资源简介

4　核裂变与核聚变
5　“基本”粒子
定位·学习目标
1.阅读教材,知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念,了解原子弹、核反应堆、聚变反应条件、新粒子的内容,形成物理观念。
2.通过对链式反应的探究,了解链式反应的条件,知道核电站的工作原理,了解轻核聚变的条件,培养科学思维和科学探究精神。
知识点一　核裂变的发现
探究新知
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,其产物是多样的,其中一种典型的反应是 UnBa+Kr+n。
3.链式反应
当一个中子引起一个重核裂变后,裂变释放的中子再继续与其他重核发生反应,引起新的核裂变,就能使核裂变反应不断地进行下去,这种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。
4.常见的裂变方程
(1UnXeSr+n。
(2UnBaKr+n。
5.链式反应发生的条件
(1)铀块的体积不小于临界体积,或质量不小于临界质量,以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。
6.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。如果一个铀235核裂变时释放的能量按200 MeV估算,1 kg铀235全部发生核裂变时放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧释放的化学能,裂变时能产生几百万摄氏度的高温。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。(　×　)
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应。(　×　)
(3)核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量。(　×　)
(4)铀核裂变的产物是钡和氪,且固定不变,同时放出三个中子。(　×　)
知识点二　反应堆与核电站
探究新知
1.核电站
利用核能发电,它的核心设施是反应堆,它主要由以下几部分组成。
(1)燃料:铀棒。
(2)慢化剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用石墨、重水或普通水作慢化剂。
(3)控制棒:为了控制能量释放的速度,就要想办法调节中子的数目,采用在铀棒之间插入镉棒的方法,利用镉吸收中子的特性,就可以控制链式反应的速度。
2.工作原理
核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高。
3.能量输出
利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动,用于发电。
4.核污染的处理
在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层,用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线,核反应堆中的核废料具有很强的放射性,需要装入特制的容器,深埋地下。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)中子的速度越快,越容易发生铀核裂变。(　×　)
(2)核反应堆是通过调节中子数目来控制反应速度的。(　√　)
(3)核反应堆用过的核废料无毒无害。(　×　)
知识点三　核聚变
探究新知
1.定义
两个轻核结合成质量较大的核的反应。
2.典型的核聚变:一个氘核和一个氚核的聚变,
HHHen+17.6 MeV。
该反应平均每个核子放出的能量比核裂变反应平均每个核子放出的能量大 3～4倍。
3.条件
(1)轻核的作用距离要达到10-15 m以内。
(2)核聚变可以通过高温来实现,因此又叫热核反应。
4.聚变与裂变相比的优点
(1)轻核聚变产能效率高。
(2)地球上核聚变燃料的储量丰富。
(3)轻核聚变更为安全、清洁。
5.实现核聚变的方法
(1)难点:地球上没有任何容器能够经受核聚变需要的高温。
(2)方案:科学家设想了两种方案,即磁约束和惯性约束,环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)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。(　√　)
(2)要使聚变产生,必须克服库仑斥力做功。(　√　)
(3)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受热核反应所需的温度。(　√　)
知识点四　“基本”粒子
探究新知
1.新粒子的发现及特点
发现 时间 1932年 1937年 1947年 20世纪 40年代末
新粒 子 正电子 μ子 K介子 与π介子 超子
基本 特点 质量与电 子相同而 电性相反 比质子的 质量小 质量介于 电子与核 子之间 质量超 过核子
2.反粒子:质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同,而电荷等其他性质相反的粒子。
3.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”构成;强子又分为介子和重子两类
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 光子传递电磁相互作用,中间玻色子传递弱相互作用,胶子传递强相互作用
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。 2012年,欧洲核子研究中心利用大型强子对撞机发现了希格斯玻色子
4.夸克模型
(1)夸克的提出:1964年,美国科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:夸克所带的电荷量是分数电荷量,即其电荷量为元电荷的-或+。
(4)意义:电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。(　×　)
(2)质量、寿命、自旋等物理性质相同,而电荷量相等、电性相反的粒子称为反粒子。(　√　)
(3)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍。(　×　)
(4)按照夸克模型,电子所带电荷不再是电荷的最小单元。(　√　)
要点一　核裂变的深化分析
情境探究
观察铀核裂变示意图。
探究:(1)试写出一种铀核裂变的核反应方程。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗
(3)重核裂变为什么能释放核能
答案:(1UnBaKr+n。
(2)铀块体积应大于或等于临界体积才能发生链式反应。
(3)中等质量的原子核中核子的平均质量较小,重核和轻核中核子的平均质量较大。如果原子序数较大的重核分裂成原子序数小一些的核,会有质量亏损,放出巨大的核能。
要点归纳
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个或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。
(3)常见的裂变方程。
UnBaKr+n;
UnSrXe+1n。
2.链式反应的条件
(1)铀块的体积不小于临界体积。
(2)铀块的质量不小于临界质量。
以上两个条件满足一个即可。
3.裂变反应的两点说明
(1)铀核裂变只能发生在人为的核反应中,自然界中不会自发地产生裂变,而是会发生衰变。
(2)链式反应速度很快,如不加以控制,能量在瞬间急剧释放会引起剧烈爆炸(如原子弹)。如果运用一定办法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)。
4.裂变问题的分析方法
(1)对于裂变问题,要知道是什么原子核发生了裂变,写出原子核的裂变方程,应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒;更应该注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造,并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生。
(2)根据质能方程可得ΔE=Δmc2,由反应前后原子核的质量亏损,可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。
典例研习
[例1] [对重核裂变的理解] “华龙一号”是我国具有完整自主知识产权的三代核电技术,被誉为“国之重器”“国家名片”。目前,“华龙一号”已成为全球在运在建机组总数最多的三代核电技术,将为我国能源绿色低碳转型作出更大贡献。核反应堆中一种典型的核反应方程为U+BaKr+n,下列说法正确的是(　D　)
A.方程中x=56,y=4
B.铀核的链式反应中可用重水吸收中子控制反应速度
C.一个U原子核中中子比质子多143个
D.三种原子核的结合能从大到小的顺序为UBaKr
解析:根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒可得235+1=144+89+y×1,92+0=x+36+y×0,解得x=56,y=3,故A错误;铀核的链式反应中,常用的慢化剂有石墨、重水和普通水,用镉棒吸收中子控制反应速度,故B错误;一个U原子核中中子数为235-92=143,则一个U原子核中中子比质子多143-92=51个,故C错误;原子核中的核子数越大,原子核的结合能越大,则三种原子核的结合能从大到小的顺序为 UBaKr,故D正确。
[例2] [裂变产生核能的计算] 山东海阳核电站一期工程建设了两台125万千瓦的AP1000三代核电机组。如果铀235在中子的轰击下裂变为Sr和Xe,已知mU=235.043 9 u,mn=1.008 7 u,mSr=89.907 7 u,mXe=135.907 2 u,1 u的质量对应的能量为931.5 MeV。
(1)写出裂变方程;
(2)求出一个铀核裂变放出的能量;(结果保留到小数点后1位)
(3)若铀矿石的纯度为3%,一期工程投产发电后,一年将消耗多少吨铀矿石 (阿伏加德罗常数NA=6.02×1023mol-1)
解析:(1)根据核裂变规律可得
UnSrXe+1n。
(2)裂变过程的质量亏损为
Δm=mU+mn-mXe-mSr-10mn=0.150 7 u,
释放的能量为
ΔE=Δmc2=0.150 7×931.5 MeV≈140.4 MeV。
(3)核电站一年的发电量为
E=Pt=2×125×107×365×24×60×60 J
=7.884×1016 J,
由E=NΔE=NAΔE,
得m=,
代入数据解得m≈45.7 t。
答案:(1UnSrXe+1n
(2)140.4 MeV
(3)45.7 t
对重核裂变的理解
(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核,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,原因是核反应前后质量有亏损,根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解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。
要点二　对核聚变的理解
情境探究
核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变,这种反应在太阳上已经持续了50亿年。可控核聚变俗称人造太阳,人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。科学家们希望发明一种装置,可以有效控制“氢弹爆炸”的过程,让能量持续稳定地输出。
探究:(1)任何两个原子核都可以发生聚变吗 发生聚变需要什么条件
(2)两个轻核结合成质量较大的核,总质量较聚变前发生了怎样的变化
(3)两个轻核结合成质量较大的核,原子核的比结合能怎样变化
答案:(1)不是。发生聚变必须使轻核接近核力发生作用的距离,即10-15 m。
(2)发生了质量亏损。
(3)原子核的比结合能增加。
要点归纳
1.聚变发生的条件
要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离达到10-15 m以内,这要克服电荷间强大的斥力作用,要求轻核具有足够大的动能。方法是给原子核加热,使其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。
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出更多的能量。
(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)遵守规律:核聚变反应和一般的核反应一样,也遵循电荷数和质量数守恒,这是书写核反应方程式的重要依据。
(5)核能的计算:核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损,然后根据ΔE=Δmc2进行计算。
4.核聚变的应用
(1)核武器——氢弹:一种不需要人工控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
燃料储量情况 聚变燃料储量丰富
核废料处 理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多
典例研习
[例3] [对核聚变的理解](多选)我国全超导托卡马克核聚变实验装置实现了1×108℃等离子体运行等多项重大突破,为利用聚变能量迈出了重要一步。关于核聚变,下列说法正确的是(　ABD　)
A.聚变又叫热核反应
B.太阳就是一个巨大的热核反应堆
C.高温能使原子核克服核力而聚变
D.对相同质量的核燃料,轻核聚变比重核裂变产能多
解析:托卡马克装置是轻核聚变装置,需要很高的温度才能让轻核聚变,也称之为热核反应,太阳内部时时刻刻进行这样的反应,选项A、B正确;要使轻核发生聚变就必须使它们之间的距离达到核力发生作用的距离,而核力是短程力,作用距离要达到10-15 m以内,在达到此距离之前,为了克服库仑斥力,就需几百万摄氏度高温,使原子核具有非常大的动能,从而相撞发生聚变,选项C错误;相同质量的核燃料释放出的核能,轻核聚变要比重核裂变多很多,选项D正确。
[例4] [核聚变产生核能的计算] 氘核H可通过一系列聚变反应释放能量,其总效果可用反应式H→He+H+n+43.15 MeV表示。海水中富含氘,已知1 kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个,若全都发生聚变反应,其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等;已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J,1 MeV=1.6×10-13 J,则M约为(　C　)
A.40 kg B.100 kg
C.400 kg D.1 000 kg
解析:结合核反应方程知,1 kg海水中的氘核全部发生聚变反应放出的能量E=×43.15×1.6×10-13 J≈1.15×1010 J,根据题意得M=M0=×1 kg≈400 kg,故A、B、D错误,C正确。
1.关于粒子,下列说法正确的是(　A　)
A.质子的反粒子的电荷量与质子相同,但带的是负电荷
B.强子都是带电的粒子
C.目前发现的轻子只有8种
D.光子属于轻子
解析:质子的反粒子是反质子,它的电荷量与质子相同,但带的是负电荷,A正确;有的强子带电,有的强子不带电,B错误;目前发现的轻子只有6种,C错误;光子属于规范玻色子,D错误。
2.(2023·天津卷)关于太阳上进行的核聚变,下列说法正确的是(　A　)
A.核聚变需要在高温下进行
B.核聚变中电荷不守恒
C.太阳质量不变
D.太阳核反应方程式UnBa+Kr+n
解析:因为只有高温才能使得粒子的热运动剧烈,才有可能克服核子间的库仑斥力,使得核子间的距离缩短,发生聚变,故A正确;核聚变中电荷是守恒的,故B错误;太阳一直发生核聚变反应并释放大量能量,根据质能方程可知反应是要消耗一定的质量的,故C错误;核聚变的方程为HH→n,故D错误。
3.(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源,一种裂变反应式是 UnBaKr+n。下列说法正确的是(　BCD　)
A.铀块体积对链式反应的发生无影响
B.反应堆中铀核的反应速度可以人工控制
C.反应方程左边物质的能量之和大于反应方程右边物质的能量之和
D.反应方程左边物质的结合能之和小于反应方程右边物质的结合能之和
解析:铀块体积需要达到临界体积才能发生链式反应,因此铀块体积对链式反应的发生有影响,故A错误;镉棒或硼棒可以吸收核反应产生的中子,因此反应堆中铀核的反应速度可以通过插入控制棒进行人工控制,故B正确;重核的裂变反应为放能反应,因此核反应方程左边物质的能量之和大于核反应方程右边物质的能量之和,故C正确;根据结合能的含义可知,反应方程左边物质的结合能之和小于反应方程右边物质的结合能之和,故D正确。
4.(2023·福建卷)福建福清核电站采用我国完全自主研发的“华龙一号”反应堆技术,建设了安全级别世界最高的机组。机组利用U核裂变释放的能量发电,典型的核反应方程为 nUBa+Kr+n,则A=　　　　,Z=　　　;若核反应过程中质量亏损1 g,释放的能量为　　　　J。(光速大小取3.0×108 m/s)
解析:由核反应过程质量数守恒、电荷数守恒可得A=92,Z=56;根据质能关系ΔE=Δmc2,代入数据可得ΔE=1×10-3×(3×108)2 J=9×1013 J。
答案:92　56　9×1013
课时作业
基础巩固练
考点一　重核的裂变和核电站
1.(多选)图为核电站的反应堆示意图,下列说法正确的是(　BD　)
A.水泥防护层主要起保温作用
B.镉棒的作用是吸收中子控制反应速度
C.反应堆放出的热量可直接全部转化为电能
D.核反应堆中的核废料需要装入特定的容器深埋地下
解析:水泥防护层的作用是阻隔各种射线,避免放射性危害,故A错误;镉棒的作用是吸收中子,以控制反应速度,故B正确;反应堆放出的热量不可以直接全部转化为电能,故C错误;核反应堆中的核废料需要装入特定的容器深埋地下,故D正确。
2.在2023年10月28日举行的首届国际天然铀产业发展论坛中,我国宣布,通过“天空地深”一体化勘查技术发现了一批万吨至十万吨级铀矿床。天然铀中主要有铀238和铀235,其中,铀235的裂变方程为 UnKrBa+n,下列说法正确的是(　C　)
A.铀235裂变可以自发进行
B.反应方程中A=144,Z=53
CKr的比结合能大于U的比结合能
D.离地表越深,温度越高,铀235的半衰期也越大
解析:铀235的裂变需要中子轰击才能发生,故A错误;根据反应过程满足质量数和电荷数守恒可知A=235+1-89-3=144,Z=92-36=56,故B错误;核裂变会释放能量,则反应后的产物Kr的比结合能大于 U的比结合能,故C正确;半衰期不随温度变化而变化,故D错误。
3.2022年6月23日,辽宁红沿河核电站一期和二期工程共6台机组全面投产,总装机容量超过671万千瓦,是东北地区首座核电站。在该核电站的核反应堆中,中子轰击重核铀发生裂变反应,释放出大量核能。已知一个U裂变时能释放200 MeV的能量,阿伏加德罗常数NA=6.02×1023 mol-1,则1 kg的U完全裂变释放的能量为(　C　)
A.8.3×1013 MeV B.1.2×1025 MeV
C.5.2×1026 MeV D.5.2×1030 MeV
解析:1 kg的 U含有的原子核数目N=·NA=×6.02×1023≈2.6×1024(个),故1 kg的U完全裂变释放的能量为E=NE0=2.6×
1024×200 MeV=5.2×1026 MeV,故选C。
4.原子弹和核反应堆都利用了原子核裂变产生的能量。前者会给人类带来灾难,后者却能用来发电为人类造福。用一个中子轰击U,可发生裂变反应生成Ba和Kr,并释放出几个中子,已知每个中子的质量m1=1.008 u U的质量m2=235.043 uBa的质量m3=140.913 u,
Kr的质量m4=91.897 u,质量亏损1 u相当于释放931 MeV 的能量,光速c=3×108 m/s。
(1)请写出上述裂变中的核反应方程;
(2)求一个U在裂变反应中释放核能的表达式(用m1、m2、m3、m4、c表示)。
解析:(1)由质量数和电荷数守恒可得该核反应方程为UnBaKr+n。
(2)反应后质量亏损为
Δm=m1+m2-m3-m4-3m1
=m2-m3-m4-2m1,
根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,
得ΔE=(m2-m3-m4-2m1)c2。
答案:(1UnBaKr+n
(2)ΔE=(m2-m3-m4-2m1)c2
考点二　轻核的聚变
5.下列核反应方程中属于聚变反应的是(　A　)
A.HHHen
BNHeOH
CHeAlPn
DUnBaKr+n
解析:聚变是指由质量小的原子核,主要是指氘或氚,在一定条件下(如超高温和高压),发生原子核互相聚合作用,生成新的质量较大的原子核,并伴随着巨大的能量释放的一种核反应方式,A是轻核聚变,B是人工核反应;C中方程是原子核的人工转变;D是重核裂变,A正确,B、C、D错误。
6.2023年8月,“中国环流三号”首次实现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　)
A.轻核聚变过程,原子核的比结合能变大
B.轻核聚变在常温常压下即可自发地进行
C.轻核聚变过程,生成物的质量大于反应物的质量
D.与核裂变反应相比,核聚变的产能效率更低
解析:原子的比结合能越大越稳定,核聚变过程释放能量,生成物较稳定,比结合能变大,A正确;轻核聚变反应过程需要使得一部分原子核具有足够的动能,可以克服库仑斥力,因此需要高温,B错误;核反应方程电荷数和质量数守恒,释放热量,质量亏损,所以生成物的质量小于反应物的质量,C错误;与核裂变反应相比,核聚变的产能效率更高,D错误。
7.2023年4月12日21时,中国有“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,成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒,对提升核聚变发电具有重要意义。假设“人造太阳”内部持续不断地发生着4个质子H)聚变为氦核He)的热核反应,如果“人造太阳”每秒钟向空间辐射的能量约为1.9×1010 J,光速c=3.0×108 m/s。下列说法正确的是(　C　)
A.“人造太阳”中的热核反应方程为HHe+e
B.4个质子H聚变为氦核He的热核反应前后质量守恒
C.“人造太阳”中的热核反应使“人造太阳”质量每分钟减少约1.27×10-5 kg
D.目前世界上的核电站主要是利用热核反应产生的能量来发电
解析:由题意可知,“人造太阳”发生热核反应的方程式为HHe+e,故A项错误;该反应放出热量,由质能方程可知,该反应过程中存在质量亏损,即该反应前后,质量不守恒,故B项错误;“人造太阳”每分钟向空间辐射的能量为E=1.9×1010×60 J=1.14×1012 J,由质能方程有E=Δmc2,解得Δm≈1.27×10-5 kg,所以“人造太阳”中的热核反应使“人造太阳”质量每分钟减少约1.27×10-5 kg,故C项正确;目前世界上的核电站主要是利用重核裂变反应产生的能量来发电,故D项错误。
8.2024年6月25日,嫦娥六号返回器携带约1 935.3克来自月球背面的样品安全返回,这是人类目前为止采集到的唯一一批来自月球背面的样品,已知氦3He)是月球岩石中的新物质,该物质可以与氘H)发生核聚变反应,并放出质子H。已知He的原子质量为3.016 0 u,
H的原子质量为2.014 0 uHe的原子质量为4.002 6 u,质子的原子质量为1.007 8 u,1 u相当于931 MeV的能量。
(1)请写出此核反应方程;
(2)求该核反应中释放的核能(结果保留2位小数)。
解析:(1)依题意,该核反应方程为HeHHeH。
(2)核反应的质量亏损
Δm=3.016 0 u+2.014 0 u-4.002 6 u-1.007 8 u
=0.019 6 u,
释放出的核能
ΔE=0.019 6×931 MeV≈18.25 MeV。
答案:(1HeHHeH
(2)18.25 MeV
综合提升练
9.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,u夸克带电量为,d夸克带电量为-,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:由质子带一个单位正电荷,中子不带电,设质子中u夸克、d夸克个数分别是x、y,x、y取正整数,则x×+y×(-)=e,解得x=2、y=1;设中子中u夸克、d夸克个数分别是m、n,m、n取正整数,则m×+n×(-)=0,解得m=1、n=2,即质子由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,故B正确。
10.(2022·浙江1月选考)(多选)2021年12月15日秦山核电站迎来了安全发电30周年,核电站累计发电约6.9×1011 kW·h,相当于减排二氧化碳六亿多吨。为了提高能源利用率,核电站还将利用冷却水给周围居民供热。下列说法正确的是(　CD　)
A.秦山核电站利用的是核聚变释放的能量
B.秦山核电站发电使原子核亏损的质量约为27.6 kg
C.核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度
D.反应堆中存在UnBaKr+n的核反应
解析:秦山核电站利用的是重核裂变释放的能量,选项A错误;如果不考虑核能与电能转化效率,则根据爱因斯坦质能方程可知原子核亏损的质量Δm== kg=27.6 kg,但核能转化为电能的效率不可能的100%,所以质量亏损应该超过27.6 kg,选项B错误;核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度,选项C正确;反应堆中存在UnBa+Kr+n的核反应,选项D正确。
11.原子弹的核反应方程之一为UnBa+Kr+3X,氢弹的核反应方程为HHn+Y,关于这两个核反应下列说法不正确的是(　A　)
A.原子弹的核反应为重核的裂变,X为H
B.氢弹的核反应为轻核的聚变,Y为He
C.两个核反应都发生质量亏损
D.两个核反应反应前的比结合能都小于反应后的比结合能
解析:根据核反应中质量数守恒得到X的质量数为=1,根据电荷数守恒可以计算出X的电荷数为=0,则判断X应该是中子,故A错误;氢弹的核反应是轻核的聚变,根据核反应中质量数守恒得到Y的质量数为2+3-1=4,根据电荷数守恒可以计算Y的电荷数为1+1=2,所以Y为氦原子核,故B正确;无论是重核的裂变还是轻核的聚变,都能释放出巨大的能量,都发生了质量亏损,故C正确;释放能量的核反应都是朝着比结合能大的方向进行的,所以两个核反应反应前的比结合能都小于反应后的比结合能,故D正确。本题选不正确的,故选A。
12.核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。近年来,受控核聚变的科学可行性已得到验证,目前正在突破关键技术,最终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦,并释放一个中子,若已知氘原子的质量为2.014 1 u,氚原子的质量为3.016 0 u,氦原子质量为4.002 6 u,中子的质量为1.008 7 u,1 u=1.66×10-27 kg。
(1)写出该核聚变反应的核反应方程式,并计算一次核聚变反应中释放的核能;(结果保留2位有效数字)
(2)未来建设一座应用此反应的热核发电站,若该发电站的功率P=5×105 kW,计算理论上该发电站一年(约3.15×107 s)大约需要多少千克的氘。(阿伏加德罗常数为6×1023 mol-1)
解析:(1)该核反应方程式为H+Hen,
反应中的质量亏损为Δm=m氘+m氚-(m氦+m中)=0.018 8 u,
根据质能方程ΔE=Δmc2,
代入数据得ΔE≈2.8×10-12 J。
(2)该发电站一年产生的电能E=Pt,
代入数据求得E=1.575×1016 J,
理论上该发电站一年需要的氘的质量m=×10-3,
代入数据解得m=18.75 kg。
答案:(1HHHen　2.8×10-12 J
(2)18.75 kg(共53张PPT)
4　核裂变与核聚变
5　“基本”粒子
「定位·学习目标」
1.阅读教材,知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念,了解原子弹、核反应堆、聚变反应条件、新粒子的内容,形成物理观念。
2.通过对链式反应的探究,了解链式反应的条件,知道核电站的工作原理,了解轻核聚变的条件,培养科学思维和科学探究精神。
探究·必备知识
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。
「探究新知」
知识点一　核裂变的发现
中子
3.链式反应
当一个中子引起一个重核 后,裂变释放的 再继续与其他重核发生反应,引起新的核裂变,就能使核裂变反应不断地进行下去,这种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。
裂变
4.常见的裂变方程
中子
5.链式反应发生的条件
(1)铀块的体积 临界体积,或质量不小于临界质量,以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。
不小于
6.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。如果一个铀235核裂变时释放的能量按200 MeV估算,1 kg铀235全部发生核裂变时放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧释放的化学能,裂变时能产生几百万摄氏度的高温。
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。(　 　)
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应。(　 　)
(3)核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量。(　 　)
(4)铀核裂变的产物是钡和氪,且固定不变,同时放出三个中子。
(　 　)
「新知检测」
×
×
×
×
1.核电站
利用核能发电,它的核心设施是反应堆,它主要由以下几部分组成。
(1)燃料: 。
(2)慢化剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用 、重水或普通水作慢化剂。
(3)控制棒:为了控制能量释放的速度,就要想办法调节中子的数目,采用在铀棒之间插入镉棒的方法,利用镉 的特性,就可以控制链式反应的速度。
「探究新知」
知识点二　反应堆与核电站
铀棒
石墨
吸收中子
2.工作原理
核燃料发生核 释放的能量使反应区温度升高。
3.能量输出
利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外 ,用于发电。
4.核污染的处理
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,核反应堆中的核废料具有很强的 ,需要装入特制的容器,深埋地下。
裂变
循环流动
水泥层
放射性
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)中子的速度越快,越容易发生铀核裂变。(　 　)
(2)核反应堆是通过调节中子数目来控制反应速度的。(　 　)
(3)核反应堆用过的核废料无毒无害。(　 　)
「新知检测」
×
√
×
1.定义
两个轻核结合成 的核的反应。
「探究新知」
知识点三　核聚变
质量较大
该反应平均每个核子放出的能量比核裂变反应平均每个核子放出的能量大 倍。
3～4
3.条件
(1)轻核的作用距离要达到10-15 m以内。
(2)核聚变可以通过高温来实现,因此又叫 。
4.聚变与裂变相比的优点
(1)轻核聚变产能效率高。
(2)地球上核聚变燃料的储量丰富。
(3)轻核聚变更为安全、清洁。
热核反应
5.实现核聚变的方法
(1)难点:地球上没有任何容器能够经受核聚变需要的高温。
(2)方案:科学家设想了两种方案,即磁约束和 ,
是目前性能最好的一种磁约束装置。
惯性约束
环流器
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)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。(　 　)
(2)要使聚变产生,必须克服库仑斥力做功。(　 　)
(3)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受热核反应所需的温度。(　 　)
「新知检测」
√
√
√
1.新粒子的发现及特点
「探究新知」
知识点四　“基本”粒子
发现 时间 1932年 1937年 1947年 20世纪
40年代末
新粒子 K介子 与π介子 超子
基本 特点 质量与电 子相同而 电性相反 比质子的 质量小 质量介于 电子与核 子之间 质量超
过核子
正电子
μ子
2.反粒子: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 的粒子。
相同
3.粒子的分类
分类 参与的 相互作用 发现的粒子 备注
参与强相 互作用 质子、中子 强子有内部结构,由“夸克”构成;强子又分为介子和重子两类
相反
强子
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 光子传递电磁相互作用,中间玻色子传递弱相互作用,胶子传递强相互作用
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。 2012年,欧洲核子研究中心利用大型强子对撞机发现了希格斯玻色子 轻子
4.夸克模型
(1)夸克的提出:1964年,美国科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)。
(4)意义:电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷。
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。(　 　)
(2)质量、寿命、自旋等物理性质相同,而电荷量相等、电性相反的粒子称为反粒子。(　 　)
(3)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍。(　 　)
(4)按照夸克模型,电子所带电荷不再是电荷的最小单元。
(　 　)
「新知检测」
×
√
×
√
突破·关键能力
要点一　核裂变的深化分析
「情境探究」
观察铀核裂变示意图。
探究:(1)试写出一种铀核裂变的核反应方程。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗
答案:(2)铀块体积应大于或等于临界体积才能发生链式反应。
(3)重核裂变为什么能释放核能
答案:(3)中等质量的原子核中核子的平均质量较小,重核和轻核中核子的平均质量较大。如果原子序数较大的重核分裂成原子序数小一些的核,会有质量亏损,放出巨大的核能。
「要点归纳」
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个或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。
(3)常见的裂变方程。
2.链式反应的条件
(1)铀块的体积不小于临界体积。
(2)铀块的质量不小于临界质量。
以上两个条件满足一个即可。
3.裂变反应的两点说明
(1)铀核裂变只能发生在人为的核反应中,自然界中不会自发地产生裂变,而是会发生衰变。
(2)链式反应速度很快,如不加以控制,能量在瞬间急剧释放会引起剧烈爆炸(如原子弹)。如果运用一定办法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)。
4.裂变问题的分析方法
(1)对于裂变问题,要知道是什么原子核发生了裂变,写出原子核的裂变方程,应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒;更应该注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造,并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生。
(2)根据质能方程可得ΔE=Δmc2,由反应前后原子核的质量亏损,可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。
「典例研习」
D
(1)写出裂变方程;
(2)求出一个铀核裂变放出的能量;(结果保留到小数点后1位)
答案:(2)140.4 MeV
解析:(2)裂变过程的质量亏损为
Δm=mU+mn-mXe-mSr-10mn=0.150 7 u,
释放的能量为
ΔE=Δmc2=0.150 7×931.5 MeV≈140.4 MeV。
(3)若铀矿石的纯度为3%,一期工程投产发电后,一年将消耗多少吨铀矿石 (阿伏加德罗常数NA=6.02×1023mol-1)
答案:(3)45.7 t
规律方法
对重核裂变的理解
(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核,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,原因是核反应前后质量有亏损,根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解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。
要点二　对核聚变的理解
「情境探究」
核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变,这种反应在太阳上已经持续了50亿年。可控核聚变俗称人造太阳,人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。科学家们希望发明一种装置,可以有效控制“氢弹爆炸”的过程,让能量持续稳定地输出。
探究:(1)任何两个原子核都可以发生聚变吗 发生聚变需要什么条件
答案:(1)不是。发生聚变必须使轻核接近核力发生作用的距离,即10-15 m。
(2)两个轻核结合成质量较大的核,总质量较聚变前发生了怎样的变化
答案:(2)发生了质量亏损。
(3)两个轻核结合成质量较大的核,原子核的比结合能怎样变化
答案:(3)原子核的比结合能增加。
「要点归纳」
1.聚变发生的条件
要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离达到10-15 m以内,这要克服电荷间强大的斥力作用,要求轻核具有足够大的动能。方法是给原子核加热,使其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。
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出更多的能量。
(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)遵守规律:核聚变反应和一般的核反应一样,也遵循电荷数和质量数守恒,这是书写核反应方程式的重要依据。
(5)核能的计算:核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损,然后根据ΔE=Δmc2进行计算。
4.核聚变的应用
(1)核武器——氢弹:一种不需要人工控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 燃料储量情况 聚变燃料储量丰富 核废料处 理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多 「典例研习」
ABD
[例3] [对核聚变的理解](多选)我国全超导托卡马克核聚变实验装置实现了1×108℃等离子体运行等多项重大突破,为利用聚变能量迈出了重要一步。关于核聚变,下列说法正确的是(　 　)
A.聚变又叫热核反应
B.太阳就是一个巨大的热核反应堆
C.高温能使原子核克服核力而聚变
D.对相同质量的核燃料,轻核聚变比重核裂变产能多
解析:托卡马克装置是轻核聚变装置,需要很高的温度才能让轻核聚变,也称之为热核反应,太阳内部时时刻刻进行这样的反应,选项A、B正确;要使轻核发生聚变就必须使它们之间的距离达到核力发生作用的距离,而核力是短程力,作用距离要达到10-15 m以内,在达到此距离之前,为了克服库仑斥力,就需几百万摄氏度高温,使原子核具有非常大的动能,从而相撞发生聚变,选项C错误;相同质量的核燃料释放出的核能,轻核聚变要比重核裂变多很多,选项D正确。
A.40 kg B.100 kg
C.400 kg D.1 000 kg
C
检测·学习效果
1
2
3
4
1.关于粒子,下列说法正确的是(　 　)
A.质子的反粒子的电荷量与质子相同,但带的是负电荷
B.强子都是带电的粒子
C.目前发现的轻子只有8种
D.光子属于轻子
A
解析:质子的反粒子是反质子,它的电荷量与质子相同,但带的是负电荷,A正确;有的强子带电,有的强子不带电,B错误;目前发现的轻子只有6种,C错误;光子属于规范玻色子,D错误。
2.(2023·天津卷)关于太阳上进行的核聚变,下列说法正确的是(　 　)
A.核聚变需要在高温下进行
B.核聚变中电荷不守恒
C.太阳质量不变
A
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
BCD
A.铀块体积对链式反应的发生无影响
B.反应堆中铀核的反应速度可以人工控制
C.反应方程左边物质的能量之和大于反应方程右边物质的能量之和
D.反应方程左边物质的结合能之和小于反应方程右边物质的结合能之和
1
2
3
4
解析:铀块体积需要达到临界体积才能发生链式反应,因此铀块体积对链式反应的发生有影响,故A错误;镉棒或硼棒可以吸收核反应产生的中子,因此反应堆中铀核的反应速度可以通过插入控制棒进行人工控制,故B正确;重核的裂变反应为放能反应,因此核反应方程左边物质的能量之和大于核反应方程右边物质的能量之和,故C正确;根据结合能的含义可知,反应方程左边物质的结合能之和小于反应方程右边物质的结合能之和,故D正确。
1
2
3
4
解析:由核反应过程质量数守恒、电荷数守恒可得A=92,Z=56;根据质能关系ΔE=Δmc2,代入数据可得ΔE=1×10-3×(3×108)2 J=
9×1013 J。
92
56
9×1013
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