高中物理第四章原子核46核能利用47小粒子与大宇宙教学案粤教版5

学案7 小粒子与大宇宙(略)[学习目标定位] 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义及发生条件.3.会判断和书写核裂变和核聚变方程，能计算核反应释放的能量.4.了解裂变反应堆的工作原理，了解常用裂变反应堆的类型，知道核电站工作模式．1．核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒．2．核能运算：ΔE＝Δmc2.(1)若Δm单位为kg，则ΔE的单位为J；(2)若Δm单位为u，则ΔE的单位为MeV，可直接利用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算核能．3．重核的裂变(1)核裂变：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的较轻原子核，并放出核能的过程．(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＋310n.(3)链式反应：这种由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应．(4)链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于临界体积．4．核聚变(1)定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变．轻核聚变必须在高温下进行，因此又叫热核反应．(2)能量变化：轻核聚变后，平均结合能增加，反应中会释放能量．(3)核反应举例：21H＋31H→42He＋10n＋17.6 MeV.(4)核反应条件：必须使原子核的距离达到10－15 m以内，为达到这么近的距离，一般需要在高温下进行．5．核能的利用利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成：(1)燃料：铀棒；(2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水作减速剂；(3)控制棒：利用镉吸收中子的能力很强的特性，在反应堆中采用插入镉棒的方法控制链式反应的速度．(4)冷却系统：利用水或液态的金属钠等流体作为冷却剂，在反应堆内外循环流动，把反应堆中的热量传输出去.一、核裂变和链式反应[问题设计](1)铀核裂变是如何发生的？(2)铀核裂变在自然界中能自发进行吗？答案(1)铀核的裂变①核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状．②核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应．(2)重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，自然界不会自发地发生．铀核裂变不会自发地进行，要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这些中子继续与其他铀核发生反应，再引起新的裂变，这样就形成了链式反应．[要点提炼]1．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，其中两种典型的反应是235 92U ＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n；235 92U＋10n→136 54Xe＋9038Sr＋1010n.2．链式反应由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应．3．链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积．(2)有足够数量的慢中子．二、裂变过程中核能的分析与计算[问题设计]重核裂变为什么能释放核能？人们获得核能的途径有哪些？通过图1说明．图1答案中等质量的原子核的核子的平均质量较小，重核和轻核的核子的平均质量较大．如果原子序数较大的重核A分裂成原子序数小一些的核B和C，会有质量亏损，放出巨大的核能．获得核能的主要途径：一是重核裂变，二是轻核聚变．[要点提炼]铀核裂变释放核能的计算1．首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm.2．根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能计算时要注意Δm与ΔE单位的对应关系：若Δm用kg做单位，则ΔE用J做单位；若Δm用u做单位，则ΔE用MeV做单位，1 u相当于931.5 MeV的能量．3．若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核(设为n)，则铀块裂变释放的核能E＝nΔE.三、轻核的聚变1．聚变两个轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为核聚变．聚变反应又称为热核反应．2．聚变方程：21H＋31H→42He＋10n.3．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10－15 m，这要克服电荷间强大的斥力，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，使物质达到几百万度以上的高温．4．重核裂变与轻核聚变的区别一、对重核裂变的理解及应用例1 (单选)关于重核的裂变，下列说法正确的是( )A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应C．重核裂变释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能解析根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程．因而其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积．如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生．在裂变反应中核子数是不会减少的，如235 92U裂变为9038Sr和136 54Xe的核反应，其核反应方程为：235 92U＋10n→9038Sr＋136 54Xe ＋1010n查阅相关资料可得其中各粒子质量分别为m U＝235.043 9 u，m n＝1.008 67 um Sr＝89.907 7 u，m Xe＝135.907 2 u质量亏损为Δm＝(m U＋m n)－(m Sr＋m Xe＋10m n)＝0.151 0 u可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此选项A、B、C错误．重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，发生质量亏损，从而释放出核能．综上所述，选项D正确．答案 D例2 用中子轰击铀核(235 92U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(141 56Ba)和氪(9236Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：m U＝390.313 9×10－27 kg，m n＝1.674 9×10－27 kg；m Ba＝234.001 6×10－27 kg，m Kr＝152.604 7×10－27 kg.试写出核反应方程，求出反应中释放的核能．解析根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒，就可以写出核反应方程．根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能．铀核裂变方程为10n＋235 92U→141 56Ba＋9236Kr＋310n，则核反应前后的质量亏损为Δm＝m U＋m n－m Ba－m Kr－3m n＝0.357 8×10－27 kg.由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J＝3.220 2×10－11J.答案 10n ＋23592U→14156Ba ＋9236Kr ＋310n 3.220 2×10－11J二、对轻核聚变的理解及核能计算例 3 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源． (1)写出这个核反应方程． (2)这一核反应能释放多少能量？(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026J ，则太阳每秒减少的质量为多少千克？ (m p ＝1.007 3 u ，m He ＝4.001 5 u ，m e ＝0.000 55 u) 解析 (1)由题意可得核反应方程应为411H→42He ＋2 0＋1e.(2)反应前的质量m 1＝4m p ＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u ，反应后的质量m 2＝m He ＋2m e ＝4.001 5 u ＋2×0.000 55 u＝4.002 6 u ，Δm ＝m 1－m 2＝0.026 6 u ，由质能方程得，释放能量ΔE ＝Δmc 2＝0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV. (3)由质能方程ΔE ＝Δmc 2得每秒减少的质量 Δm ＝ΔE c 2＝3.8×10263×108 2 kg ＝4.2×109 kg.答案 (1)411H→42He ＋2 0＋1e (2)24.78 MeV (3)4.2×109kg1.裂变和聚变⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧核裂变⎩⎪⎨⎪⎧定义及发现链式反应的条件⎩⎪⎨⎪⎧ V ≥V临足够的慢中子应用⎩⎪⎨⎪⎧ 原子弹核电站核聚变⎩⎪⎨⎪⎧定义聚变发生的条件受控热核反应⎩⎪⎨⎪⎧ 优点可控方案2．核能的利用⎩⎪⎨⎪⎧核反应堆核电站1．(双选)关于铀核裂变，下列说法正确的是( )A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B．铀核裂变时能同时释放2～3个中子C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235D．铀块的体积对产生链式反应无影响答案BC解析铀核受到中子的冲击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况比较多，也有的分裂成多块，并放出2～3个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故B、C正确．2．(单选)下列关于聚变的说法中，不正确的是( )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开尔文的高温，因此聚变又叫做热核反应C．原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行答案 D解析轻核聚变时，要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开尔文时才有这样的能量，这样高的温度通过利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错误．3．(单选)1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(N A为阿伏加德罗常数)( )A．N A×196 MeVB．235N A×196 MeVC．235×196 MeVD.N A235×196 MeV答案 D解析由于1 mol的铀核质量为235 g,1 g铀235 的物质的量为1235mol，因此1 g铀235释放的能量E＝N A235×196 MeV，故D正确．4．(单选)一个235 92U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为235 92U ＋10n→X＋9438Sr＋210n，则下列叙述正确的是( )A．X原子核中含有86个中子B．X原子核中含有141个核子C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，所以裂变后的总质量数增加D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少答案 A解析X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140个，B错误；中子数为140－(92－38)＝86个，A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D错误．5．(双选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是( ) A．“人造太阳”的核反应方程是21H＋31H→42He＋10nB．“人造太阳”的核反应方程是235 92U＋10n→141 56Ba＋9236Kr＋310nC．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同答案AC解析21H＋31H→42He＋10n是氢核聚变方程，故A项正确；根据氢核聚变特点，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确．[概念规律题组]1．(单选)在原子核的人工转变过程中，科学家常用中子轰击原子核，这是因为( ) A．中子的质量较小B．中子的质量较大C．中子的能量较大D．中子是电中性的答案 D解析科学家常用中子轰击原子核，这是因为中子不带电，比其他带电粒子更能充分地接近原子核，故正确选项是D.2．(单选)下列核反应中，属于核裂变反应的是( )A.105B＋10n→73Li＋42HeB.238 92U→234 90Th＋42HeC.147N＋42He→178O＋11HD.235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n答案 D解析由核裂变反应的特点知，D正确．3．(单选)镉棒在核反应堆中所起的作用是( )A．使快中子变成慢中子B．使慢中子变成快中子C．使反应速度加快D．控制反应速度，调节反应速度的快慢答案 D解析在核反应堆中石墨(重水)起变快中子为慢中子的作用．镉棒又叫控制棒，起吸收中子、控制反应速度、调节功率大小的作用，故D正确．4．(双选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一．下列释放核能的反应方程中，表述正确的是( )A.31H＋21H→42He＋10n是核聚变反应B.31H＋21H→42He＋10n是β衰变C.235 92U＋10n→141 56Ba＋8936Kr＋310n是核裂变反应D.235 92U＋10n→140 54Xe＋9438Sr＋210n是α衰变答案AC解析B项为轻核聚变，β衰变的实质为一个中子转化为一个质子后释放出一个电子，选项B错误；α衰变的实质是释放氦核(α粒子)，而D项是重核裂变，并未释放α粒子，选项D错误，正确选项为A、C.5．(单选)在核反应方程235 92U＋10n→9038Sr＋136 54Xe＋k X中( )A．X是中子，k＝9B．X是中子，k＝10C．X是质子，k＝9D．X是质子，k＝10答案 B解析设X的电荷数是Z，质量数是A，根据核反应的关系式，由电荷数守恒得92＋0＝38＋54＋k Z解得k Z＝0，又由质量数守恒得235＋1＝90＋136＋k A解得k A＝10.综合解得k≠0，Z＝0，可知X是中子；A＝1，k＝10，可知选项B正确．6．(双选)关于聚变，以下说法正确的是( )A．两个氘核可以聚变成一个中等质量的原子核，同时吸收能量B．同样质量的物质发生核聚变反应时放出的能量比同样质量的物质发生核裂变反应时释放的能量大得多C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能答案BD7．(单选)关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是( )A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量大C．聚变反应中粒子的比结合能变小D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后总质量变大答案 B[方法技巧题组]8．(单选)一个铀235吸收一个中子后发生的核反应方程是235 92U＋10n→136 54Xe＋9038Sr＋1010n，放出的能量为E，铀235核的质量为M，中子的质量为m，氙136核的质量为m1，锶90核的质量为m2，真空中光速为c，则释放的能量E等于( )A．(M－m1－m2)c2B．(M＋m－m1－m2)c2C．(M－m1－m2－9m)c2D．(m1＋m2＋9m－M)c2答案 C解析铀235裂变时的质量亏损：Δm＝M＋m－m1－m2－10m＝M－m1－m2－9m，由质能方程可得E＝Δmc2＝(M－9m－m1－m2)c2.9．(单选)某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为11H ＋12 6C→13 7N＋Q1，11H＋15 7N→12 6C＋X＋Q2.方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：以下推断正确的是( )A ．X 是32He ，Q 2 ＞Q 1 B ．X 是42He ，Q 2 ＞Q 1 C ．X 是32He ，Q 2 ＜Q 1 D ．X 是42He ，Q 2 ＜Q 1 答案 B解析 本题考查核反应方程的书写和计算核反应释放的能量，意在考查考生的推理判断和运算能力．由核反应过程必须遵守质量数守恒和电荷数守恒知X 是42He.放出热量分别为Q 1和Q 2的两个核反应中质量亏损分别为0.002 1 u 和0.0053 u ，故Q 2＞Q 1. 10．(单选)我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于23592U 的裂变，现有四种说法：①23592U 原子核中有92个质子，143个中子；②23592U 的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程为23592U ＋10n→13954Xe ＋9538Sr ＋210n ；③235 92U 是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45 亿年，升高温度半衰期缩短； ④一个23592U 裂变能放出200 MeV 的能量，合3.2×10－11J.以上说法中完全正确的是( )A ．①②③ B．②③④ C．①③④ D．①②④ 答案 D解析 由235 92U 的质量数和电荷数关系易知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；通过计算知④正确，故答案为D. 11．在氢弹爆炸中发生的核聚变方程为21H ＋31H→42He ＋10n ，已知21H 的质量为2.013 6 u ，31H 的质量为3.016 6 u ，42He 的质量为4.002 6 u ，10n 的质量为1.008 7 u ，阿伏加德罗常数N A ＝6.02×1023mol －1，求此氢弹爆炸中合成1 kg 的氦时所释放的能量． 答案 2.65×1027 MeV解析 由题意可知，当一个21H 核与一个31H 核发生反应合成一个42He 核时放出的能量为 ΔE ＝Δmc 2＝0.018 9×931.5 MeV≈17.6 MeV而1 kg 氦中含有的原子数目为N ＝10004×6.02×1023＝1.505×1026(个)所以合成1 kg 氦核时所放出的总能量为E ＝N ΔE ≈2.65×1027MeV [创新应用题组]12．一个原来静止的锂核(63Li)俘获一个速度为7.7×104m/s 的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103m/s ，方向与中子的运动方向相反． (1)试写出核反应方程． (2)求出氦核的速度大小．(3)若让一个氘核和一个氚核发生聚变时可产生一个氦核，同时放出一个中子，求这个核反应释放出的能量．(已知氘核质量为m D ＝2.014 102 u ，氚核质量为m T ＝3.016 050 u ，氦核质量m He ＝4.002 603 u ，中子质量m n ＝1.008 665 u ，1 u ＝1.660 6×10－27 kg) 答案 (1)63Li ＋10n→31H ＋42He (2)2×104 m/s (3)2.82×10－12 J 解析 (1)63Li ＋10n→31H ＋42He(2)取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得 m n v 0＝－m T v 1＋m He v 2v 2＝m n v 0＋m T v 1m He＝1×7.7×104＋3×1.0×1034m/s ＝2×104 m/s(3)核反应方程为21H ＋31H→42He ＋10n质量亏损为：Δm ＝m D ＋m T －m He －m n＝(2.014 102＋3.016 050－4.002 603－1.008 665) u ＝0.018 884 u≈3.136×10－29 kg 根据爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2＝3.136×10－29×(3×108)2 J≈2.82×10－12 J。

物理3-5粤教版4.7小粒子与大宇宙学案1、(1)核电站：是利用核能发电，它的核心设施是________，它要紧由以下几部分组成：①燃料：______；②减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采纳________、________________作减速剂；③操纵棒：为了操纵能量释放的速度，就要想方法减少中子的数目，采纳在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉____________________________的特性，就能够容易地操纵链式反应的速度、(2)工作原理：核燃料______释放能量，使反应区温度升高、(3)能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外______________________，把反应堆内的热量传输出去，用于发电、(4)核污染的处理：为幸免________对人体的损害，在反应堆的外面需要修建特别厚的____________，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，核废料具有特别强的________，需要装入特制的容器，__________.2、宇宙模型是指对宇宙的时空结构、运动形态和物体演化的理论描述、________宇宙模型是一种被一般同意的模型、人类目前所能研究的物质世界的空间尺度约从__________到________，共跨越了大约42个数量级、3、常见的粒子，质子、电子、光子等是________的粒子，其余的绝大多数差不多粒子基本上________，在特别短时间内就发生衰变，物质世界的时间尺度约从__________到__________，跨越了将近43个数量级、4、差不多粒子的发明和夸克模型(1)差不多粒子①新粒子：1932年发明了________，1937年发明________，1947年发明K介子和±π介子及以后发明的超子、反粒子等、②分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为：强子、轻子和________、(2)夸克模型①夸克模型的提出：1964年美国物理学家提出了强子的夸克模型，认为强子是由________构成的、②分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷分别为元电荷的________或________，每种夸克都有对应的________、③意义：电子电荷不再是电荷的______________，即存在分数电荷、【概念规律练】知识点一核能利用1、目前核电站利用的核反应是()A、裂变，核燃料为铀B、α衰变，核燃料为铀C、裂变，核燃料为氘D、β衰变，核燃料为氘2、原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等、在以下核反应中，属于核裂变反应的是()3、人类认识原子结构和开发利用原子能经历了十分曲折的过程、请按要求回答以下问题、(1)卢瑟福、玻尔、查德威克等科学家在原子结构或原子核的研究方面做出了卓越的贡献、请选择其中的两位，指出他们的要紧成绩、①________________________________________________________________________. ②________________________________________________________________________. 在贝克勒尔发明天然放射现象后，人们对放射线的性质进行了深入研究，图1为三种射线在同一磁场中的运动轨迹，请从三种射线中任选一种，写出它的名称和一种用途、图1(2)在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、重水和石墨等常用作减速剂、中子在重水中可与21H 核碰撞减速，在石墨中与12 6C 核碰撞减速、上述碰撞可简化为弹性碰撞模型、某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？知识点二对粒子的认识4、正电子是电子的反粒子，它跟一般电子的电荷量相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质.1997年初和年底，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布，他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探究反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是()A 、由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成B 、由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成C 、由一个不带电的中子与一个带负电荷的电子构成D 、由一带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成5、目前一般认为，质子和中子基本上由被称为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 为元电荷、以下论断可能正确的选项是()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【方法技巧练】粒子间相互作用问题的分析方法6、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，因此在实验中特别难探测.1953年，莱尼斯和柯文建筑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能够判定，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0B 、0和1C 、1和0D 、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，能够转变为两个光子(γ)，即0＋1e ＋ 0－1e →2γ正电子和电子的质量都为9.1×10－31kg ，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，缘故是________________________________________________________________________、(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、参考答案课前预习练1、(1)反应堆①铀棒②石墨重水和一般水③吸收中子(2)裂变(3)循环流动(4)核射线水泥防护层放射性深埋地下2、大爆炸10－15m1027m3、稳定不稳定的10－25s1018s4、(1)①正电子μ子②媒介子(2)①夸克②＋23－13反夸克③最小单元课堂探究1、A[目前核电站使用的裂变材料是铀，铀在地壳中的含量较高，铀发生裂变反应产生大量的热量，驱动汽轮机发电、]2、D[裂变是重核俘获中子后变成中等质量的原子核，同时还要放出几个中子的过程，故只有选项D 正确、]3、见解析解析(1)卢瑟福提出了原子的核式结构模型(或其他成就)玻尔把量子理论引入原子模型，并成功解释了氢光谱(或其他成就)查德威克发明了中子(或其他成就)射线2为γ射线，穿透力强，可用于金属探伤(2)设中子质量为mn ，靶核质量为m ，由动量守恒定律：mnv 0＝mnv 1＋mv 2由能量守恒：12mnv 20＝12mnv 21＋12mv 22解得：v 1＝mn －mmn ＋m v 0在重水中靶核质量：m H ＝2mn在石墨中靶核质量：m C ＝12mn与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好、4、B[氢原子是由质子和电子构成，那么反氢原子也应由它们的反粒子构成，即反质子和反电子，因此B 正确，A 、C 、D 错、]5、B[质子带电荷量为e ，中子不带电，组成质子的u 夸克和d 夸克带电荷量之和应等于质子的电荷量，组成中子的u 夸克和d 夸克所带电荷量之和应等于中子的电荷量，即为零、]6、(1)A(2)8.2×10－14碰撞过程中遵循动量守恒(3)λn <λe解析(1)在核反应中，由质量数和电荷数守恒可知A 正确、(2)2mc 2＝2EE ＝mc 2＝8.2×10－14J ，在碰撞过程中遵循动量守恒，假如是产生一个光子，合动量为零，光子的速度为零，与实际光子的运动状况矛盾、(3)粒子的动量p ＝物质波的波长λ＝h p。

核能利用小粒子与大宇宙基础夯实1.现已建成的核电站能量来自于()A.天然放射性元素衰变放出的能量B.人工放射性同位素放出的能量C.重核裂变放出的能量D.化学反应放出的能量.重核裂变要在一定条件下才能进行,并能有效地进行控制,核电站利用这一反应放出的能量进行发电,将其转化成电能.2.下列说法中正确的是()A.太阳是宇宙的中心B.太阳系中只存在太阳和它的八大行星C.太阳系是由太阳和若干行星以及它们的卫星还有彗星组成的D.以上说法都正确,有八大行星绕太阳运行,有的行星还有卫星,此外还有2 000多颗比较小的小行星和彗星等,所以叙述较完整的是C项.通常我们所说的八大行星是指太阳系中较大的几颗行星,太阳系的组成中还有小行星和彗星.3.在核反应中,控制铀235核裂变反应速率的方法是()A.使用浓缩轴B.改变铀块的临界体积C.通过自动控制装置,改变使用镉棒插入的深度,以改变反应堆中的中子数目D.利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度.4(多选)国家重大科技专项示范项目CAP1400核电站在山东荣成石岛湾建设.核电站与火电站相比较,其优势在于() (导学号51160211)A.核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量B.就可采储量来说,地球上核燃料资源远多于煤炭C.核电站造成的污染远小于相等发电能力的火电站D.核电站比火电站更容易建造,相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多,地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的15倍,只要措施得当,核电站造成的污染很小,核能属于清洁能源,A、B、C均正确;核电站的建造难度较大,D错误.5.为应对能源危机和优化能源结构,提高清洁能源的比重,我国制定了优先选择核能,其次加快发展风电和再生能源的政策,在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平,请根据所学物理知识,判断下列说法中正确的是()A.核能发电对环境的污染比火力发电要小B.核能发电对环境的污染比火力发电要大C.所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D.重核裂变是非常清洁的能源,无任何污染答案AC解析目前核电站都用核裂变,其原料是铀,且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源,但也有一定的污染,故A、C正确,B、D错误.6.(多选)下列说法中正确的是()A.聚变反应中有质量亏损,所以必向外界放出能量B.使核发生聚变反应必须使核之间的距离接近到1×10-15 m,也就是接近到核力能够发生作用的范围内C.要使核发生聚变反应,必须克服核力做功D.热核反应只有在人工控制下才能发生答案AB能力提升7.2011年3月11日,日本发生地震并引发海啸导致福岛核电站发生了核泄漏,对附近的环境造成了很大的危害.核泄漏直接导致严重的环境污染,产生的射线具有非常大的危害性,能够使动植物体内的细胞发生癌变,致使生物死亡.根据以上材料回答以下问题:核电站的发电原理是通过核裂变产生巨大的能量,完成下面铀核裂变可能的一个反应方程n→Ba+Kr+,并计算1 kg铀核裂变放出的能量是J.(结果保留两位有效数字,Ba、92Kr和中子的质量分别为235.049 3 u,140.913 9 u,91.897 3 u,1.008 7 u,1 u=1.66×10-27 kg)(导学号51160212)答案n8.5×1013解析一个铀原子核裂变放出的核能,ΔE=Δmc2=(235.049 3 u-140.913 9 u-91.897 3 u-2×1.008 7 u)c2≈3.3×10-11 J.1 kg铀中含有铀核数为N=N A=×6.02×1023≈2.562×1024(个)所以1 kg铀核裂变时放出的能量为E=N·ΔE=2.562×1024×3.3×10-11 J=8.5×1013 J.8.在可控核反应堆中需要给快中子减速,轻水、重水和石墨等常用作慢化剂.中子在重水中可与H核碰撞减速,在石墨中与C核碰撞减速.上述碰撞可简化为弹性碰撞模型.某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰,通过计算说明,仅从一次碰撞考虑,用重水和石墨作减速剂,哪种材料减速效果更好? (导学号51160213)答案重水解析设中子质量为m n,靶核质量为m,由动量守恒定律得m n v0=m n v1+mv2,由能量守恒定律得m n m n,解得v1=v0.在重水中靶核质量m H=2m n,v1H=v0=-v0.在石墨中靶核质量m C=12m n,v1C=v0=-v0.因为与重水靶核碰撞后中子速度较小,故重水减速效果更好.9.天文观测表明,几乎所有远处的恒星(或星系)都在以各自的速度背离我们而运动,离我们越远的星体,背离我们运动的速度(称为退行速度)越大;也就是说,宇宙在膨胀.星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比,即v=Hr.式中H为一常量,称为哈勃常数,已由天文观察测定.为解释上述现象,有人提出一种理论,认为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的.假设大爆炸后各星体以不同的速度向外匀速运动,并设想我们就位于其中心,则速度越大的星体现在离我们越远.这一结果与上述天文观测一致. (导学号51160214)(1)由上述理论和天文观测结果,可估算宇宙年龄T,其计算式是什么?(2)根据观测,哈勃常数H=3×10-2米/(秒·光年),其中光年是光在一年中行进的距离,由此估算宇宙的年龄为多少年?答案(1)T=(2)1×1010年解析(1)由于爆炸后各星体做的是匀速运动,令宇宙年龄为T,则星球现距我们的距离为r=vT=HrT,得T=.(2)T=年=1×1010年.。

4.6 核能利用课堂互动三点剖析对核反应堆的理解在核电站中，核反应堆是热源，如图4-6-1为简化的核反应堆的示意图：图4-6-2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，使反应生成的快速中子变为慢中子，便于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围.镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒，控制棒插入深些，吸收中子多，反应速度变慢，插浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动地调节控制棒的升降，就能使反应堆安全正常地工作.核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠或二氧化碳作冷却剂，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，很厚的混凝土防护层可以防止辐射线射到外面.各个击破【例题】核反应堆的燃料是_____________，石墨、重水等作为_____________使裂变时产生的中子速度减小，易于被铀核吸收；用镉棒_____________以控制核反应的_____________，再用水等流体在反应堆内外循环流动传输反应中产生的热量.解析：在核反应堆中的核燃料是铀235，用石墨、重水等作减速剂，用镉棒来吸收中子，以控制反应速度.答案：铀235 减速剂 吸收中子 速度类题演练1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：一昼夜消耗的铀所产生的核能ΔE=200×235220×6.02×1023J 电功率P=W E 360024%251002.62352002007%2523⨯⨯⨯⨯⨯=⨯∆=5.2×107 W 答案：5.2×107 W类题演练2试求在氢弹中当合成1 kg 的氦时所释放出的能量.（氘核21 H 的质量为2.013 6 u,氚核H 31的质量为3.016 6 u,氦核He 42的质量为4.002 6 u,中子的质量为1.008 7 u ）解析：设弹壳内装的是氘和氚轻元素，它们在高温下聚变生成氦，核聚变方程为H 21+H 31H 42−→−+n 10.当一个氘核H 21与一个氚核H 31发生反应时放出的能量为 ΔE=Δm·c 2=（2.013 6+3.016 6-4.002 6-1.008 7）×931.5 MeV=17.6 MeV. 1 kg 氦（He 42）中所含的原子核数目为N=nN A =0026.41000×6.02×1023=1.5×1026个. 这样合成1 kg 氦He 42核时所放出的总能量为E=N·ΔE=1.5×1026×17.6 MeV=2.64×1027 MeV.答案：在氢弹中合成1 kg 的氦所释放出的能量为2.64×1027 MeV.。

4.6 核能利用课堂互动三点剖析对核反应堆的理解在核电站中，核反应堆是热源，如图4-6-1为简化的核反应堆的示意图：图4-6-2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，使反应生成的快速中子变为慢中子，便于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围. 镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒，控制棒插入深些，吸收中子多，反应速度变慢，插浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动地调节控制棒的升降，就能使反应堆安全正常地工作.核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠或二氧化碳作冷却剂，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，很厚的混凝土防护层可以防止辐射线射到外面.各个击破【例题】核反应堆的燃料是_____________，石墨、重水等作为_____________使裂变时产生的中子速度减小，易于被铀核吸收；用镉棒_____________以控制核反应的_____________，再用水等流体在反应堆内外循环流动传输反应中产生的热量.解析：在核反应堆中的核燃料是铀235，用石墨、重水等作减速剂，用镉棒来吸收中子，以控制反应速度.答案：铀235 减速剂吸收中子速度类题演练1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）220解析：一昼夜消耗的铀所产生的核能ΔE=200××6.02×1023J235200200 6.021023 25%E25%235电功率P= W7 243600=5.2×107 W答案：5.2×107 W类题演练2试求在氢弹中当合成1 kg的氦时所释放出的能量.（氘核21 H的质量为2.013 6 u,氚核3 H1 的质量为3.016 6 u,氦核4 He2 的质量为4.002 6 u,中子的质量为1.008 7 u）解析：设弹壳内装的是氘和氚轻元素，它们在高温下聚变生成氦，核聚变方程为141 +1 H H2 3 H+1 n0 . 2当一个氘核12 H与一个氚核H31 发生反应时放出的能量为ΔE=Δm·c2=（2.013 6+3.016 6-4.002 6-1.008 7）×931.5 MeV=17.6 MeV.1 kg氦（4 He2 ）中所含的原子核数目为N=nN A=10004.0026×6.02×1023=1.5×1026个.这样合成1 kg氦4 He2 核时所放出的总能量为E=N·ΔE=1.5×1026×17.6MeV=2.64×1027 MeV.答案：在氢弹中合成1 kg的氦所释放出的能量为2.64×1027 MeV.2。

1 4.7 小粒子与大宇宙课堂互动三点剖析一、关于粒子因为所谓的“基本粒子”，本身也是复合粒子，它们也还有着自己的复杂的结构.科学家们后来发现了很多新粒子,更进一步证明了这一点.20世纪以来，人类陆续发现了正电子、μ子、k 介子和π介子、超子等更微小的粒子，它们“个头”很小，有的稳定存在，有的寿命极短.二、对宇宙大爆炸模型的正确理解1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙.美籍俄国天体物理学家伽莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙理论中，提出了热大爆炸宇宙模型:宇宙开始于高温、高密度的原始物质，最初的温度超过几十亿度，随着温度的继续下降，宇宙开始膨胀. 各个击破【例1】 下列所述正确的是（ ）A.原子是组成物质的不可再分的最小粒子B.原子是最大的粒子C.原子由原子核和核外电子构成，质子和中子组成了原子核D.质子、中子本身也是复合粒子，它们也有着自己复杂的结构答案：CD【例2】 科学家发现太空中的γ射线一般都是从很远的星体放射出来的.当γ射线爆发时，在数秒钟内所产生的能量相当于太阳在过去100亿年所发生的能量的总和的1 000倍左右，大致相当于将太阳的全部质量转变为能量的总和.科学家利用超级计算机对γ射线的状态进行了模拟.经模拟发现γ射线爆发是起源于一个垂死的星球的“坍缩”过程，只有星球“坍缩”时，才可以发出这么巨大的能量.已知太阳光照射到地球上大约需要8分20秒时间，由此来估算：在宇宙中，一次γ射线爆发所放出的能量.（万有引力常数G=6.67×10-11 N·m 2·k g -2,1年时间约为3.15×107s ）解析：r=ct=3×108×500=1.5×1011 m,地球做匀速圆周运动，万有引力为向心力：2224T r m r GMm π=,太阳的质量为 M=2711311232)1015.3(1067.6)105.1(1044⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-GT r πkg=2.0×1030 kg,γ射线爆发所发出的能量： E=Mc 2=2.0×1030×(3×108)2 J=1.8×1047J.答案：1.8×1047 J。

小粒子与大宇宙-粤教版选修3-5教案一、教学目标1.了解元素、原子和分子的基本概念，理解主要元素的周期表及其特征。

2.了解物质的宏观和微观世界的不同特征，理解小粒子结构和组成对物质性质的影响。

3.理解宇宙的起源和演化、地球的形成、结构和演化，认识地球上的物质和能量循环。

二、教学重点1.理解元素、原子和分子的基本概念，学习主要元素的周期表及其特征。

2.学习小粒子结构和组成对物质性质的影响。

3.了解地球的形成、结构和演化、地球上的物质和能量循环。

三、教学难点1.小粒子结构和组成对物质性质的影响。

2.地球上的物质和能量循环。

四、教学内容1.物质的组成和结构1.元素的基本概念(1)元素是指只含有一种原子的纯物质，元素是构成物质的基本单位。

元素分为金属元素、非金属元素、贵气体元素等。

(2)元素周期表（包括周期表中主要元素名称、符号、相对原子质量和简单性质的差异），认识元素周期表的规律，如周期性、银行区域性等。

2.原子的基本概念(1)原子是指具有特定物理、化学性质的最小粒子，由原子核和电子组成。

(2)认识质子、中子和电子。

(3)认识具有特殊作用的放射性同位素及其应用。

3.分子的基本概念(1)分子是指由两个或两个以上相同或不同原子结合而成的最小化学单位。

(2)认识有机分子（如脂肪酸、蛋氨酸、葡萄糖等）和无机分子（如水、氧气、盐酸等）等。

4.物质的宏观和微观世界的不同特征(1)物质有宏观世界和微观世界的不同特征。

2.小粒子结构和组成对物质性质的影响1.电子结构与物质性质的关系(1)介绍不同电子层元素的物质性质和应用。

(2)电子的能级及其与物质性质的关系。

(3)分子形状及其与物质性质的关系。

2.同素异形体(1)指具有相同分子式、不同分子结构、性质和用途不同的化合物。

(2)认识同素异形体的特点、分类及应用。

3.宇宙和地球1.宇宙的起源和演化(1)了解宇宙的组成和演变(2)了解大爆炸与宇宙的演变。

2.地球的形成、结构和演化(1)认识地球的化学和物理结构(2)了解地球的演化过程。

4.6 核能利用、4.7 小粒子与大宇宙学案（粤教版选修3-5）1．(1)核电站：是利用核能发电，它的核心设施是________，它主要由以下几部分组成：①燃料：______；②减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用________、________________作减速剂；③控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉____________________________的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．(2)工作原理：核燃料______释放能量，使反应区温度升高．(3)能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外______________________，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．(4)核污染的处理：为避免________对人体的伤害，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，__________.2．宇宙模型是指对宇宙的时空结构、运动形态和物体演化的理论描述．________宇宙模型是一种被普通接受的模型．人类目前所能研究的物质世界的空间尺度约从__________到________，共跨越了大约42个数量级．3．常见的粒子，质子、电子、光子等是________的粒子，其余的绝大多数基本粒子都是________，在很短时间内就发生衰变，物质世界的时间尺度约从__________到__________，跨越了将近43个数量级．4．基本粒子的发现和夸克模型(1)基本粒子①新粒子：1932年发现了________，1937年发现________，1947年发现K介子和±π介子及以后发现的超子、反粒子等．②分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为：强子、轻子和________．(2)夸克模型①夸克模型的提出：1964年美国物理学家提出了强子的夸克模型，认为强子是由________构成的．②分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷分别为元电荷的________或________，每种夸克都有对应的________．③意义：电子电荷不再是电荷的______________，即存在分数电荷．【概念规律练】知识点一核能利用1．目前核电站利用的核反应是( )A．裂变，核燃料为铀B．α衰变，核燃料为铀C．裂变，核燃料为氘D．β衰变，核燃料为氘2．原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等．在下列核反应中，属于核裂变反应的是( )3．人类认识原子结构和开发利用原子能经历了十分曲折的过程．请按要求回答下列问题．(1)卢瑟福、玻尔、查德威克等科学家在原子结构或原子核的研究方面做出了卓越的贡献．请选择其中的两位，指出他们的主要成绩．①________________________________________________________________________.②________________________________________________________________________.在贝克勒尔发现天然放射现象后，人们对放射线的性质进行了深入研究，图1为三种射线在同一磁场中的运动轨迹，请从三种射线中任选一种，写出它的名称和一种用途．图1(2)在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、重水和石墨等常用作减速剂．中子在重水中可与21H核碰撞减速，在石墨中与126C核碰撞减速．上述碰撞可简化为弹性碰撞模型．某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？知识点二 对粒子的认识4．正电子是电子的反粒子，它跟普通电子的电荷量相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质.1997年初和年底，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布，他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是( )A ．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成B ．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成C ．由一个不带电的中子与一个带负电荷的电子构成D ．由一带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成5．目前普通认为，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 为元电荷．下列论断可能正确的是( ) 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【方法技巧练】粒子间相互作用问题的分析方法6．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0B ．0和1C ．1和0D ．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．参考答案课前预习练1．(1)反应堆 ①铀棒 ②石墨 重水和普通水 ③吸收中子 (2)裂变 (3)循环流动 (4)核射线 水泥防护层 放射性 深埋地下2．大爆炸 10－15 m 1027 m3．稳定 不稳定的 10－25 s 1018 s4．(1)①正电子 μ子 ②媒介子 (2)①夸克 ②＋23 －13反夸克 ③最小单元 课堂探究练1．A [目前核电站使用的裂变材料是铀，铀在地壳中的含量较高，铀发生裂变反应产生大量的热量，驱动汽轮机发电．]2．D [裂变是重核俘获中子后变成中等质量的原子核，同时还要放出几个中子的过程，故只有选项D 正确．]3．见解析解析 (1)卢瑟福提出了原子的核式结构模型(或其他成就)玻尔把量子理论引入原子模型，并成功解释了氢光谱(或其他成就)查德威克发现了中子(或其他成就)射线2为γ射线，穿透力强，可用于金属探伤(2)设中子质量为mn ，靶核质量为m ，由动量守恒定律：mnv 0＝mnv 1＋mv 2由能量守恒：12mnv 20＝12mnv 21＋12mv 22解得：v 1＝mn －m mn ＋m v 0在重水中靶核质量：m H ＝2mn在石墨中靶核质量：m C ＝12mn与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好．4．B [氢原子是由质子和电子构成，那么反氢原子也应由它们的反粒子构成，即反质子和反电子，因此B 正确，A 、C 、D 错．]5．B [质子带电荷量为e ，中子不带电，组成质子的u 夸克和d 夸克带电荷量之和应等于质子的电荷量，组成中子的u 夸克和d 夸克所带电荷量之和应等于中子的电荷量，即为零．]6．(1)A (2)8.2×10－14 碰撞过程中遵循动量守恒(3)λn <λe解析 (1)在核反应中，由质量数和电荷数守恒可知A 正确．(2)2mc 2＝2EE ＝mc 2＝8.2×10－14 J ，在碰撞过程中遵循动量守恒，如果是产生一个光子，合动量为零，光子的速度为零，与实际光子的运动状况矛盾．(3)粒子的动量p ＝物质波的波长λ＝h p。

第七节 小粒子与大宇宙情景导入根据自己所掌握的知识，简述宏观世界和微观世界，并指出它们之间的联系。

简答：宏观世界和微观世界之间存在着巨大的差异.从空间范围来讲,宏观世界已扩展到现代天文学观测所能探及的约1027m 之远的宇宙深处；微观世界则已深入到约10-19m 之微的夸克和轻子.从时间范围来讲，宏观世界的“寿命”至少不少于150亿年；微观世界中的粒子寿命有的长10亿年,而有的却短到仅10-23s. 这两个在空间上和时间上有“天壤之别”的世界之间，却存在着千丝万缕的联系。

要真正理解我们的宇宙，就必须从研究极微小的粒子开始，看看那里都发生了些什么情况，然后再来遥望整个宇宙，因为宏观世界的许多基本问题往往可在对微观世界的研究中得到解决。

其实，任何关于其中一个世界的新知识，都可以促进人们对另一个世界的了解. 知识预览⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧--s s m m 1825271510101010宇宙年龄约为粒子存在时间短的为时间跨度宇宙半径约为粒子尺度约为空间跨度宙宇与子粒尊敬的读者：本文由我和我的同事在百忙中收集整编出来，本文档在发布之前我们对内容进行仔细校对，但是难免会有不尽如人意之处，如有疏漏之处请指正，希望本文能为您解开疑惑,引发思考。

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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] 1.了解裂变反应堆的工作原理.2.了解核电站和核能利用的优缺点.3.了解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时间跨度．一、核反应堆及核电站1．核电站是利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成：(1)燃料：铀棒．(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水作减速剂；(3)控制棒：采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子的能力很强的特性，控制链式反应的速度．2．工作原理核燃料裂变释放能量，使反应区温度升高．3．能量输出利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却．4．核污染的处理在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线．核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，埋入深地层来处理．[即学即用] 判断下列说法的正误．(1)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度．( √)(2)核反应堆用过的核废料无毒无害．( ×)二、小粒子和大宇宙1．“基本粒子”不基本(1)直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来人们发现了光子、电子、质子、中子，并把它们叫做“基本粒子”．(2)随着科学的发展，科学们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子组成的，并发现质子、中子等本身也有复杂结构．2．发现新粒子(1)新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等．(2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子．3．夸克模型的提出1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．4．从小粒子到大宇宙——空间跨度(1)大爆炸宇宙模型：大约150亿年前突然发生一次大爆炸，其后逐渐诞生出恒星、星团、脉冲星、超新星、黑洞以及被称作类星体的遥远发光体等，经历150亿年演化成今天的宇宙世界．(2)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从10－15_m到1027_m，共跨越了约42个数量级．5．从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度(1)宇宙的年龄的数量级：1018_s.(2)微观粒子的最短寿命：10－25_s.(3)物质世界的时间尺度：约从10－25_s到1018_s，跨越了将近43个数量级.一、核反应堆与核电站1．核反应堆的主要部件及作用如下表：部件名称项目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)镉水或液态的金属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(1)消耗的核燃料少．(2)作为核燃料的铀在地球上可采储量大，所能提供的能量大．(3)对环境的污染要比火力发电小．例1如图1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( )图1A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B．快中子跟减速剂的原子核碰撞后的能量减少，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答案 B解析快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟减速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，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，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，选项C、D都错误．二、粒子的分类和夸克模型1．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(1)夸克的提出：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．(2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)．(3)夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的＋23或－13.例如，上夸克带的电荷量为＋2e 3，下夸克带的电荷量为－e3.(4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷．例2 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的．u 夸克带电荷量为23e ，d 夸克带电荷量为－13e ，e 为元电荷，下列论断中可能正确的是( )A ．质子由1个u 夸克和2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个u 夸克和1个d 夸克组成，中子由2个u 夸克和1个d 夸克组成 答案 B解析 质子11H 带电荷量为2×23e ＋(－13e )＝e ，中子10n 带电荷量为23e ＋2×(－13e )＝0.可见B正确.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 ．石墨的作用是吸收中子D ．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能 答案 ABD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；慢中子最容易引发核裂变，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C 错误；水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控制温度，故D 正确．2．链式反应中，重核裂变时放出的可使裂变不断进行下去的粒子是( ) A ．质子 B ．中子 C ．β粒子 D ．α粒子 答案 B解析 在重核的裂变中，铀235需要吸收一个慢中子后才可以发生裂变，所以重核裂变时放出的可使裂变反应不断进行下去的粒子是中子．3．若π＋介子、π－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，它们的带电荷量如表所示，表中e 为元电荷．粒子 π＋π－u d u d 带电 荷量＋e－e＋2e 3－e 3－2e 3＋e3(1)＋(2)按最简单的组成，π－介子由谁和谁组成？ 答案 (1)π＋介子是由夸克u 和反夸克d 组成的 (2)π－介子由夸克d 和反夸克u 组成解析 (1)π＋介子带有＋e 的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克u 带＋23e和反夸克d 带＋13e 合成电荷量为e .(2)π－介子带有－e 的电荷量，是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克d 带－13e 和反夸克u 带－23e 合成电荷量为－e .4．裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核23592U 为燃料的反应堆中，当23592U 俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为235 92U ＋ 10n → 139 54Xe ＋ 9438Sr ＋ 310n235．043 9 1.008 7 138.917 8 93.915 4反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u 为单位)，已知1 u 的质量对应的能量为931.5 MeV ，此裂变反应释放出的能量是________ MeV. 答案 180解析 此裂变反应的质量亏损为：(235.043 9＋1.008 7) u －(138.917 8＋93.915 4＋3×1.008 7) u ＝0.193 3 u ， 由于1 u 的质量对应的能量为931.5 MeV ， ΔE ＝931.5×0.193 3 MeV≈180 MeV.一、选择题(1～5题为单选题，6～7题为多选题)1．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 ．强子都是带电的粒子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 答案 D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．2．中国承诺到2020年碳排放量下降40%～45%，为了实现负责任大国的承诺，我们将新建核电站项目．目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是( ) A.23592U ＋10n→9038Sr ＋13654Xe ＋1010n B.2411Na ―→2412Mg ＋ 0－1e C.147N ＋42He ―→178O ＋11H D.23892U ―→23490Th ＋42He 答案 A解析 重核的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，A 是裂变反应，A 正确；B 为β衰变，C 是发现质子的反应，D 是α衰变． 3．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是( ) A ．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多 B ．聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大 C ．聚变反应中粒子的平均结合能变小D ．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增大 答案 B4．现在科学家们正在设法探寻“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量，但电荷符号相反．据此，若有反α粒子，它的质量数和电荷数分别为( ) A ．－4，－2 B ．4，－2 C ．－4,2 D ．4,2答案 B解析 因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量、相同的电荷量，但电荷的符号相反．所以，反α粒子质量数为4，电荷数为－2.5．K －介子衰变的方程为K －―→π－＋π0.其中K －介子和π－介子是带负电的基元电荷，π介子不带电．如图1所示的1个K －介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP ，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB ，两轨迹在P 点相切，它们的半径R K －与R π－之比为2∶1.π0介子的轨迹未画出．由此可知π－的动量大小与π0的动量的大小之比为( )图1A ．1∶1B ．1∶2C ．1∶3D ．1∶6答案 C解析 带电粒子K －与π－在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力Bqv ＝mv 2R 得R ＝mvBq＝p Bq，K －介子与π－介子带电量相同，故运动的半径之比等于动量之比p K －∶p π－＝R K －∶R π－＝2∶1，在衰变后π－介子与π0介子动量方向相反，设K －介子的动量为正，则π－介子动量为负值，由动量守恒p K －＝－p π－＋p π0，则p π－∶p π0＝1∶3故A 、B 、D 错，C 对． 6．能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的有( )A.31H ＋21H ―→42He ＋10n 是核聚变反应 B.31H ＋21H ―→42He ＋10n 是β衰变C.23592U ＋10n ―→14456Ba ＋8936Kr ＋310n 是核裂变反应 D.23592U ＋10n ―→14054Xe ＋9438Sr ＋210n 是α衰变 答案 AC解析 两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应，故A 对，B 错；重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应，故C 对；原子核放出α或β粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变．原子核的衰变的反应物只有一种，故D 错．7．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，对周边环境产生了巨大的危害．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 ．日本后来向反应堆灌注海水，可以降温，但大量的被污染的海水外泄，对周边环境产生了巨大的危害C ．核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大D ．核泄漏中放射性物质对人类是有害的 答案 ABD解析 控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制，选项A 正确；日本后来向反应堆灌注海水，大量的被污染的海水外泄，泄漏中放射性物质对周边环境产生了巨大的危害，选项B 、D 正确；因为核反应有能量释放，可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小，故C 错误． 二、非选择题8．一个原来静止的锂核(63Li)俘获一个速度为7.7×104m/s 的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103m/s ，方向与中子的运动方向相反． (1)试写出核反应方程； (2)求出氦核的速度大小．答案 (1)63Li ＋10n ―→31H ＋42He (2)2×104 m/s 解析 (1)63Li ＋10n ―→31H ＋42He.(2)取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得m n v 0＝－m T v 1＋m He v 2v 2＝m n v 0＋m T v 1m He＝2×104 m/s.9．在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．(1)核反应方程式23592U ＋10n ―→14156Ba ＋9236Kr ＋310n 是反应堆中发生的许多核反应中的一种，以m U 、m Ba 、m Kr 分别表示235 92U 、141 56Ba 、9236Kr 的质量，m n 、m p 分别表示中子、质子的质量，c 为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE ＝______.(2)有一座发电能力为P ＝1.00×106kW 的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE ＝2.78×10－11J ，铀核的质量m U ＝390×10－27kg ，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的23592U 的质量．答案 (1)(m U －m Ba －m Kr －2m n )c 2(2)1 104 kg 解析 (1)释放的能量为 ΔE ＝(m U －m Ba －m Kr －2m n )c 2. (2)因核电站发电效率为40%， 故核电站消耗23592U 的功率为P ′＝P40%＝1.00×10640% kW ＝2.5×106 kW.核电站每年消耗235 92U 的能量为W ＝P ′t ＝2.5×109×3.15×107 J ＝7.875×1016 J产生这些能量消耗的铀核的数目： n ＝WΔE ＝7.875×1016J 2.78×10－11J ≈2.83×1027(个) 每年消耗23592U 的质量为M ＝nm U ＝2.83×1027×390×10－27 kg≈1 104 kg.。