m前-m后=(235.043 9+1.008 7-138.917 8-93.915 4-3×1.008 7) u=0.193 3 u.
(2)由爱因斯坦质能方程得ΔE=Δmc2=0.193 3×931.5 MeV≈180 MeV.
[教材链接] (1)核反应堆　①铀棒　②石墨　重水　普通水
③吸收中子　(2)裂变　(3)循环流动　(4)射线　放射性物质　水泥层　放射性　深埋地下
例2　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.
[教材链接] (1)①轻核　增大　释放　②a.10-15 m　b.温度　热核反应　③高温高压　④热核反应堆　(2)①a.效率高　b.丰富　②磁约束　惯性约束
例3　(1)HHe+e　(2)见解析
[解析] (1)由质量数守恒和电荷数守恒可得核反应方程为HHe+e.
(2)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=
损失的总质量与太阳质量之比≈0.03%
所以这种说法合理.
变式2　ACD　[解析] 由核反应的质量数守恒及电荷数守恒得HHe+e,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.
[物理观念] 基本粒子
例4　B　[解析] 反氢原子由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成.故选B.
例5　AD　[解析] 因π+介子带有+e的电荷量,且是由一个夸克和一个反夸克组成的,则夸克u带+e和反夸克带+e合成电荷量为+e,那么π+介子是由夸克u和反夸克组成的;同理,π-介子由夸克d和反夸克组成,所以A、D正确.
随堂巩固
1.D　[解析] 核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损,是核能转化为其他形式能的过程,其能量远大于俘获中子时吸收的能量,A错误,D正确;发生链式反应是有条件的,铀块的体积必须不小于其临界体积,否则中子从铀块中穿过时,可能碰不到原子核,则不会发生链式反应,B错误;重核裂变时,核子数守恒,C错误.
2.ABD　[解析] 铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,选项A正确;镉棒吸收中子的能力很强,作用是调节中子数目以控制反应速度,即控制反应堆功率,选项B正确;石墨的作用是使中子减速,选项C错误;水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却,控制温度,选项D正确.
3.BC　[解析] 裂变产生的快中子,要经过与慢化剂中的原子核碰撞,速度减小,变成慢中子,才容易被铀核吸收,故A错误;利用中子轰击铀核可以发生裂变反应,核反应方程可以为UnBaKr+n,故B正确;2.8 t标准煤完全燃烧时释放的能量为Q1=mQ=2.8×2.93×1010 J≈8.2×1010 J,1 g铀235的物质的量为 mol,个数为n=×6.02×1023个≈2.6×1021个,全部裂变时释放的能量为Q2=nQ0=2.6×1021×200×106×1.6×10-19 J≈8.3×1010 J,故1 g铀235全部裂变时释放的能量就相当于2.8 t标准煤完全燃烧时释放的能量,故C正确;裂变产生的核废料放射性极强,难以处理,聚变产物无污染,不具放射性,故D错误.
4.B　[解析] 根据核反应过程满足质量数守恒和电荷数守恒可知,X的质量数为1,电荷数为1,可知X是质子,故A错误;两个轻核结合成质量较大的核,核反应属于聚变反应,反应过程存在质量亏损,释放能量,故B正确,D错误;He与He的质子数相同,均为2个质子,故C错误.
5.C　[解析] 根据题中给出的信息,中微子在衰变过程中分裂为μ子和τ子,符合动量守恒定律,mv0=mμvμ+mτvτ,因此mτvτ=mv0-mμvμ,当μ子与中微子速度方向相同时,则τ子运动方向与μ子运动方向只能是同向或反向,即在同一直线上,但由于不知道中微子和μ子的动量大小,因此具体方向无法判断,所以A、B、D错误,C正确.

展开更多......

收起↑