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第五章 原子核
High school physics
4 核裂变与核聚变
5 “基本”粒子
会书写核裂变和核聚变方程，会利用质量亏损计算核裂变和核聚变产生的核能。
知道什么是核裂变、核聚变和链式反应，知道链式反应和核聚变的条件。
重难点
了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度。
重点
了解粒子的发现史，知道粒子的分类及特点，了解夸克模型。
01
02
03
04
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。巨大的核能是从哪里来的？
答案　铀核的裂变释放出的能量。
核裂变的发现
01
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实验中发现，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给出了解释：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块 。
核裂变
1
定义
铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变
2
铀核裂变
用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是nKr+3
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。
四分裂概率：
三分裂概率：
三分裂和四分裂
链式反应与铀原子的数量
铀原子数量较多
铀原子数量较少
链式反应
1
定义
中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去
2
临界体积和临界质量
核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量
等效
核裂变的能量
重核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量
如图所示为核裂变示意图。

(1)重核裂变是一种天然现象吗？
答案　重核裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，所以重核裂变不是一种天然现象。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
答案　不是。有中子轰击铀块且铀块的体积大于或等于临界体积，才会发生链式反应。
1. 关于重核的裂变，下列说法正确的是
A.核裂变时释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B.重核裂变时释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，核子数减少
C.铀核自发放出α粒子、β粒子时要释放能量，核电站利用的就是这一能量
D.重核的比结合能小于中等质量核的比结合能，所以重核裂变成中等质
量核时，要放出核能，有质量亏损
√
比结合能是核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量 ，或原子核拆解成核子时每个核子平均吸收的能量。重核的比结合能小于中等质量核的比结合能，可见由重核裂变成中等质量的核要放出能量，有质量亏损，选项D正确；
铀核裂变放出的能量是原子核的核能，不等于俘获中子时得到的能量，选项A错误；
裂变过程遵循质量数守恒、电荷数守恒，选项B错误；
核电站利用的是裂变释放的能量，选项C错误。
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比中等质量的核的平均结合能小。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。
反应堆与核电站
02
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
我国的核电站
核电站
镉棒控制核反应速度
组成部分 材料 作用
裂变材料(核燃料) 铀棒(浓缩铀) 提供核燃料
减速剂(慢化剂) 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速
控制棒 镉棒 吸收中子，控制反应速度
热交换器 水或液态的金属钠 传输热量
防护层 厚水泥层 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害
核电站的核心设施-反应堆
(1)核燃料发生核裂变释放能量，使反应区温度升高。
(2)能量输出：水或液态的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。
核电站的工作原理
核污染的处理
在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。
2.如图为普通核反应堆的结构示意图，通过铀235链式反应实现核能的可控释放。下列关于核反应堆工作中的说法正确的是
A.正常运行的反应堆，水泥防护层外能检测到大量α粒子
B.中子速度越快越容易发生链式反应
C.通过改变镉棒的插入深度来控制反应速度
D.铀核裂变时释放能量的多少与生成物种类无关
√
正常运行的核反应堆主要的辐射有γ辐射和中子辐射，所以水泥防护层外不可能检测到大量α粒子，故A错误；
中子速度越快越不容易使链式反应发生，故B错误；
利用镉棒对中子吸收能力强的特点，通过改变镉棒的插入深度，从而改变中子的数量来控制反应速度，故C正确；
核裂变释放的能量与反应前后质量亏损有关，铀核裂变时会因产物种类不同导致质量亏损不同，释放能量不同，故D错误。
核聚变
03
1
定义
两个轻核结合成质量较大核的核反应
2
核反应方程(举例)：
HHen+17.6 MeV
3
条件
使轻核的距离达到10-15 m以内
方法
需要加热到很高的温度，因此核聚变又叫热核反应
核聚变
宇宙中的核聚变
太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能
人工热核反应的应用——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高温高压引发热核爆炸。
普通炸药
Ｕ235
氘、氚
爆炸
裂变
聚变
1967年，我国首枚氢弹爆炸成功
氢弹结构
核聚变与核裂变的比较
1
优点
①轻核聚变产能效率高；
②地球上核聚变燃料氘储量丰富，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要；
③轻核聚变更为安全、清洁。
2
缺点
核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度
受控核反应
(1)磁约束：带电粒子运动时在均匀磁场中受洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。
中国科学院的环流器装置
(2)惯性约束
由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。
3. (多选)(2025·福建卷)2025年，我国“人造太阳”实现了等离子体原子核温度超1亿度的突破。在1亿度的高温条件下，“人造太阳”内可发生如下核反应：H+H→He+n+17.5 MeV。若动量大小相等、方向相反的氘核与氚核正碰后发生该反应，反应产生的He和n的总动能近似等于核反应释放的全部能量，则
A.该反应过程有质量亏损 B.该反应为核裂变反应
C.n的动能约为14 MeV D.He的动能约为14 MeV
√
√
根据题意可知，该核反应是典型的核聚变反应，反应过程释放能量，有质量亏损，故选项A正确，B错误；
设氦核的质量为m氦、速度为v氦、动能为E氦，中子的质量为m中、速度为v中、动能为E中，核反应过程满足动量守恒定律和能量守恒定律，反应前氘核和氚核的总动量为零，反应后氦核和中子的总动量也为零，因此有0=m氦v氦+m中v中，由能量守恒定律有m氦+m中=17.5 MeV，因m氦=4m中，解得E氦=3.5 MeV、E中=14 MeV，故选项C正确，D错误。
4.当太阳的温度升至某一温度时，太阳内部会发生氦闪：三个He生成一个，瞬间释放大量的核能。已知的质量是mC=12.000 0 u，He的质量是mHe=4.002 6 u，1 u相当于931.5 MeV的能量。根据以上材料，完成下面问题：(结果保留三位有效数字)
(1)写出氦闪时的核反应方程；
(2)计算一次氦闪过程释放的能量；
(3)求4 kg的He发生氦闪时释放的能量相当于多少千克的标准煤完全燃烧释放的能量？已知1 kg的标准煤完全燃烧释放的能量约为2.9×107 J，
1 MeV=1.6×10-13 J，NA=6.02×1023 mol-1。
答案　 (1) 3→
(2)氦闪过程中质量亏损为：Δm=3mHe-mC=0.007 8 u
释放的核能为：ΔE=Δmc2=931.5×0.007 8 MeV≈7.27 MeV
(3)设4 kg的He的物质的量为n，则n=，
M=4 g/mol，设4 kg的He中含有He的个数为N，则N=nNA，NA=6.02×1023 mol-1，结合核反应方程，反应释放的总能量为E=·ΔE，
设对应标准煤的质量为m0，则m0=，联立解得m0≈8.05×106 kg。
“基本”粒子
04
“基本粒子”不基本
道尔顿（原子）
汤姆逊（电子）
卢瑟福（质子）
查德威克（中子）
在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的粒子，随着科学的进一步发展，科学家发现质子、中子也有着自己的复杂结构，于是“基本粒子”不再“基本”。
发现新粒子
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相同，而电荷等其他性质相反，这些粒子叫作反粒子。
例如，电子和正电子，质子和反质子等
粒子的分类
1.强子：参与强相互作用的粒子。
2.轻子：不参与强相互作用的粒子。
电子
电子中微子
μ子
μ子中微子
τ子和τ子中微子
轻子
（6 种）
3.规范玻色子：传递各种相互作用的粒子。
4.希格斯玻色子：希格斯场的量子激发。
光子
中间玻色子（W和Z玻色子）
胶子
传递弱相互作用
传递电磁相互作用
传递强相互作用
质子
中子
夸克
1
夸克模型
1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克。
2
夸克种类
下夸克d 上夸克u 奇夸克s
粲夸克c 底夸克b 顶夸克t
3
意义
电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。
粒子物理标准模型是一整套关于粒子的理论。其中，夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质的几类最基本的粒子。
轻核聚变： HHen+17.6 MeV
铀核裂变： nKr+3
应用：核电站、原子弹
实现方法：高温
核聚变
核裂变
链式反应：核裂变一代一代不断延续
应用：未来的核电站、氢弹

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