高中 物理 必修第三冊 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》課件

物理第五章原子核第4節(jié)核裂變與核聚變第5節(jié)“基本”粒子01必備知識素養(yǎng)奠基02關(guān)鍵能力素養(yǎng)形成03分層演練素養(yǎng)達標[學習目標]1．知道重核的裂變反應和鏈式反應的發(fā)生條件。2．了解裂變反應堆的類型，知道核電站的工作模式。3．知道聚變反應，關(guān)注受控聚變反應研究的進展。4．會分析和計算核裂變和核聚變過程釋放的核能。5．初步了解粒子物理學的基礎(chǔ)知識。中子核能3．鏈式反應(1)由重核裂變產(chǎn)生的中子使核裂變反應一代一代繼續(xù)下去的過程，叫作核裂變的____________。(2)通常把核裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積叫作它的____________，相應的質(zhì)量叫作____________。鏈式反應臨界體積臨界質(zhì)量知識點2反應堆與核電站1．核反應堆：通過可控制的鏈式反應實現(xiàn)核能釋放的裝置稱為____________。2．慢化劑：反應堆中，為了使裂變產(chǎn)生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，常用的慢化劑有______、______和_________。3．控制棒：為了控制反應速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒，鎘吸收______的能力很強，當反應過于激烈時，可將其插入___一些，多吸收一些______，鏈式反應的速度就會慢一些，這種鎘棒叫作_________。核反應堆石墨重水普通水中子深中子控制棒4．核污染的處理為避免______對人體的傷害和_______________對水源、空氣和工作場所造成放射性污染，在反應堆的外面需要修建很厚的_________，用來屏蔽核裂變產(chǎn)物放出的各種射線。核廢料具有很強的_________，需要裝入特制的容器，____________。射線放射性物質(zhì)水泥層放射性深埋地下質(zhì)量較大10－15m溫度熱核反應4．優(yōu)點(1)輕核聚變_______________。(2)地球上__________________儲量豐富，而氚可以利用鋰來制取，足以滿足核聚變的需要。(3)輕核聚變更為安全、清潔。5．約束方法：_________和慣性約束。產(chǎn)能效率高核聚變?nèi)剂想偶s束[判一判]1．(1)鈾核的裂變是一種天然放射現(xiàn)象。(

)(2)鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量時鏈式反應才能不停地進行下去。(

)(3)控制棒是通過吸收中子多少來控制鏈式反應速度的。(

)(4)核聚變反應中平均每個核子放出的能量比裂變時小一些。(

)×√√×知識點4發(fā)現(xiàn)新粒子1．新粒子：1932年發(fā)現(xiàn)了_________，1937年發(fā)現(xiàn)了____，1947年發(fā)現(xiàn)了_______和_______及以后的超子等。2．反粒子：實驗中發(fā)現(xiàn)，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______，而電荷等其他性質(zhì)______，這些粒子叫作反粒子。例如，電子的反粒子就是_________。正電子μ子K介子π介子相同相反正電子知識點5粒子的分類1．強子：強子是______強相互作用的粒子。______和______都是強子。2．輕子：輕子_________強相互作用。最早發(fā)現(xiàn)的輕子是______。3．規(guī)范玻色子：規(guī)范玻色子是______各種相互作用的粒子。光子傳遞____________作用，中間玻色子傳遞_________作用，膠子傳遞_________作用。4．希格斯玻色子：希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā)。參與質(zhì)子中子不參與電子傳遞電磁相互弱相互強相互[判一判]2．(1)質(zhì)子、中子和電子都是不可再分的基本粒子。(

)(2)質(zhì)子和反質(zhì)子的電荷量相同，電性相反。(

)×√1．(核裂變)在核反應中，控制鈾235核裂變反應速度的方法是(

)A．使用濃縮鈾B．改變鈾塊的臨界體積C．通過自動控制裝置，改變鎘棒插入的深度，以改變中子數(shù)D．利用石墨與中子的碰撞來改變中子的速度√√解析：X原子核中的核子數(shù)為(235＋1)－(94＋2)＝140個，B錯誤；中子數(shù)為(235－92)＋1－(94－38)－2＝86個，A正確；裂變時釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損,但是其總質(zhì)量數(shù)是不變的,C、D錯誤。3．(核聚變)在大約50至60億年之后，太陽內(nèi)部的氫元素幾乎會全部消耗殆盡，核心將發(fā)生坍縮。在太陽核心發(fā)生坍縮前，太陽的能量來源于內(nèi)部的核反應，下列關(guān)于太陽的核反應的說法錯誤的是(

)A．核反應是太陽內(nèi)部的核裂變B．核反應需要達到極高溫度C．核反應前后核子的平均質(zhì)量減小D．核反應前后核子總質(zhì)量數(shù)不變√解析：核反應是太陽內(nèi)部的核聚變，故A錯誤；核反應需要達到極高溫度，故B正確；核反應前后釋放能量，質(zhì)量虧損，核子的平均質(zhì)量減小，故C正確；核反應前后質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒，核子總質(zhì)量數(shù)不變，故D正確。4．(粒子的分類)以下說法正確的是(

)A．最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子，最早發(fā)現(xiàn)的強子是中子B．質(zhì)子、中子、介子和超子都屬于強子C．強子、輕子都有內(nèi)部結(jié)構(gòu)D．τ子質(zhì)量比核子質(zhì)量大，τ子不屬于輕子√解析：最早發(fā)現(xiàn)的強子是質(zhì)子，最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子，A錯誤；質(zhì)子、中子、介子和超子都屬于強子，B正確；強子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由夸克組成，輕子沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，C錯誤；τ子質(zhì)量比核子質(zhì)量大，但τ子仍屬于輕子，D錯誤。5．(基本粒子)現(xiàn)在科學家們正在設法探尋“反物質(zhì)”，所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對應的正粒子有相同的質(zhì)量和相同的電荷量，但電荷符號相反。據(jù)此，若有反α粒子，它的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別為(

)A．－4，－2

B．4，－2C．－4，2 D．4，2解析：因“反粒子”與其對應的正粒子具有相同的質(zhì)量、相同的電荷量,但電荷的符號相反。所以，反α粒子質(zhì)量數(shù)為4，電荷數(shù)為－2?！烫骄恳恢睾肆炎兊姆治?．鈾核的裂變和裂變方程(1)核子受激發(fā)：當中子進入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復核，復核中由于核子的激烈運動，使核變成不規(guī)則的形狀。(2)核子分裂：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2或3個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進行下去，釋放出越來越多的核能。3．裂變反應的能量鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量。一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變放出的能量相當于2800t標準煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產(chǎn)生幾百萬度的高溫。√√探究二核電站的工作原理及能量轉(zhuǎn)化1．反應堆工作原理(1)熱源：在核電站中，核反應堆是熱源，如圖為簡化的核反應堆示意圖：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，使反應生成的快中子變?yōu)槁凶?便于鈾235的吸收，發(fā)生裂變。慢化劑附在鈾棒周圍。(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應速度，所以也叫控制棒?？刂瓢舨迦肷钜恍?，吸收中子多，反應速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應速度加快，采用電子儀器自動調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應的劇烈程度。(3)冷卻劑：核反應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，在反應堆內(nèi)外循環(huán)流動，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動蒸汽機，使發(fā)電機發(fā)電。發(fā)生裂變反應時，會產(chǎn)生一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。2．核電站發(fā)電的優(yōu)點(1)消耗的核燃料少。(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大。(3)對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小?！纠?】原子反應堆是實現(xiàn)可控制的重核裂變鏈式反應的一種裝置，它主要由四部分組成(

)A．原子燃料、減速劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)B．原子燃料、減速劑、發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)C．原子燃料、減速劑、碰撞系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)D．原子燃料、中子源、原子能存聚系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)√[解析]

原子反應堆里用的核燃料是用濃縮鈾(鈾235占2%～4%)制成的鈾棒；鈾235易俘獲慢中子，不易俘獲快中子,必須使用減速劑(如石墨、重水、普通水)，讓快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子；控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)是用于調(diào)節(jié)中子的數(shù)目以控制反應速度，它是由鎘做成的放置在鈾棒之間的一些控制棒及計算機調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成；冷卻系統(tǒng)靠水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時使反應堆冷卻，保證安全。[針對訓練2]

(多選)關(guān)于核反應堆，下列說法正確的是(

)A．鈾棒是核燃料，裂變時釋放核能B．鎘棒的作用是控制反應堆的功率C．石墨的作用是吸收中子D．冷卻劑的作用是控制反應堆的溫度和輸出熱能√√√解析：

鈾棒是核燃料，裂變時可放出能量，故A正確；鎘棒吸收中子的能力很強，作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應速度，即控制反應堆功率，故B正確；慢中子最容易引發(fā)鈾核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進行減速，石墨的作用是使中子減速，故C錯誤；水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應堆冷卻，控制溫度，故D正確。探究三核聚變及核能的計算1．聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變，必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15m，這要克服電荷間強大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能。要使原子核具有足夠大的動能，就要給它們加熱，使物質(zhì)達到幾百萬開爾文的高溫。2．輕核聚變是放能反應從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應是一個放能反應。3．核聚變的特點(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。(2)熱核反應一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應進行下去。(3)普遍性：熱核反應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堆。4．核聚變的應用(1)核武器——氫彈，一種不需要人工控制的輕核聚變反應裝置。它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。(2)可控熱核反應：目前處于探索階段。5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應的核廢料處理要比裂變反應簡單得多重核裂變輕核聚變原料的蘊藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢?，尤其用于核裂變的?35在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲量非常豐富。

1L海水中大約有0.03g氘，如果用來進行熱核反應，放出的能量約與燃燒300L汽油相當可控性速度比較容易進行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它【例4】兩個氘核結(jié)合成一個氦核，已知氘核質(zhì)量為2.0141u，氦核質(zhì)量為

4.0026u。(1)寫出相應的核反應方程