第五章第45節(jié)核裂變與核聚變“基本”粒子

選擇性必修三學(xué)案第五章原子核第4節(jié)核裂變與核聚變第5節(jié)“基本”粒子一、新課標要求|?了解重核的裂變反應(yīng)和鏈式反應(yīng)發(fā)生的條件。了解裂變反應(yīng)堆的工作原理及核電站和核能利用的優(yōu)缺點。.了解核聚變發(fā)生的條件。.會書寫核裂變、核聚變方程，能計算核反應(yīng)釋放的能量。.知道電子、中子、質(zhì)子并不是組成物質(zhì)的最基本的粒子。知道粒子的分類及其作用，了解夸克模型。二、科學(xué)素養(yǎng)要求.物理觀念：知道核裂變與核聚變、鏈式反應(yīng)及粒子的基本概念，了解原子彈、核反應(yīng)堆、熱核反應(yīng)條件、新粒子的內(nèi)容。.科學(xué)思維：掌握鏈式反應(yīng)及核聚變釋放能量的計算，理解核電站的工作原理，掌握輕核聚變的條件，提高分析、解決問題的能力。.科學(xué)探究：通過對鏈式反應(yīng)的探究，理解原子彈、核反應(yīng)堆的原理，體會熱核反應(yīng)的條件及科學(xué)發(fā)現(xiàn)新粒子的進步。.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：關(guān)注核技術(shù)應(yīng)用對人類生活和社會發(fā)展的影響，激發(fā)探索未來科學(xué)的熱情。三、教材研習(xí)要點一、鏈式反應(yīng)由重核裂變產(chǎn)生的空士①使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫作核裂變的鏈式反應(yīng)。通常把核裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的最小體積叫作它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量②。要點二、核聚變兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核里變③。要點三、反粒子2.粒子的分類發(fā)現(xiàn)時間新粒子1932年1937年1947年20世紀60年代后正電子日子K介子與兀介子超子基本特點質(zhì)量與相對應(yīng)的粒子相同而電荷及其比質(zhì)子的質(zhì)質(zhì)量介于電子與他一些物理性質(zhì)相反量小核子之間其質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量大很多分類參與的相互作用發(fā)現(xiàn)的粒子備注強子參與強相互作用質(zhì)子、中子強子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸克”構(gòu)成；強子又分為介子和重子兩類輕子不參與強相互作用電子、電子中微子、〃子、〃子中微子、T子、子子中微子未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)范玻色子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子傳遞電磁相互作用，中間玻色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強相互作用希格斯玻色子希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā)?；玖Ｗ右蚺c希格斯場耦合而獲得質(zhì)量。2012年，歐洲核子研究中心利用大型強子對撞機發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子題組過關(guān)1.關(guān)于粒子，下列說法正確的是（）A.質(zhì)子的反粒子的電荷吊與質(zhì)子相同，但帶的是負電荷B.強子都是帶電的粒子C.目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有8種D.光子屬于輕子答案：A解析：有的強子帶電，有的強子不帶電，B項錯誤；目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有6種，C項錯誤；光子屬于規(guī)范玻色子，D項錯誤。世紀30年代以來，人們在對宇宙射線的研究中，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子，K介子和兀介子就是科學(xué)家在1947年發(fā)現(xiàn)的。K-介子的衰變方程為廣一十+丁，其中右介子和丁介子

帶負電，電荷量等于元電荷，介子不帶電。如圖所示，一個IC介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中，其軌跡為圖中的圓弧虛線，K-介子衰變后，介子和丁介子的軌跡可能是（）XXXXxX/，7T°XXXXxX/，7T°XXXX<K'XXXXXXX%-XXXX答案：A解析：介子不帶電，在磁場中不偏轉(zhuǎn)。K-介子、/介子帶負電，在磁場中洛倫茲力的作用下做勻速圓周運動，根據(jù)左手定則及動量守恒可判定軌跡。存在著這樣一類粒子，它們的質(zhì)量、壽命、自旋等物理性質(zhì)與過去已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子相同，而電荷等其他性質(zhì)相反，這些粒子叫作反粒子①?！咀灾魉伎肌竣贋榱耸光?35裂變的鏈式反應(yīng)容易發(fā)生，最好直接利用裂變時產(chǎn)生的快中子去轟擊鈾核，這種說法對嗎？答案：不對，鈾235俘獲慢中子發(fā)生裂變的概率大，快中子使鈾235發(fā)生裂變的幾率小，因此不能直接使用快中子。②為什么說鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量時鏈式反應(yīng)才能不停地進行下去？答案：鈾塊的大小是鏈式反應(yīng)能否進行的重要因素。原子核的體積非常小，原子內(nèi)部的空隙很大，如果鈾塊不夠大，中子在鈾塊中通過時就有可能碰不到鈾核跑到外面去，鏈式反應(yīng)不能繼續(xù)。③要使輕核發(fā)生聚變反應(yīng)，必須使核子間的距離達到以內(nèi)，核力才能起作用；同時由于原子核之間在此距離時的庫侖斥力十分巨大，因而需要核子有很大的動能才能“撞'’到一起，什么辦法能使大量原子核獲得足夠的動能而發(fā)生聚變呢？答案：輕核聚變需要的動能，表現(xiàn)在宏觀上就是核燃料需要達到極高的溫度。所以使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫，劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能，可以克服庫侖斥力，碰撞時十分接近，發(fā)生核聚變。④隨著最子物理學(xué)的興起，越來越多的研究深入到微觀世界，讓人類有了一個全新的研究方向，比如說“反氫原子”就是其中之一，它也遵循著量子效應(yīng)，同時也是反物質(zhì)的一種重要組成形式。請推測反氫原子的結(jié)構(gòu)？答案："反氫原子''應(yīng)該與氫原子具有相同的質(zhì)量，相反的電荷符號，相等的電荷量，所以反氫原子是LH核和褪構(gòu)成的。四、名師點睛.核裂變的理解（1）核裂變：重核被中子轟擊后分裂成兩個質(zhì)量差不多的新原子核，并放出核能的過程。（2）鈾核裂變：用中子轟擊鈾核時,，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應(yīng)是45u+仙t鎮(zhèn)Ba+器Kr+3仙。（3）鏈式反應(yīng)的條件：鈾塊的體積大于或等于臨界體積或鈾塊的質(zhì)量大于或等于臨界質(zhì)量；有足夠數(shù)量的慢中子。.核聚變的理解（1）核聚變：兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，釋放出核能的反應(yīng)，稱為核聚變，又稱為熱核反應(yīng)。（2）典型核聚變方程：?H+?H->jHe+Jn+17.6MeVo（3）核聚變發(fā)生的條件：使輕核具有足夠的動能。五、互動探究探究點一、核裂變及鏈式反應(yīng)情境探究L觀察鈾核裂變示意圖甲乙WT（1）鈾核裂變是如何發(fā)生的？（2）只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈式反應(yīng)嗎？（3）鈾核裂變在自然界中能自發(fā)進行嗎？（4）重核裂變?yōu)槭裁茨茚尫藕四埽看鸢福海?）當中子進入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核，復(fù)核中由于核子的激烈運動，使核變成不規(guī)則的形狀。核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去，形成鏈式反應(yīng)。（2）鈾塊體積應(yīng)大于或等于臨界體積才能發(fā)生鏈式反應(yīng)。（3）重核的裂變只能發(fā)生在人為控制的核反應(yīng)中，在自然界中不會自發(fā)地發(fā)生。（4）中等質(zhì)量的原子核的核子的平均質(zhì)量較小，重核和輕核的核子的平均質(zhì)晟較大。如果原子序數(shù)較大的重核分裂成原子序數(shù)小一些的兩個核，會有質(zhì)量虧損，放出巨大的核能。探究歸納.重核裂變的理解（1）重核裂變是中子轟擊質(zhì)量數(shù)較大的原子核，使之分裂成中等質(zhì)量的原子核，同時釋放大量的能量，放出更多的中子的過程。（2）重核的裂變是放能核反應(yīng)，原因是核反應(yīng)前后質(zhì)量有虧損，根本原因是重核的比結(jié)合能相比中等質(zhì)量的核的比結(jié)合能要小。所以在重核分解為兩個中等質(zhì)量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量。（3）鈾的同位素中鈾235比鈾238更易發(fā)生鏈式反應(yīng)。.常見的裂變方程zlxzlxzlxnlo2+sr5893+xe93415Tnlo+4615zlxnlo2+sr5893+xe93415Tnlo+4615T;n+U52392\JX2+黑Kr+3jn【典例】鈾核裂變時，對于產(chǎn)生鏈式反應(yīng)的重要因素，下列說法中正確的是（）A.鈾塊的質(zhì)量是重要因素，與體積無關(guān)B.為了使裂變的鏈式反應(yīng)容易發(fā)生，最好直接利用裂變時產(chǎn)生的中子C.若鈾235的體積超過它的臨界體積，裂變的鏈式反應(yīng)就能夠發(fā)生D.能否發(fā)生鏈式反應(yīng)與鈾的質(zhì)量無關(guān)答案：C解析：要使鈾核裂變產(chǎn)生鏈式反應(yīng)，鈾塊的體積必須大于或等于臨界體積或鈾塊的質(zhì)量大于或等于臨界質(zhì)量，裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的中子為快中子，這些快中子不能直接引發(fā)新的裂變，鈾塊的質(zhì)量大，則其體枳大，若超過臨界體枳則發(fā)生鏈式反應(yīng)，由此知A、B、D三項錯誤，C項正確?！具w移應(yīng)用】1.一個況5u原子核在中子的襲擊下發(fā)生一種可能的裂變反應(yīng)，其裂變方程為無5u+Jn->X+瑞Sr+2乩，則下列敘述正確的是（）A.X原子核中含有86個中子B.X原子核中含有141個核子C.因為裂變時釋放能量，根據(jù)E=mc2,所以裂變后的總質(zhì)量數(shù)增加D.因為裂變時釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少答案：A解析：根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒知，X的質(zhì)量數(shù)為140,電荷數(shù)為54,則中子數(shù)為86,核子數(shù)為140,故A項正確，B項錯誤；在裂變的過程中，有能量釋放，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程知，裂變后的總質(zhì)量小于反應(yīng)前的質(zhì)量，但是質(zhì)量數(shù)守恒，故C、D兩項錯誤。探究點二、核電站與核反應(yīng)堆情境探究.如圖所示為核反應(yīng)堆示意圖：（1）鈾235是容易吸收快中子還是慢中子后發(fā)生裂變反應(yīng)？如何控制裂變反應(yīng)的激烈程度？（2）核電站發(fā)電有什么優(yōu)點？答案：（1）慢中子。當反應(yīng)過于激烈時，使鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度就會慢一些，反之，應(yīng)使鎘棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度就會快一些。（2）核電站發(fā)電的優(yōu)點有：消耗的核燃料少；作為核燃料的鈾、針等在地球上可采，儲量大；對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小。探究歸納.核電站的主要組成及其作用核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆，反應(yīng)堆用的核燃料是鈾235,它的主要部件如表:部件名稱慢化劑控制棒熱循環(huán)介質(zhì)保護層采用的材料石墨、重水或普通水（也鎘叫輕水）水或液態(tài)鈉很厚的水泥外殼作用降低中子速度，便于鈾235吸收吸收中子，控制反把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量應(yīng)速度傳輸出去屏蔽射線，防止放射性污染2.反應(yīng)堆工作原理（1）熱源：在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，如圖為簡化的核反應(yīng)堆示意圖：鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾（鈾235的含量占2%?4%）制成，石墨（重水）為慢化劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?，便于?35吸收，發(fā)生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍。水泥劭a層慢化鼎（2）控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒。采用電子儀器自動調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應(yīng)的劇烈程度。（3）冷卻劑：核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時通過水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把熱量傳輸出去，川于發(fā)電。（4）保護層：發(fā)生裂變反應(yīng)時，會產(chǎn)生?些有危險的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面。探究應(yīng)用【典例】如圖為普通使用的“慢中子”核反應(yīng)堆的示意圖，鈾棒是核燃料，一種典型的鈾核裂變方程比5u+/t轉(zhuǎn)，Ba+鴕Kr+3jn,用重水作慢化劑可使快中子減速，假設(shè)中子與重水中的笊核6H）母次碰撞均為彈性正碰，而且認為碰撞前笊核是靜止的，笊核的質(zhì)量是中子質(zhì)量的兩倍，則下列說法不正確的（）A.鋼核的比結(jié)合能比鈾核的大B.若碰撞前中子的動能為&）,經(jīng)過?次彈性碰撞后中子動能變成;場C.鎘棒插入深一些可增大鏈式反應(yīng)的速度D.水泥防護層可?用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的射線答案：C解析：該核反應(yīng)的過程中釋放大量的能量，結(jié)合愛因斯坦質(zhì)能方程可知，鐵核的比結(jié)合能比鈾核的比結(jié)合能大，故A項正確，不符合題意；取碰撞前中子的速度方向為正方向，根據(jù)動量守恒定律有m%=m%+2mi；2，依據(jù)能量守恒定律有g(shù)m詔=gmu:+g?2m域，解得%=一1為，故碰撞后中子的動能為Eki=gm"，=g&r故B項正確，不符合題意；要使裂變反應(yīng)更劇烈一些，應(yīng)使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度就會快一些，故C項錯誤，符合題意；水泥防護層作用是屏蔽裂變產(chǎn)物放出的射線，故D項正確，不符合題意?！具w移應(yīng)用】1.據(jù)悉我國第四代反應(yīng)堆一針基熔鹽堆能源系統(tǒng)（TMSR）研究已獲重要突破。該反應(yīng)堆以社為核燃料，針俘獲一個中子后經(jīng)過若干次0衰變轉(zhuǎn)化成鈾；鈾的一種典型裂變產(chǎn)物是鋼和氟,同時釋放巨大能量。下列說法正確的是（）A.為減小核反應(yīng)速度，還要插一些鎘棒，用來吸收掉一部分中子B.鈾核裂變的核反應(yīng)方程為允3u+仙t噎Ba+羯Kr+3jnC放射性元素衰變的快慢與原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無關(guān)，與核外電子的分布狀態(tài)有關(guān)D.重核分裂成中等大小的核，核子的比結(jié)合能減小答案：A;B解析：核反應(yīng)堆中，鎘棒的作用是通過吸收一部分中子來控制核反應(yīng)速度的，故A項正確;根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒與電荷數(shù)守恒可知，鈾核裂變的核反應(yīng)方程為免+如一乎Ba+瑞Kr+3jn,故B項正確；原子核的半衰期由核內(nèi)部自身因素決定，與原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無關(guān)，故C項錯誤；重核裂變的過程中釋放能量，所以重核分裂成中等大小的核，核子的比結(jié)合能增大，故D項錯誤。探究點三、核聚變情境探究.閱讀教材“核聚變”內(nèi)容，回答以下問題。（1）目前人們實現(xiàn)的核聚變是什么？（2）實現(xiàn)熱核反應(yīng)存在的困難是什么？可能實現(xiàn)對熱核反應(yīng)的控制的方法是什么？答案：提示（1）目前人們能實現(xiàn)的熱核反應(yīng)是氫彈的爆炸，是由化學(xué)炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸，但這是不可控制的。（2）實現(xiàn)熱核反應(yīng)存在的困難是:地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受住熱核反應(yīng)所需要的高溫?？赡軐崿F(xiàn)對熱核反應(yīng)的控制方法：一是磁約束：利用磁場來約束參與反應(yīng)的物質(zhì)，環(huán)流器是FI前性能最好的一種磁約束裝置。二是慣性約束：利用強激光從各個方向照射參加反應(yīng)的物質(zhì)，使它們由于慣性還來不及擴散就完成了核反應(yīng)。探究歸納.核聚變的特點（1）從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是?個放能反應(yīng)。（2）在消耗相同質(zhì)量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放出更多的能量。（3）熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能最，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進行下去。（4）普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應(yīng)堆。.核聚變的應(yīng)用（1）核武器——氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置。它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸。（2）可控?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探索階段。.重核裂變與輕核聚變的比較項目重核裂變輕核聚變放能原重核分裂成兩個或多個中等質(zhì)兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能理量的原子核，放出核能放能多聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能最要多3?4倍少核廢料聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡單得多處理難度I原料的核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑兄饕鲜求?，笊在地球上的儲量非常豐富，1L水中蘊藏量限，尤其用于核裂變的鈾235在大約有0.03g笊，如果用來進行熱核反應(yīng)，放出的能天然鈾中只占0.7%量與燃燒300L汽油釋放的能量相當可控性比較容易進行人工控制，現(xiàn)在的目前，除氫彈以外，人們還不能控制它核電站都是用核裂變反應(yīng)釋放核能探究應(yīng)用【典例】2020年12月4日，新一代“人造太陽”核聚變實驗裝置——中國環(huán)流器二號（如圖所示）在四川成都建成并實現(xiàn)首次放電。這標志著我國自主掌握了大型先進托卡馬克裝置的設(shè)計、建造、運行技術(shù)，為我國核聚變堆的自主設(shè)計與建造打下堅實基礎(chǔ)。它是一種利用磁

約束來實現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器裝置，容器