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6.核聚变7．粒子物理学简介(选学)[先填空]1．定义：把轻原子核聚合成较重原子核的反应称为聚变反应，简称核聚变．2．热核反应(1)举例：一个氘核和一个氚核聚变成一个氦核的核反应方程：21H＋31H―→42He ＋10n＋17.60 MeV(2)反应条件①轻核的距离要达到10－15 m以内．②需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．(3)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．3．可控核聚变反应研究的进展(1)把受控聚变情况下释放能量的装置，称为聚变反应堆，20世纪下半叶，聚变能的研究取得重大进展．(2)核聚变的约束方法：磁约束和惯性约束，托卡马克采用的是磁约束方式．(3)核聚变是一种安全，不产生放射性物质、原料成本低的能源，是人类未来能源的希望．3．恒星演化中的核反应(1)现阶段，供太阳发生核聚变过程的燃料是氢．(2)大约50亿年后，太阳的核心的核聚变过程是：42He＋42He→84Be，42He＋84 Be→126C.[再判断]1．核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些．(×)2．轻核的聚变只要达到临界质量就可以发生．(×)3．现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应．(√)[后思考]1．核聚变为什么需要几百万度的高温？【提示】要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10－15m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能才会撞到一起，当温度达到几百万度时，原子核就可以具有这样大的动能．2．受控核聚变中磁约束的原理是什么？【提示】原子核带有正电，垂直磁场方向射入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，绕着一个中心不断旋转而不飞散开，达到约束原子核的作用．3．恒星是如何形成的？它在哪个阶段停留的时间最长？【提示】宇宙尘埃在外界影响下聚集，某些区域在万有引力作用下开始向内收缩，密度不断增加，形成星云团，星云团进一步凝聚使得引力势能转化为内能，温度升高．当温度上升到一定程度时就开始发光，形成恒星．恒星在辐射产生向外的压力和引力产生的收缩压力平衡阶段停留时间最长．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10－15m，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1．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，因此聚变又叫做热核反应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E ．轻核聚变易控制，目前世界上的核电站多数是利用核聚变反应释放核能 【解析】 轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15 m ，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，故B 、C 正确，E 错误；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D 错误．【答案】 ABC2．如图3-6-1所示，托卡马克(Tokamak) 是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnit(磁)的头两个字母以及katushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词．根据以上信息，下述判断中可能正确的是( )图3-6-1A ．这种装置的核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，和太阳发光的原理类似B ．线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出C ．这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同D ．这种装置可以控制热核反应速度，使聚变能缓慢而稳定地进行E．这种装置是利用电场来约束带电粒子的【解析】聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，故A正确；线圈通电时产生磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用不飞出，故B正确，E错误；核电站的原理是裂变，托卡马克的原理是聚变，故C错误；该装置使人们可以在实验中控制反应速度，平稳释放核能，故D正确．【答案】ABD3．氘核(21H)和氚核(31H)结合成氦核(42He)的核反应方程如下：21H＋31H→42He＋1n＋17.6 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 MeV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)．【解析】在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由ΔE＝Δmc2，可以求得Δm＝ΔEc2≈3×10－29 kg.【答案】(1)核聚变(2)放出减少3×10－29(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ΔE＝Δmc2进行计算.[先填空]1．基本粒子(1)1897年汤姆孙发现了电子后，人们又陆续发现了质子、中子，认为电子、中子、质子是组成物质的基本粒子．(2)1932年，安德森发现了正电子，它的质量、电荷量与电子相同，电荷符号与电子相反，它被称为电子的反粒子，正电子也成为了基本粒子．2．基本粒子的分类按粒子参与相互作用的性质把粒子分为三类：它们分别是：媒介子、轻子、强子．3．加速器粒子加速器是用人工方法产生高速粒子的设备，按加速粒子的路径大致分为两类：一类是直线加速器，带电粒子沿直线运动；一类是回旋加速器，带电粒子沿圆弧运动，并反复加速．能够实现两束相对运动的粒子对接的设备叫做对撞机．[再判断]1．质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子．(×)2．质子和反质子的电量相同，电性相反．(√)3．按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元．(√)4．回旋加速器加速带电粒子时，高频电源的频率应等于回旋粒子的频率．(√)[后思考]1．为什么说基本粒子不基本？【提示】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种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的．2．北京正负电子对撞机于1988年10月完成建设，成功实现正负电子对撞，你了解对撞机的工作原理吗？它有什么作用？【提示】对撞机的工作原理是粒子先在同步加速器中加速，然后射入对撞机．在对撞机里两束粒子流反方向回旋，并进一步加速，在轨道交叉的地方相互碰撞．对撞机的出现，大大提高了有效作用能，因此它在高能物质实验中起着日益显著的作用．近年来，在粒子物质中的一系列重大发现和研究成果，几乎都是在对撞机上获得的．1．新粒子的发现及特点夸克有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，τ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．4．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．强子中也有不带电的粒子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E．超子的质量比质子的质量还大【解析】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错误，B正确；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，超子属于强子，其质量比质子质量还大些，E正确．【答案】BDE5．在β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.【导学号：11010053】(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＋11H→10n＋01e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(γ)，即01e＋0－1e→2γ已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31 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E＝Δmc2，故一个光子的能量为E2，代入数据得E2＝8.2×10－14J．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】0和08.2×10－14 J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，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．。
4核裂变与核聚变[学习目标] 1.知道什么是核裂变、核聚变和链式反应，知道链式反应和核聚变的条件.2.会书写核裂变和核聚变方程，会利用质量亏损计算核裂变和核聚变产生的核能.3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度．一、核裂变的发现1．核裂变：铀核在被______轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变．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235 92U＋10n→144 56Ba ＋8936Kr＋________.3．链式反应中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的________反应．4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生________反应的________体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量．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)核燃料：________.(2)慢化剂：________、________和普通水(也叫轻水)．(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收________的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入______一些，让它多吸收一些________，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作________．2．工作原理核燃料发生________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内外____________，把反应堆内的________传输出去，用于________，同时也使反应堆冷却．3．核污染的处理在反应堆的外面需要修建很厚的__________，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线．核废料具有很强的____________，需要装入特制的容器，____________.三、核聚变1．定义：两个________结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变．2．核反应方程：21H＋31H→42He＋10n＋17.6 MeV.3．条件：使轻核的距离达到________ m以内．方法：加热到很高的________．4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核________成氦核释放的______能．5．人工热核反应：______弹．首先由化学炸药引爆________弹，再由________弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸．6．核聚变与核裂变的比较(1)优点：①轻核聚变产能________；②地球上核聚变燃料氘储量________，而氚可利用锂来抽取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁．(2)缺点：核聚变需要的温度太______，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度．解决方案：______约束和________约束．1．判断下列说法的正误．(1)铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能不停地进行下去．()(2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．()(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)核聚变主要用在核武器上，那就是原子弹．()2．下面是铀核裂变反应中的一个：235 92U＋10n→136 54Xe＋9038Sr＋1010n.已知铀235的质量为235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，锶90的质量为89.907 7 u，则此核反应中释放的总能量是多少？(1 u相当于931.5 MeV的能量)一、核裂变及链式反应导学探究如图为铀核裂变示意图．(1)铀核裂变是如何发生的？试写出一种铀核裂变的核反应方程．(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？知识深化1．典型的核裂变方程(1)235 92U＋10n→139 54Xe＋9538Sr＋210n(2)235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n2．核能的释放由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中等质量的原子核时，会发生质量亏损，释放核能．3．链式反应发生的条件(1)铀块的体积大于或等于临界体积．(2)有足够浓度的铀235.(3)有足够数量的慢中子．4．核裂变反应的能量大小铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235 全部发生核裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的化学能．考向1对核裂变的理解例1(2021·大名县高二月考)华能石岛湾高温气冷堆核电站是我国自主研发的世界首座具有第四代核电特征的核电站．核反应堆是核电站的心脏，它是通过可控链式核裂变反应来实现核能利用的．一个235 92U原子核在中子的轰击下发生核裂变反应，其核反应方程为235 92U＋1n→y x Sr＋139 54Xe＋310n，下列说法正确的是()A．核反应方程中Sr的质子数为56B．核反应方程中Sr的中子数为56C．因为核裂变释放能量，139 54Xe原子核的比结合能应比235 92U原子核的小D．因为核裂变释放能量，出现质量亏损，所以核裂变后的总核子数减少考向2核裂变产生核能的计算例2铀核裂变的许多核反应中的其中一个是235 92U＋10n→141 56Ba＋9236Kr＋310n.(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量(235 92U、141 56Ba、9236Kr、10n的质量分别为235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u,1 u相当于931.5 MeV能量)；(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于完全燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107 J/kg)二、核电站1．核电站的主要部件及作用组成部分材料作用裂变材料(核燃料) 浓缩铀提供核燃料减速剂(慢化剂) 石墨、重水或普通水(也叫轻水)使裂变产生的快中子减速控制棒镉棒吸收中子，控制反应速度热交换器水或液态的金属钠传输热量防护层厚水泥层防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害2.核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少．(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采用储量大，所能提供的能量大．(3)对环境的污染要比火力发电小．例3如图是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是()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棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些三、核聚变导学探究为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？知识深化1．聚变发生的条件：要使轻核发生聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离10－15 m 以内，这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．2．轻核聚变是释放能量的反应：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释放能量的反应．3．聚变方程21H＋31H→42He＋10n＋17.6 MeV.4．重核裂变与轻核聚变的区别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要大3～4倍考向1对核聚变的理解例4(2021·胶州市高二期末)中国的“人造太阳”，又称东方超环，全称是全超导托卡马克核聚变实验装置，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置.2021年5月28日，中国的“人造太阳”实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，刷新了世界纪录．所谓“人造太阳”，就是在地球上模拟太阳内部发生的核聚变反应，为人类提供源源不断的清洁能源．其内部发生的一种核聚变反应方程为21H＋21H→X＋10n，下列说法正确的是()A．反应产物X为42HeB．核聚变后的产物X的比结合能小于21H的比结合能C．可控的人工轻核聚变与核裂变相比更为安全、清洁D．要实现核聚变，需要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能克服核力作用而碰撞结合在一起考向2核聚变产生核能的计算例5(2021·苏州市高二期中)两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014 u，氦核质量为4.002 u.(1)写出相应的核反应方程；(2)求出1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量．已知：阿伏加德罗常数N A为6.0×1023 mol－1，氘核的摩尔质量为2 g/mol,1 u相当于931.5 MeV的能量(结果保留两位有效数字)．针对训练(2022·平顶山市第一中学开学考试)已知氘核的平均结合能为1.1 MeV，氦核的平均结合能为7.1 MeV，则两个氘核结合成一个氦核时()A．释放出4.9 MeV的能量B．吸收4.9 MeV的能量C．吸收24.0 MeV的能量D．释放出24.0 MeV的能量。
4核裂变与核聚变[学习目标] 1.知道什么是核裂变、核聚变和链式反应，知道链式反应和核聚变的条件(重点)。
2.会书写核裂变和核聚变方程，会利用质量亏损计算核裂变和核聚变产生的核能(重难点)。
3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度。
一、核裂变的发现1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。
爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。
巨大的核能是从哪里来的？________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________1．核裂变：铀核在被__________轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。
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235 92U＋10n 144Ba＋8936Kr＋________。
563．链式反应中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应________________继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应。
4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生________反应的________体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
5．核裂变的能量：重核裂变为中等质量的原子核、发生质量亏损，所以________能量。
如果一个铀235核裂变时释放的能量按200 MeV 估算，1 kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于________________标准煤完全燃烧时释放的化学能。
