1、第四章 原子核 第六节 核能利用 第七节 小粒子与大宇宙 学习目标 1.知道什么是核反应堆(重点)2.知道核电站的工作模式，了解核能的利用(重点)3.了解宇宙及恒星的演化 自 主 预 习 探 新 知 一、反应堆 核电站1核反应堆(1)核反应堆是人工控制的装置(2)减速剂反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“减速剂”，常用的减速剂有、和普通水链式反应重水石墨一、反应堆 核电站(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，
2、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，用于发电中子循环流动裂变控制棒中子深一、反应堆 核电站2核电站及核能利用(1)核能发电的效益一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要消耗煤30吨250万吨一、反应堆 核电站(2)核能的利用核能发电把反应堆化，可以使核能作为动力，制造核动力、核动力破冰船和核动力，在某些动力装置上也有利用的可能用来进行各种物理实验，制造各种同位素小型放射性原子核航空母舰潜艇一、反应堆 核电站(3)核污染的处理为了防止铀核裂变物放出的对人体的危害，在反应堆的外面需要修建很厚的防护层，用来屏蔽，不让它们透射出来，对放射性的废
3、料，也要装入特制的容器，埋入来处理各种射线深地层射线水泥二、小粒子与大宇宙1人类目前能够观测到的最大距离约为光年之远2对宇宙的、和的理论描述，称为宇宙模型，目前普遍被大家接受的模型是宇宙模型3人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从m 到m，共跨越了约个数量级140亿42大爆炸物质演化运动形态时空结构10271015二、小粒子与大宇宙4从宇宙大爆炸到现在，以秒为单位，宇宙年龄的数量级约为s.5目前所知的微观粒子中，寿命最短的只有s.6物质世界的时间尺度：约从s 到s，也跨越了将近43 个数量级10181018102510251正误判断(正确的打“”，错误的打“”)(1)控制棒是通过吸收中子多
4、少来控制链式反应速度的()(2)核裂变释放的大量核能是通过在反应堆外循环流动的液体传输出去的 ()(3)核电废料难以处理，对环境的污染比火电大()(4)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子()(5)强子是参与强相互作用的粒子()2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快中子跟慢化剂中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控制棒由镉做成，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
5、棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些B 在核反应堆中，慢中子容易被铀 235 俘获发生裂变反应，A选项错误；快中子跟慢化剂中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，B 选项正确；在核电站中，通过控制棒(一般用石墨棒或镉棒)吸收中子多少来控制反应速度，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，C 选项错误；要使裂变反应更激烈一些，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，D 选项错误3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u或反夸克d)组成的，它们所
6、带电荷量如下表所示，表中 e 为基元电荷下列说法正确的是()udud 电荷量ee23e13e23e13eA.由 u 和d组成B由u和 d 组成C由 u 和d组成D由u和 d 组成AD 根据电荷量的关系可知，由于 介子带有e 的电荷量，又由于 介子是由夸克和反夸克组成，根据题意可知 介子(e)应由一个夸克 u23e 和反夸克d13e 合成，同理 介子由夸克 d和反夸克u构成，故 A、D 正确合 作 探 究 攻 重 难 核能的利用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：部件名称减速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
7、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，如图所示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)为减速剂，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，减速剂附在铀棒周围 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
8、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 1】23592U 受中子轰击时会发生裂变，产生14456Ba 和8936Kr，同时放出 200 兆电子伏特的能量现要建设发电能力是 50 万千瓦的核电站，用铀 235 作为原子锅炉的燃料假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那
9、么一天需要纯铀 235 的质量为多少？(阿伏加德罗常数取 6.021023 mol1)解析 核电站一天的发电量为：EPt50104103243 600 J4.321013 J.据题意知，核电站一天的发电量就等于发电站在一天内铀 235 裂变所释放的总能量，故核电站每天所消耗的铀 235 核的个数为：nE2001061.610194.3210133.21011 1.351024(个)故发电站一天需要的纯铀 235 的质量为：m nNAM1.3510246.021023235103 kg0.527 kg.答案 0.527 kg1核电站释放的核能是 n 个核反应释放核能积累的结果 EnE，Emc2，
10、n mMmolNA.2发电站用于发电的能量只占所释放核能的一部分，则 E 电E.1(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铀棒的作用是控制反应堆的功率D石墨的作用是吸收中子解析 AB 铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故 A 正确；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，即控制反应堆功率，故 B 正确 C 错误；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，故 D 错误粒子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
11、 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.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、介子、超子强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子 轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子未发现内部结构 媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用3.夸克的分类夸克有 6 种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷是电子或质子所带电荷的23或13.每种夸克都有对应的反
12、夸克4两点提醒(1)质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子，子的质量比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子【例 2】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11H 的核反应，间接地证实了中微子的存在(1)中微子与水中的11H 发生核反应，产生中子(10n)和正电子(01e)，即中微子11H10n 01e.可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是_(填写选项
13、前的字母)A0 和 0 B0 和 1C1 和 0 D1 和 1(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 01e 01e2.已知正电子和电子的质量都为 9.11031 kg，反应中产生的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_(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小解析(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，A 正确(2)产生的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E2，代入数据得E
14、28.21014 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，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒定律(3)物质波的波长为 hp，要比较波长需要将中子和电子的动量用动能表示出来即 p 2mEk，因为 mnme，所以 pnpe，故 ne.答案 见解析2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强子中没有带电的粒子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D 由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故 A、B 错误
15、；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为23e 和e3，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C 错误，D 正确课 堂 小 结1.核反应堆是人工控制链式反应的装置，其中镉棒为控制棒.2.宇宙起源于大约 150 亿年前的一次大爆炸，其后逐渐演化成现在的宇宙世界.3.粒子可分为三大类，有媒介子、轻子、强子，美国物理学家盖尔曼提出，强子是由夸克构成.知 识 脉 络当 堂 达 标 固 双 基 1恒星的颜色取决于恒星的()A体积B温度C质量D体积和温度以及它与地球的距离B 恒星的表面颜色取决于它的表面温度，温度越低，颜色越偏红，温度越高，颜色越偏蓝恒星表面颜色主要有四种，分别是红、黄、白、蓝
16、太阳的表面颜色是黄色，属于温度中等偏低的恒星以下是四种颜色对应的温度红色：3 000 摄氏度；黄色：6 000摄氏度；白色：10 000 摄氏度；蓝色：20 000 摄氏度因此恒星的颜色取决于恒星的温度，B 正确，A、C、D 错误2根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是()A夸克、轻子、胶子等粒子B质子和中子等强子C光子、中微子和电子等轻子D氢核、氘核、氦核等轻核A 宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子结合成氘核，并形成氦核的核
17、合成时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，故 A 正确；B、C、D 的产生都在 A 之后，故 B、C、D 错误3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 夸克带电荷量为23e，d 夸克带电荷量为13e，e为基元电荷，下列论断中可能正确的是()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
18、 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 题目中给出的信息是 u 夸克与 d 夸克的带电荷量，据质子11H带一个元电荷的电荷量及中子10n 不带电分析可知 B 项正确4日本福岛第一核电站在地震后，数秒内就将控制棒插入核反应堆芯，终止了铀的裂变链式反应但海啸摧毁了机组的冷却系统，因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量，核燃料棒温度不断上升则下列说法正确的是()A控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制B衰变释放的射线中，射线的穿透力最强C日本后来向反应堆灌注海水，既可以降温，也减慢衰变速度，从而控制核污染D核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量更大A 核电站中，控制棒的作用是吸收中子实现对核反应的控制，故 A 选项正确；衰变辐射的三种射线中，穿透能力最强的是 射线，电离能力最强的是 射线，故 B 选项错误；半衰期与外界因素无关，高温高压不会改变半衰期，故 C 选项错误；核裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，故遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量小，故 D 选项错误课 时 分 层 作 业 点击右图进入 Thank you for watching!