2017-2018学年高中物理粤教版选修3-5教师用书：第4章
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第六节 核能利用
第七节 小粒子与大宇宙
学
习 目 标 知 识 脉 络
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.
反应堆 核电站
[先填空]
1．核反应堆
(1)核反应堆是人工控制链式反应的装置．
(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”，常用的减速剂有石墨、重水和普通水．
(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，它吸收中子的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫做控制棒．
(4)能量输出
核燃料裂变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循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．
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30吨左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要消耗煤250万吨．
(2)核能的利用
①核能发电
②把反应堆小型化，可以使核能作为动力，制造核动力潜艇、核动力破冰船和核动力航空母舰，在某些动力装置上也有利用的可能．
③用来进行各种原子核物理实验，制造各种放射性同位素．
(3)核污染的处理
为了防止铀核裂变物放出的各种射线对人体的危害，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线，不让它们透射出来，对放射性的废料，也要装入特制的容器，埋入深地层来处理．
[再判断]
1．控制棒是通过吸收中子多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．(×)
[后思考]
1．核反应堆中的控制棒是由什么制成的？控制棒起什么作用？
【提示】 控制棒由镉棒制成，镉吸收中子的能力很强，在铀棒之间插进一些镉棒，可以控制链式反应的速度．
2．减速剂的作用是什么？是为了减慢裂变速度吗？
【提示】 减速剂的作用是使快中子减速，以便于中子与铀核作用发生链式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率．
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461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
图461
(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．
1．(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是( )
【导学号：55272144】
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】 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．
【答案】 AB
2．原子反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置，它主要由四部分组成，即原子燃料、________、________、控制调节系统．
【解析】 核反应堆的主要部分包括：①燃料，即浓缩铀235；②减速剂，采用石墨、重水和普通水；③控制棒，控制链式反应的速度；④冷却系统，水或液态钠等流体在反应堆
外循环流动，把反应堆的热量传输出去用于发电．
【答案】 减速剂 冷却系统
3．每昼夜消耗220 g铀235的原子能发电站，如果效率为25%，它能产生的电功率为多大？(每个铀核裂变时放出的能量是200 MeV)
【解析】 一昼夜消耗的铀所能产生的核能为
ΔE＝200×220235×6.02×1023×106×1.6×10－19 J
＝1.8×1013 J，
电功率P＝ηΔEt＝1.80×1013×25%24×3600 W＝5.2×107 W.
【答案】 5.2×107 W
1．核电站释放的核能是n个核反应释放核能积累的结果E＝n·ΔE，ΔE＝Δmc2，n＝mMmol·NA.
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＝ηE.
小粒子与大宇宙
[先填空]
1．人类目前能够观测到的最大距离约为140亿光年之远．
2．对宇宙的时空结构、运动形态和物质演化的理论描述，称为宇宙模型，目前普遍被大家接受的模型是大爆炸宇宙模型．
3．人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从10－15m到1027m，共跨越了约42个数量级．
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1018s.
5．目前所知的微观粒子中，寿命最短的只有10－25s.
6．物质世界的时间尺度：约从10－25s到1018s，也跨越了将近43个数量级．
[再判断]
1．质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子．(×)
2．强子是参与强相互作用的粒子．(√)
3．宇宙将一直会膨胀下去．(×)
[后思考]
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．
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 μ子 K介子与π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、μ子、μ子中微子、τ子、τ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( )
【导学号：55272145】
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
【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、B错误；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．
【答案】 D
5．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．
(1)中微子与水中的11H发生核反应，产生中子(10n)和正电子( 0＋1e)，即中微子＋11H―→10n＋ 0＋1e.
可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是______．(填写选项前的字母)
A．0和0 B．0和1
C．1和0 D．1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(γ)，即 0＋1e＋ 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________．
(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E＝Δmc2，故一个光子的能量为E2，代入数据得E2＝8.2×10－14 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λ＝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mn>me，所以pn>pe，故λn
【答案】 见解析
