1、4.核裂变与核聚变5“基本”粒子知识结构导图核心素养目标物理观念：核列变、核聚变、链式反应、核电站、夸克模型科学思维：热核反应可能的控制方法科学探究：核电站的组成及工作原理科学态度与责任：(1)了解常用裂变反应堆的类型，了解核电站及核能发电的优缺点(2)了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史，初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子和谐统一.知识点一、核裂变的发现1核裂变：重核被_轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反应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，其中一种典型的裂变是UnBaKr_.3链式反应：由重核裂变产生的中子使核裂变反应_继续下去的过程，叫作核裂变的链式反
2、应4临界体积和临界质量：把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，相应的质量叫做临界质量5核裂变的能量：1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于_标准煤完全燃烧时释放的化学能知识点二、反应堆与核电站1核电站：利用核能发电，它的核心设施是_，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_、_和_作慢化剂；(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_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_，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫做控制棒(4)水泥防护层：用来_裂变产物放出的各种射线2工作原理：_释放
3、的能量，使反应区温度升高3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，_.拓展：铀核裂变的一种核裂变反应方程，生成物是Ba和Kr，铀核裂变的另一种核反应方程：UnXeSr10n在这个反应式中，生成物是Xe和Sr.点睛：石墨：碳原子重水：两个氘原子与一个氧原子形成的化合物，D2O分子量20轻水：普通水，H2O分子量18图解：知识点三、核聚变1
4、核聚变(1)定义：两个_结合成质量较大的核的核反应(2)典型的核聚变：HH_n17.6 MeV.(3)条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到_ m以内，核力才能起作用由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的_这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达_开尔文，因此聚变又叫_(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是_需要用_爆炸产生的高温高压引发核爆炸(5)太阳能：太阳的主要成分是_，太阳中心温度可达1.6107K，在此高温下，氢核聚变成氮核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部_释放的核能2受控热核反应(1)聚变的优点：第
5、一：轻核聚变产能效率高第二：地球上核聚变燃料的储量丰富第三：轻核聚变更为安全、清洁(2)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温(3)控制方法磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是_惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用_从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应知识点四、“基本”粒子1基本粒子的组成：分子由原子构成，不同原子构成化合物分子，相同原子构成单质分子原子是由位于中心的原子核和核外高速旋转的电子构成的(电子带负电，原子核带正电)原子核是由质子和中子构成的(质子带正电，中子不带电)最初的基本粒子包
6、括：光子、电子、质子和中子2发现新粒子1932年发现了_，1937年发现_，1947年发现K介子和介子及以后的超子、_等下表呈现的是自20世纪30年代至今物理学家通过实验发现的一部分新粒子3粒子的分类分类参与的相互作用发现的粒子备注强子强相互作用质子、中子、介子、超子质子是最早发现的强子，强子有内部结构轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子现代实验还没有发现其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/希格斯玻色子又称为标量玻色子拓展：我国具有完全自主知识产权的三代百万千瓦级核电技
7、术电站华龙一号，设置了完善的严重事故预防和缓解措施，其安全指标和技术性能已达到国际最先进的三代水平我国的核能发电技术已居于世界领先地位为什么说基本粒子不基本？一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发现的很多新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的点睛：许多粒子都存在着质量、寿命、自旋等物理性质与它相同而电荷等其他性质相反的粒子，叫作反粒子；按照粒子的对称性，有一个粒子，就应该有一个反粒子点睛：按质量分类：轻子、介子、核子、超子 质子、中子按粒子自旋分类：费米子和玻色子 自旋为半整数 自旋为整数要点一对重核裂变和核能的利用题型1对重核裂变及链式反应的理解【
8、例1】铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是()A铀块的质量是重要因素，与体积无关B为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子C若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生D裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关题型2核裂变方程的理解【例2】目前商业运转中的核能发电厂都是利用核裂变反应而发电下列核反应方程式中，表示重核裂变方程的是()A.NHeOHB.HeBenCC.UnBaKr3n D.PSie题型3重核裂变核能的计算【例3】裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核U为燃科的反应堆中，当U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方
9、式，其中一种可表示为UnXeSe3n235043 91.008 7138.917 893.915 4反应方程下方的数字是中子及有关原子核的静止质量(以原子质量单位u为单位)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)亏损质量为原子质量单位的多少倍？(2)释放出的能量是多少？变式训练1秦山核电站是我国自行设计、建造和运营管理的第一座30万千瓦压水堆核电站在一次核反应中一个中子轰击U变成Xe、Sr和若干个中子，已知U、Xe、Sr的比结合能分别为7.6 MeV、8.4 MeV、8.7 MeV，则()A该核反应方程为UXeSr9nB要发生该核反应需要吸收能量C.Sr比Xe
10、更稳定D该核反应中质量增加变式训练2(多选)用中子n轰击铀核U产生裂变反应，会产生钡核Ba和氪核Kr并释放出中子n，当达到某些条件时可发生链式反应；一个铀核U裂变时释放的能量约为200 MeV(1 eV1.61019J)真空中的光速为3108 m/s，下列说法正确的是()A.U的裂变方程为UBaKr2nB.U的裂变方程为UnBaKr3nC一个U裂变时，质量亏损约为7.11028 kgD一个U裂变时，质量亏损约为3.61028 kg裂变的理解要点(1)核裂变的特点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，放出更多中子的过程重核裂变需要在人工控制的核反应中
11、进行，自然界不会自发产生，这也是与核衰变的区别之一裂变情形的多样性用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中两种典型的反应是UnBaKr3nUnXeSr2n(2)链式反应：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的23个中子(或更多)再引起其他重核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应(3)链式反应的条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有足够浓度的铀235.有足够数量的慢中子题型4核电站的结构及工作原理【例4】如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是()A铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减
12、少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C控制棒主要由镉做成，当反应过于激烈时，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慢一些D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变式训练3(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能核电站发电的优点：(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，所能提供的能量大(3)对环境的污染要比火力发电小核聚变的优点：(1)轻核聚
13、变产能效率高；(2)核聚变燃料氘和氚储量丰富；(3)轻核聚变更为安全、清洁要点二核聚变的特点及应用1核聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核间距达到核力发生作用的距离1015 m以内，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核聚变利用的难点：地球上没有任何容器能够经受如此高的温度(发生条件达到几百万摄氏度3解决方案：磁约束，惯性约束(1)磁约束将燃料锁定在一定空间原理：带电粒子运动时，在均匀磁场中受到洛伦兹力的作用而不飞散，因此可利用磁场来约束参加反应的物质(2)惯性约束产生高温原理：由于聚变反应的时间非
14、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”在一起发生反应题型1核聚变反应方程【例5】科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚核反应获得能量，核反应方程分别为XYHeH4.9 MeV和HHHeX17.6 MeV，下列表述正确的有()AX是质子BY的质子数是3，中子数是3C两个核反应都没有质量亏损D氘和氚的核反应是原子核的人工转变题型2核聚变反应的能量问题【例6】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6H2He2H2n43.15 MeV表示海水中富含氘，已知1 kg海水中含有氘核约为1.01022个若全都发生聚
15、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2.9107 J1 MeV1.61013 J，则M约为()A40 kgB100 kgC400 kgD1 000 kg题型3核反应类型的判断【例7】现有三个核反应方程：NaMge；UnBaKr3n；HHHen.下列说法正确的是()A是裂变，是衰变，是聚变B是聚变，是裂变，是衰变C是衰变，是裂变，是聚变 D是衰变，是聚变，是裂变核聚变的特点(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放的能量多(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
16、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核反应类型及判断方法(1)常见判核反应类型类型概念典型方程衰变原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的过程，也叫天然放射现象UThHe，ThPae人工转变人工用高速粒子轰击原子核，产生另一种新核的过程NHeOH，BeHeCn裂变重核分裂成质量较小的原子核，释放出核能的过程UnBaKr3n裂变轻核结合成质量较大的原子核，释放出能量的过程HHHen变式训练4下面列出的是一些核反应方程，针对核反应方程下列说法正确的是()UThX HHHeYBeHBK UnSrXe10MA核反应方程是重核裂变，X是粒子B核反应方程是轻核聚变，Y是中子C核反应方程是太
17、阳内部发生的核聚变，K是正电子D核反应方程是衰变方程，M是中子变式训练5太阳辐射的总功率约为41026W，其辐射的能量来自聚变反应在聚变反应中，一个质量为1 876.1 MeV/c2(c为真空中的光束)的氘核(H)和一个质量为2 809.5 MeV/c2的氚核(H)结合为一个质量为3 728.4 MeV/c2的氦核(He)，并放出一个X粒子，同时释放大约17.6 MeV的能量下列说法正确的是()AX粒子是质子BX粒子的质量为939.6 MeV/c2C太阳每秒因为辐射损失的质量约为4.4109 kgD太阳每秒因为辐射损失的质量约为17.6 MeV/c2(2)判断方法衰变方程的左边只有一个原子核，
18、右边出现或粒子，分别为衰变或衰变；人工核转变方程的左边一般是高能粒子氦原子核与常见原子核的反应，右边也是常见元素的原子核；聚变方程的左边是两个轻核反应，右边是中等质量的原子核；裂变方程的左边是重核与中子反应，右边是中等质量的原子核要点三对基本粒子的认识【例8】关于粒子，下列说法正确的是()A电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B强子都是带电的粒子C夸克模型是探究三大类粒子结构的理论D夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位变式训练6(多选)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，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷ud带电荷量eee
19、eee下列说法正确的是()A由u和组成B由和d组成C由u和组成 D由和d组成点拨：明确粒子带电情况及各种夸克的电性、电量进行夸克组合，使组合成的粒子与原粒子电性、电量完全相同1关于核反应方程，下列说法正确的是()A.BaRnHe，此反应是核裂变，吸收能量B.UnXeSr2n，此反应是核裂变，放出能量C.NHeOH，此反应是核聚变，放出能量D.HHHeX，此反应是核聚变，由方程可判断X是质子2关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是()A镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度B用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量C利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数
20、量D镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度3下列核反应方程中，属于研究“两弹”的基本核反应方程的是()HHHenUnSeXe10nUThHeNHeOHA B C D4大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电氘核聚变反应方程是HHHen.已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u1 u931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为()A3.7 MeV B3.3 MeVC2.7 MeV D0.93 MeV5(多选)国家国防科技工业局首次发布“嫦娥三号”月面虹湾局部影像图，如图所示科学家发现在月
21、球上含有丰富的He(氦3)它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为HeHe2HHe.关于He聚变下列表述正确的是()A聚变反应不会释放能量B聚变反应产生了新的原子核C聚变反应会有质量亏损D目前核电站都采用He聚变反应发电4核裂变与核聚变5“基本”粒子基础导学研读教材一、1.中子23n3一代接一代52 800t二、1.核反应堆(1)铀棒(2)石墨重水普通水(3)中子中子(4)屏蔽2核燃料裂变3裂变循环流动4射线放射性物质水泥层放射性深埋地下三、1.(1)轻核(2)He(3)1015库仑斥力几百万热核反应(4)氢弹原子弹(5)氢核聚变2(3)环流器激光四、2.正电子子
22、反粒子课堂互动合作探究要点一【例1】【解析】要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于等于临界体积(或临界质量)，A、D错误，C正确；铀235俘获慢中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的几率小，B错误【答案】C【例2】【解析】NHeOH是卢瑟福发现质子的核反应方程，A错误；HeBenC是查德威克发现中子的核反应方程，B错误；UnBaKr3n是重核裂变，C正确；PSie是约里奥居里夫妇发现放射性同位素，同时放出正电子的核反应方程，D错误【答案】C【例3】【解析】(1)U裂变成Xe和Sr，同时放出中子n，裂变前后质量变化mm前m后(235.043 91.008 7138.917 893.
23、915 431.008 7)u0.193 3 u，亏损质量为原子质量单位的0.193 3倍(2)由爱因斯坦质能方程，得Emc20.193 3931.5 MeV180.06 MeV【答案】(1)0.193 3(2)180.06 MeV变式训练1解析：A错：该核反应方程为UnXeSr10n.B错：发生该核反应放出能量C对：Sr比Xe的比结合能大，则更稳定D错：该核反应中放出能量，则有质量亏损，质量减小答案：C变式训练2解析：A错，B对：U的裂变方程为UnBaKr3n.C错，D对：一个铀核裂变时，释放的能量约为200 MeV，根据质能方程得质量亏损mkg3.61028kg.答案：BD【例4】【解析】
24、A错，B对：快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟减速剂(慢化剂)的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C、D错：控制棒主要由镉做成，镉吸收中子的能力很强，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【答案】B变式训练3解析：A对：铀棒是核燃料，裂变时放出能量B对：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，即控制反应堆的功率C错：慢中子最容易引发铀核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速D对：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
25、堆冷却，控制温度答案：ABD要点二【例5】【解析】A错：由方程HHHeX17.6 MeV，根据电荷数守恒、质量数守恒知，X的电荷数为0，质量数为1，故X为中子B对：由方程XYHeH4.9 MeV，根据电荷数守恒、质量数守恒知，Y的电荷数为3，质量数为6，可知Y的质子数为3，中子数为3.C错：两个核反应都释放能量，可知两个核反应都有质量亏损D错：氘和氚的核反应是核聚变反应【答案】B【例6】【解析】根据核反应方程式，6个氘核聚变反应可释放出43.15 MeV的能量，1 kg海水中的氘核反应释放的能量为E43.15 MeV7.191022 MeV1.151010J，则相当于标准煤的质量为Mkg400
26、 kg.【答案】C【例7】【解析】裂变是重核变为质量较小的核，是裂变；衰变有衰变和衰变，衰变的结果是释放氦核，衰变的结果是释放电子，是衰变；聚变是质量较小的核结合成质量较大的核，是聚变，故C正确【答案】C变式训练4解析：A错：不是重核裂变方程，是典型的衰变方程B对：是轻核聚变方程，HHHen，所以Y是中子C错：太阳内部发生的核聚变主要是氢核的聚变，BeHBn，K是中子，不是正电子D错：不是衰变方程，是重核裂变方程答案：B变式训练5解析：A错：该聚变反应方程为HHHen，X为中子B对：由质能方程知，mHmHmHemXE/c2，代入数据知1 876.1 MeV/c22 809.5 MeV/c23
27、728.4 MeV/c2mX17.6 MeV/c2，故mX939.6 MeV/c2.C对：太阳每秒辐射能量EPt41026 J，由质能方程知m，故每秒辐射损失的质量mkg4.4109 kg.D错：因为E41026 JeV2.51045 eV2.51039 MeV，则太阳每秒因为辐射损失的能量为m2.51039MeV/c2.答案：BC要点三【例8】【解析】A、B错：质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子；不同夸克构成的强子，有的带电，有的不带电C错，D对：夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，有e和e，说明电子电荷不再是电荷的最小单位【答案】D变式训练6解析：根据各种粒子带
28、电情况，的带电荷量为e，故由u和组成；的带电荷量为e，故由和d组成答案：AD随堂演练达标检测1解析：BaRnHe是衰变，放出能量，A错误；UnXeSr2n是核裂变，放出能量，B正确；NHeOH是原子核的人工转变，C错误；HHHeX是核聚变，由方程可判断X是中子，D错误答案：B2解析：镉棒并不能释放中子，也不能使中子减速，对铀核裂变也没有阻碍作用，而是利用其对中子吸收能力强的特点，控制中子数量的多少而控制核反应速度，C正确答案：C3解析：是轻核聚变方程，是氢弹的反应方程；是重核裂变方程，是原子弹的反应方程；是衰变方程：是原子核的人工转变方程故属于研究“两弹”的基本核反应方程的是.答案：A4解析：氘核聚变反应的质量亏损m2.013 6 u23.015 0 u1.008 7 u0.003 5 u，由爱因斯坦质能方程可得释放的核能E0.003 5931 MeV3.3 MeV.答案：B5解析：聚变反应是将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量但目前核电站都采用铀核的裂变反应综上所述，选项B、C正确答案：BC
