第五章 原子核\n4．核裂变与核聚变5．“基本”粒子\n课前预习反馈课内互动探究课堂达标检测目标体系构建核心素养提升\n目标体系构建\n【学习目标】1．知道核裂变反应及链式反应的条件。2．知道裂变反应堆的工作原理，知道核电站的工作流程。3．了解聚变反应及条件。会判断和填写核聚变方程，并能计算聚变释放的能量。4．初步了解粒子物理学的基础知识及粒子的分类。\n【思维脉络】\n课前预习反馈\n知识点1核裂变的发现中子核能\n3．链式反应：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去，这种由重核裂变产生的中子使_________反应一代一代继续下去的过程，叫作核裂变的_________。4．链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于____________或裂变物质的质量大于____________。核裂变链式反应临界体积临界质量\n1．核能释放的控制：通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为____________。2．慢化剂：反应堆中，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________、________和__________(也叫轻水)。核反应堆知识点2反应堆与核电站石墨重水普通水\n3．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________的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入______一些，多吸收一些________，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作__________。4．能量输出：核燃料________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____________，把反应堆内的________传输出去，用于________。说明：核裂变是可以控制的，如核电站的建立和应用。中子深中子控制棒裂变循环流动热量发电\n知识点3核聚变质量较大核聚变10－15m温度热核反应\n4．优点：(1)轻核聚变______________。(2)地球上____________的储量丰富。(3)轻核聚变更为______________。5．约束方法有__________和惯性约束。产能效率高聚变燃料安全、清洁磁约束\n1．基本粒子不基本(1)直到19世纪末，人们都认为________、电子、________和中子是基本粒子。(2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上____________组成的，并发现______________等本身也有复杂结构。光子知识点4粒子质子基本粒子质子、中子\n2．发现新粒子(1)新粒子：1932年发现了_________，1937年发现了_______，1947年发现了__________和__________及以后的超子等。(2)粒子的分类：大体可分为________、________、规范玻色子和希格斯玻色子几种类型。(3)夸克模型的提出：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________构成的。说明：反粒子最显著的特点是当它们与相应的正粒子相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子。正电子μ子K介子π介子强子轻子夸克\n思考辨析『判一判』(1)只要铀块的体积大于临界体积，就可以发生链式反应。()(2)重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小。()(3)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。()××√\n(4)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。()(5)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。()(6)质子、中子不能再分。()(7)太阳目前正处于氢通过热核反应成为氦，以电磁波的形式向外辐射核能。()√√×√\n『选一选』山东荣成石岛湾核电站总装机规模400万千瓦。核电站与火电站相比较，下列说法错误的是()A．核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量B．就可采储量来说，地球上核燃料资源远大于煤炭C．在经济效益方面核电与火电不相上下D．核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理B\n解析：核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量，A正确；就可采储量所提供的能量来说，核燃料资源远大于煤炭所能提供的能量，而不是采储量，B错误；在经济效益方面核电与火电不相上下，C正确；核电站是有污染的，核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理，D正确。\n『想一想』万物生长靠太阳(如图)，太阳在我们日常生活中是不可替代的，它提供给地球足够的能源，如果说太阳一旦没有了，那么地球上的一切生物都将随之消失。你知道太阳的能量来源吗？答案：来源于太阳内部的核聚变反应\n课内互动探究\n探究重核的裂变及链式反应情景导入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400m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1600m范围内所有动植物全部死亡\n(1)巨大的核能是从哪里来的？(2)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？提示：(1)铀核的裂变(2)不需要\n1．铀核的裂变(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式。(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2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断进行下去，释放出越来越多的核能。要点提炼\n\n2．链式反应的条件(1)要有足够浓度的235U(2)要有足够数量的慢中子(3)铀块的体积要大于临界体积3．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。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200MeV估算，1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温。\n关于重核裂变，下列说法正确的是()A．重核裂变成中等核要吸收能量B．中子进入铀块中时，一定能发生链式反应C．重核裂变过程中质量数减少D．较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出核能典例1典例剖析D\n解析：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，可以释放出能量。由此知A错误，D正确；当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子如果能引起其他铀核裂变，链式反应才能进行，B错误；核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，C错误。\n1．(2021·天津一中高二下学期月考)在海军建军70周年阅兵式上，中国海军新型攻击核潜艇093改进型攻击核潜艇公开亮相。核潜艇是以核反应堆作动力源。对点训练\nC\n解析：β衰变是原子核的衰变，与核外电子无关，故A错误；质量数较小的核转化为质量较大的核，属于轻核聚变，故B错误；质量数较大的核裂变为质量中等的核，属于重核裂变，是原子弹裂变反应原理，故C正确；核反应前后核子数相等，核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，故D错误。\n探究核电站情景导入如图所示为核电站工作流程示意图(1)核电站的核心设施是什么？(2)核电站是如何实现能量的转化与转移的？\n提示：(1)核电站的核心设施是核反应堆。(2)通过热交换器将核反应中产生的热量输送出来，推动汽轮机工作。\n1．核电站的主要组成核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件列表如下：要点提炼部件名称慢化剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨、重水或普通水(也叫轻水)镉水或液态钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染\n2．反应堆工作原理(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，石墨、重水或普通水为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围。\n(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电。发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。\n3．核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少。(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大。(3)对环境的污染要比火力发电小。\n典例2典例剖析\nC．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答案：BC\n解题指导：深入理解核反应堆的工作原理，是处理该类问题的关键。解析：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。\n2．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．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：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。对点训练A\n探究氢核的聚变情景导入如图为氢弹原理示意图。(1)核聚变需要满足什么条件？(2)为什么要用原子弹才能引爆氢弹？提示：(1)要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m。(2)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。\n1．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。2．聚变发生的条件要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，但是原子核是带正电的，要使它们接近10－15m就必须克服很大的库仑斥力作用，这就要求原子核应具有足够的动能。方法是给原子核加热，使其达到几百万度的高温。要点提炼\n3．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。\n4．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。\n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2×1030kg，太阳向周围空间辐射能量的总功率为3.8×1026W。(1)写出上述聚变反应的方程；(2)已知质子质量mp＝1.67×10－27kg，氦核质量mα＝6.6458×10－27kg，电子质量me＝9.0×10－31kg，光速c＝3.0×108m/s，求每发生一次上述核反应所释放的能量；典例3典例剖析\n(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？解题指导：(1)聚变的核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒。(2)核能计算的关键是求出核反应中的质量亏损，然后根据爱因斯坦质能方程求解。(3)由m＝tΔm求时间。\n\n\n对点训练BC\n解析：方程(1)属于重核裂变，方程(2)属于轻核聚变，选项A错误而B正确；由质量数和电荷数守恒得，k＝10，d＝1，选项C正确而D错误。\n探究粒子的分类及夸克模型情景导入如图所示为粒子发展示意图。(1)为什么现在将“基本”二字去掉，统称为粒子？(2)为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破？\n提示：(1)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。所以现在将“基本”二字去掉，统称为粒子。(2)夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。\n1．新粒子的发现及特点要点提炼发现时间1932年1937年1947年20世纪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核子之间其质量比质子大\n2．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)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。\n\n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。典例4典例剖析\nA\n8.2×10－14此过程遵循动量守恒定律解题指导：(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。\n\n对点训练\n解析：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。AD\n核心素养提升\n轻核聚变与重核裂变的区别反应方式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大约要大3～4倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多\n反应方式比较项目重核裂变轻核聚变原料的蕴藏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%主要原料是氚，氚在地球上的储量非常丰富。1L海水中大约有0.03g氚，如果用来进行热核反应放出的能量约与燃烧300L汽油相当可控性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，除氢弹以外，人们还不能控制它\n案例AC\n\n课堂达标检测\nD\n\nC\n解析：A．是聚变反应，反应剧烈，至今可控聚变反应还处于实验研究阶段，所以不宜采用，故A错误；B．是重核裂变反应，虽然实现了人工控制，但因反应剧烈，防护要求高，还不能小型化，目前只是一些大型的核电站采用，故B错误；C．是人工放射性同位素的衰变反应，是小型核能电池主要采用的反应方式，故C正确；D．是人工核反应，需要高能α粒子，在月球上不宜实现，故D错误。\n\n关于此核聚变，以下说法正确的是()A．要使轻核发生聚变，就要利用粒子加速器，使轻核拥有很大的动能B．Z＝0，M＝1C．1moL氘核和1moL氚核发生核聚变，可以放出17.6MeV的能量D．聚变比裂变更安全、清洁BD\n\n\nCD\n
