新人教版高中物理选修3-5 核裂变 核聚变 粒子和宇宙 学案

核裂变 核聚变 粒子和宇宙

[学习目标] 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、核聚变方程，能计算核反应释放的能量．

一、核裂变和链式反应

[导学探究] (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，在自然界中不会自发地发生．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．

[知识梳理] 对核裂变和链式反应的理解

(1)核裂变

重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，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

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

①铀块的体积大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量．

②有足够数量的慢中子．

[即学即用] 铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是( ) A．铀块的质量是重要因素，与体积无关

B．为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子

C．若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生

D．能否发生链式反应与铀的质量无关

答案 C

解析 要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量，只要组成铀块的体积小于临界体积或质量小于临界质量就不会产生链式反应，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变，如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积时则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确．

二、核电站

[知识梳理] 核反应堆的结构及核电站的认识

(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、重水或普通水作慢化剂；

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，深埋地下．

[即学即用] 核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是( )

A．原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统

B．原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统

C．原子燃料、调速剂、碰撞系统和热系统

D．原子燃料、中子源、原子能聚存和输送系统

答案 A

解析 核反应堆的主要部分包括：①燃料，即浓缩铀235；②慢化剂，采用石墨、重水或普通水；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内外循环流动，把反应堆的热量传输出去用于发电，故A正确，B、C、D错．

三、核聚变

[导学探究] (1)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？

答案 轻核的聚变反应，是较轻的核子聚合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间接近到发生相互作用的距离，约为10－15 m；同时由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度．

(2)目前人们实现的核聚变是什么？实现热核反应存在的困难是什么？如何实现对热核反应的控制？

答案 ①目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸，是由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核反应，但这是不可控制的．

②实现热核反应存在的困难是：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温．

③可能实现对热核反应的控制方法：

磁约束：利用磁场来约束参与反应的物质．环流器是目前性能最好的一种磁约束装置．

惯性约束：利用强激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应．

[知识梳理] 对核聚变的认识

(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＋17.6 MeV.

(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库仑力作用，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，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文以上的高温．

[即学即用] (多选)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，所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应

D．太阳和许多恒星内部都在进行着剧烈的热核反应，在地球内部也可自发地进行

答案 ABC

解析 轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，故必须克服库仑斥力做功，A正确；要克服核子间作用力做功，必须使反应的原子核有足够大的动能，方法就是将其加热到几百万开尔文的高温，B正确；热核反应必须在几百万开尔文的高温下进行，这样高的温度可利用原子弹爆炸释放的能量获得，C正确；在太阳和许多恒星内部都存在热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错．

四、粒子和宇宙

[导学探究] 强子和夸克的关系是怎样的？夸克分多少种？它的带电性是怎样的？什么是夸克的“禁闭”？

答案 夸克是强子的基本组成成分；夸克有6种：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为＋23或－13；每种夸克都有对应的反夸克；夸克不能以自由的状态单个出现的性质，叫夸克的“禁闭”．

[知识梳理] 对粒子和宇宙的理解

(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．

[即学即用] 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夸克的带电荷量为－13e，e为元电荷，下列说法中可能正确的是( )

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.

一、重核裂变的理解及核能的计算

例1 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．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 核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A错误，D正确．发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于或等于临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B错误．重核裂变时，核子数守恒，C错误．

答案 D

归纳总结

重核裂变的实质：

(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多中子的过程．

(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能比中等质量的核的比结合能要小．所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量(但核子数守恒)，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量．

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：

mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg；

mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝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、电荷数守恒和反应中的能量守恒，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，