1、4.核裂变与核聚变5.“基本”粒子学习目标：1物理观念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。2.科学思维掌握链式反应及核聚变释放能量的计算，理解核电站的工作原理，掌握轻核聚变的条件，提高分析、解决问题的能力。3.科学探究通过对链式反应的探究，理解原子弹、核反应堆的原理，体会热核反应的条件及科学发现新粒子的进步。4.科学态度与责任学习科学家们研究问题的方法，坚持实事求是的科学态度，体验其工作的艰辛，激发探索未来科学的热情。阅读教材，回答第119页和第126页的“问题”并梳理必要的知识点。教材P119页“问题”提示：重核是裂变释放出巨大的核
2、能，主要应用有原子弹和核电站；轻核聚变释放出巨大能量，现在仅有氢弹应用。教材P126页“问题”提示：这些新发现的粒子大体可分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类别，它们之间存在着密切的关系。一、核裂变1核裂变的发现(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，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是UnBaKr3n。(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核裂变反应一代一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。(4)链式反应的条
3、件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。2反应堆与核电站(1)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核反应堆。(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”，常用的慢化剂有石墨、重水和普通水(也叫轻水)。(3)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，它吸收中子的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。(4)能量输出核燃料裂变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循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。说明：核裂变是可以控
4、制的，如核电站的建立和应用。二、核聚变1定义两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。2举例HHHen17.6 MeV。3条件(1)轻核的距离要达到1015 m以内。(2)需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应。4优点(1)轻核聚变产能效率高。(2)地球上聚变燃料的储量丰富。(3)轻核聚变更为安全、清洁。5约束方法磁约束和惯性约束。三、粒子1基本粒子不基本(1)直到19世纪末，人们都认为光子、电子、质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基本粒子组成的，并发现质子、中子等本身也有复杂结构。2发现新粒子(1)新粒子：1932年发现了正电子，19
5、37年发现了子，1947年发现了K介子和介子及以后的超子等。(2)粒子的分类：大体可分为强子、轻子、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，认为强子是由夸克构成的。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。1思考判断(正确的打“”，错误的打“”)(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。()(2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。()(3)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些。()(4)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。()2(多选)关于重核
6、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，但核子数不变D重核裂变为中等质量的核时，放出核能CD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，铀块的体积必须大于其临界体积，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正确。3(多选)下列关于聚变的说法中正确的是()A要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因
7、此聚变又叫作热核反应 C原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应 D自然界中不存在天然的热核反应ABC轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到1015 m以内，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误。对核裂变和链式反应的理解如图所示为重核裂变的链式反应。试探究：(1)什么是链式反应？(2)链式反应中的临界体积指什么？提示：(1)重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续
8、下去的过程叫链式反应。(2)能发生链式反应的最小体积叫临界体积，相应的质量叫临界质量。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：nUBaKr3nUnSrXe3n。2链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积。(2)铀块的质量大于临界质量。以上两个条件满足一个即可。【例1】(多选)20
9、17年11月17日，“中国核潜艇之父”黄旭华获评全国道德模范。下列有关核反应的说法正确的是()A目前核潜艇是利用重核裂变提供动力B重核裂变反应前后一定有质量亏损CUnUSrdn式中d1D铀核裂变后的新核比铀核的比结合能小思路点拨：(1)核裂变放出能量，比结合能变大。(2)核反应方程，质量数守恒、电荷数守恒。AB目前核潜艇是利用重核裂变提供动力，选项A正确；重核裂变要释放核能，则反应前后一定有质量亏损，选项B正确；根据质量数和电荷数守恒可知，该核反应中的d2，选项C错误；铀核不如裂变后生成的新核稳定，可知铀核的比结合能比裂变后生成的新核的比结合能小，选项D错误。对重核裂变的两点理解(1)重核裂变
10、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。跟进训练1下列核反应中，表示核裂变的是()AUThHeBCNeCUnBaKr3nDBeHeCnCUThHe是衰变，CNe是衰变，BeHeCn是人工转变，只有选项C是重核裂变，C正确。核电站与核反应堆如图是慢中子反应堆的示意图。试探究：(1)铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？(
11、2)如何控制裂变反应的激烈程度？提示：(1)慢中子。(2)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，反之，应使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会快一些。1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：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2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
12、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24%)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。反应堆示意图(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
13、，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。3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。【例2】每昼夜消耗220 g铀235的原子能发电站，如果效率为25%，它能产生的电功率为多大？(每个铀核裂变时放出的能量是200 MeV)思路点拨：由题条件求出总能量，再求出有用功，除以时间得到电功率。解析一昼夜消耗的铀所能产生的核能为：E2006.0210231061.61019 J1.81013 J电功率P W5.2107 W。答案5.2107 W跟进训练2在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是()A使用浓缩铀B改变铀块的
14、临界体积C通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制反应速度D利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度C利用控制系统吸收慢中子，控制链式反应的速度，C选项正确。对核聚变的理解据报道，中科院离子物理所经过八年的艰苦奋斗努力，终于率先建成了世界上第一个全超导的托克马克试验装置并调试成功。这种装置被称为“人造太阳”(如图所示)，它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续地输出能量，就像太阳一样为人类提供无限清洁的能源。问题探究：(1)请写出此核聚变的方程式；(2)请说出核聚变能源的优点。提示：(1)核聚变方程：HHHen17.6 MeV(2)优点：产能效率高核燃料储量丰富安全、
15、清洁。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1015 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质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核聚变的应用(1)核武器氢弹：一种不需要人工控制
16、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大约要大34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【例3】氘核(H)和氚核(H)结合成氦核(He)的核反应方程如下：HHHen17.6 MeV(1)这个核反应称为_。(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文。式中17.6 M
17、eV是核反应中_(选填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量_(选填“增加”或“减少”)了_kg(保留一位有效数字)。思路点拨：(1)两个轻核结合成一个中等质量的核，是核聚变。(2)核聚变有质量亏损，放出热量。解析在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由Emc2，可以求得m31029 kg。答案(1)核聚变(2)放出减少31029(1)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。(2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入Emc2进行计算。跟进训练3太阳内部核反应的主要模式之一是质子质子循环，循环
18、的结果可表示为4HHe2e2已知H和He的质量分别为mp1.007 8 u和m4.002 6 u，1 u931 MeV/c2，c为光速。在4个H转变为1个He的过程中，释放的能量约为()A8 MeVB16 MeVC26 MeVD52 MeVC核反应质量亏损m41.007 8 u4.002 6 u0.028 6 u，释放的能量E0.028 6931 MeV26.6 MeV，选项C正确。“基本”粒子已知介子、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，它们所带电荷量如下表所示，表中e为元电荷。ud电荷量eeeeee试探究：(1)应由哪两个组成？(2)又应由哪两个组成？
19、提示：(1)由于介子带有e的电荷量，应由u和组成。(2)同理介子带有e的电荷量，应由和d组成。1新粒子的发现及特点发现时间1932年1937年1947年20世纪60年代后新粒子反粒子子K介子与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2.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)。(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。例如，上夸
20、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位，即存在分数电荷。【例4】在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。(1)中微子与水中的H发生核反应，产生中子(n)和正电子(e)，即：中微子Hne可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是_。(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子()，即ee2，已知正电子和电子的质量都为9.11031 kg，反应中产生的
21、每个光子的能量约为_J。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是什么？解析(1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0。(2)产生能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则Emc2，故一个光子的能量为，代入数据得8.21014 J。正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故只有产生2个光子，此过程才遵循动量守恒定律。答案(1)0和0(2)8.21014见解析对核反应中新生成粒子的认识新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律。跟进训练4目前普遍
22、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夸克带电荷量为e，d夸克带电荷量为e，e为元电荷，下列论断可能正确的是()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B由于质子带e的正电荷，则由两个u夸克和一个d夸克组成，其总的电荷量为e；中子不带电，则由一个u夸克、两个d夸克组成，其总的电荷量为0，由此可知B正确。1物理观念：核裂变、核聚变、链式反应、新粒
23、子。2科学思维：对核裂变、核聚变的理解及核能的计算，核反应堆的分析与新粒子的认识。3科学方法：实验法、计算法、分析法、比较法。1(多选)关于人们发现的新粒子，下列说法正确的是()A许多粒子都有自己的反粒子B把粒子分为强子、轻子、媒介子，根据是粒子与各种相互作用的关系C质子属于强子D光子属于轻子ABC根据粒子的分类、粒子与反粒子描述知A、B、C正确；光子属于媒介子，D错误。2(多选)下列说法正确的是()A聚变是裂变的逆反应B核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温，反应时放出能量C轻核聚变比裂变更为安全、清洁D强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发现的强子BC聚变和裂变的反应物和生成物
24、完全不同，两者无直接关系，并非互为逆反应，故A错误；实现聚变反应必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温，但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量，所以聚变反应还是释放能量，故B正确；实现聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了，另外，聚变反应比裂变反应生成的废物数量少，容易处理，故C正确；质子是最早发现的强子，故D错误。3(多选)重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是()A裂变过程质量增加B裂变过程质量亏损C裂变过程和聚变过程都有质量增加D聚变过程有质量亏损BD重核裂变和轻核聚变都能释放巨大的能量，由爱因斯坦质能方程知两过程均会
25、有质量亏损。4(多选)关于铀核裂变，下列说法正确的是()A铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B铀核裂变时还能同时释放23个中子C为了使裂变的链式反应容易进行，最好用铀235而不用铀238D铀块的体积对产生链式反应无影响BC铀核受到中子的轰击，会引起核裂变，放出23个中子，裂变的产物是多样的，具有极大的偶然性，只是裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，A错误，B正确；铀235受慢中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的概率小，C正确；而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，D错误。5(思维拓展)2010年3月31日，欧洲大型强子对撞机实现首次质子束对撞成功。科学家希望以接近光速飞行的质子在发生撞击之后，能模拟宇宙大爆炸的能量，并产生新的粒子，帮助人类理解暗物质、反物质以及其他超对称现象，从根本上加深了解宇宙本质，揭示宇宙形成之谜。欧洲科研机构宣布他们已经制造出9个反氢原子。问题探究：(1)什么是反粒子？(2)请推测反氢原子的结构？提示：(1)“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异种电荷。(2)“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且相等的电荷量，所以反氢原子是H核和e构成的。
