高中物理 19.6 核裂變 19.7 核聚變 19.8 粒子和宇宙課件 新人教版選修35.pptVIP

6核裂變7核聚變8粒子和宇宙 第十九章原子核 學(xué)習(xí)目標(biāo) 知識探究 典例精析 達(dá)標(biāo)檢測 1 知道重核的裂變反應(yīng)和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件 2 掌握核聚變的定義及發(fā)生條件 3 會判斷和書寫核裂變 核聚變方程 能計(jì)算核反應(yīng)釋放的能量 一 核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 1 鈾核裂變是如何發(fā)生的 知識探究 導(dǎo)學(xué)探究 答案 答案鈾核的裂變 核子受激發(fā)當(dāng)中子進(jìn)入鈾235后 便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核 復(fù)核中由于核子的激烈運(yùn)動 使核變成不規(guī)則的形狀 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(shí)放出中子 這些中子又引起其他鈾核裂變 這樣 裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去 形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 2 鈾核裂變在自然界中能自發(fā)進(jìn)行嗎 答案 答案重核的裂變只能發(fā)生在人為控制的核反應(yīng)中 在自然界中不會自發(fā)地發(fā)生 鈾核裂變不會自發(fā)地進(jìn)行 要使鈾核裂變 首先要利用中子轟擊鈾核 使鈾核分裂 分裂產(chǎn)生更多的中子 這些中子繼續(xù)與其他鈾核發(fā)生反應(yīng) 再引起新的裂變 這樣就形成了鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 對核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的理解 1 核裂變重核被中子轟擊后分裂成兩個(gè)質(zhì)量差不多的 并放出的過程 2 鈾核裂變用轟擊鈾核時(shí) 鈾核發(fā)生裂變 其產(chǎn)物是多種多樣的 其中一種典型的反應(yīng)是 知識梳理 答案 核能 新原子核 中子 3 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)由重核裂變產(chǎn)生的使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程 叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 4 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件 鈾塊的體積或等于臨界體積或鈾塊的質(zhì)量或等于臨界質(zhì)量 有足夠數(shù)量的中子 答案 中子 大于 大于 慢 鈾核裂變時(shí) 對于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的重要因素 下列說法中正確的是 a 鈾塊的質(zhì)量是重要因素 與體積無關(guān)b 為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生 最好直接利用裂變時(shí)產(chǎn)生的中子c 若鈾235的體積超過它的臨界體積 裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就能夠發(fā)生d 能否發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與鈾的質(zhì)量無關(guān) 即學(xué)即用 解析答案 解析要使鈾核裂變產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 鈾塊的體積必須大于或等于臨界體積或鈾塊的質(zhì)量大于或等于臨界質(zhì)量 只要組成鈾塊的體積小于臨界體積或質(zhì)量小于臨界質(zhì)量就不會產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的中子為快中子 這些快中子不能直接引發(fā)新的裂變 如果鈾塊的質(zhì)量大 則其體積大 若超過臨界體積時(shí)則發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 由此知a b d錯誤 c正確 答案c 核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)及核電站的認(rèn)識 1 核電站是利用核能發(fā)電 它的核心設(shè)施是 它主要由以下幾部分組成 燃料 慢化劑 鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng) 采用 重水或普通水作慢化劑 控制棒 采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法 利用鎘的能力很強(qiáng)的特性 控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度 知識梳理 答案 二 核電站 反應(yīng)堆 鈾棒 石墨 吸收中子 2 工作原理核燃料釋放能量 使反應(yīng)區(qū)溫度升高 3 能量輸出利用水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外 把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去 用于發(fā)電 同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻 4 核污染的處理在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的 用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線 核廢料具有很強(qiáng)的 需要裝入特制的容器 答案 裂變 循環(huán)流動 水泥層 放射性 深埋地下 即學(xué)即用 核反應(yīng)堆是實(shí)現(xiàn)可控制的重核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一種裝置 它的主要組成部分是 a 原子燃料 慢化劑 冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)b 原子燃料 慢化劑 發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)c 原子燃料 調(diào)速劑 碰撞系統(tǒng)和熱系統(tǒng)d 原子燃料 中子源 原子能聚存和輸送系統(tǒng) a 解析答案 解析核反應(yīng)堆的主要部分包括 燃料 即濃縮鈾235 慢化劑 采用石墨 重水或普通水 控制棒 控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度 冷卻系統(tǒng) 水或液態(tài)鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動 把反應(yīng)堆的熱量傳輸出去用于發(fā)電 故a正確 b c d錯 1 為什么實(shí)現(xiàn)核聚變要使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫 導(dǎo)學(xué)探究 答案 三 核聚變 答案輕核的聚變反應(yīng) 是較輕的核子聚合成較重的核子 要使得核子的強(qiáng)相互作用發(fā)揮作用 必須使核子間接近到發(fā)生相互作用的距離 約為10 15m 同時(shí)由于原子核之間在此距離時(shí)的庫侖斥力十分巨大 因而需要核子有很大的動能 表現(xiàn)在宏觀上就是核燃料需要達(dá)到極高的溫度 2 目前人們實(shí)現(xiàn)的核聚變是什么 實(shí)現(xiàn)熱核反應(yīng)存在的困難是什么 如何實(shí)現(xiàn)對熱核反應(yīng)的控制 答案 答案 目前人們能實(shí)現(xiàn)的熱核反應(yīng)是氫彈的爆炸 是由普通炸藥引爆原子彈 再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核反應(yīng) 但這是不可控制的 實(shí)現(xiàn)熱核反應(yīng)存在的困難是 地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受住熱核反應(yīng)所需要的高溫 可能實(shí)現(xiàn)對熱核反應(yīng)的控制方法 磁約束 利用磁場來約束參與反應(yīng)的物質(zhì) 環(huán)流器是目前性能最好的一種磁約束裝置 慣性約束 利用強(qiáng)激光從各個(gè)方向照射參加反應(yīng)的物質(zhì) 使它們由于慣性還來不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng) 對核聚變的認(rèn)識 1 聚變兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核 釋放出核能的反應(yīng) 稱為核聚變 聚變反應(yīng)又稱為熱核反應(yīng) 2 聚變方程 知識梳理 3 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m 這要克服電荷間強(qiáng)大的庫侖力作用 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 有一種方法就是給它們 使物質(zhì)達(dá)到幾百萬開爾文以上的高溫 答案 10 15 加熱 即學(xué)即用 多選 下列關(guān)于聚變的說法中 正確的是 a 要使聚變產(chǎn)生 必須克服庫侖斥力做功b 輕核聚變需要幾百萬開爾文的高溫 因此聚變又叫做熱核反應(yīng)c 原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬開爾文的高溫 所以氫彈可以利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)d 太陽和許多恒星內(nèi)部都在進(jìn)行著劇烈的熱核反應(yīng) 在地球內(nèi)部也可自發(fā)地進(jìn)行 解析答案 解析輕核聚變時(shí) 要使輕核之間距離達(dá)到10 15m 故必須克服庫侖斥力做功 a正確 要克服核子間作用力做功 必須使反應(yīng)的原子核有足夠大的動能 方法就是將其加熱到幾百萬開爾文的高溫 b正確 熱核反應(yīng)必須在幾百萬開爾文的高溫下進(jìn)行 這樣高的溫度可利用原子彈爆炸釋放的能量獲得 c正確 在太陽和許多恒星內(nèi)部都存在熱核反應(yīng) 但在地球內(nèi)部不會自發(fā)地進(jìn)行 d錯 答案abc 強(qiáng)子和夸克的關(guān)系是怎樣的 夸克分多少種 它的帶電性是怎樣的 什么是夸克的 禁閉 導(dǎo)學(xué)探究 答案 四 粒子和宇宙 答案夸克是強(qiáng)子的基本組成成分 夸克有6種 上夸克 下夸克 奇異夸克 粲夸克 底夸克 頂夸克 它們帶的電荷分別為元電荷為 每種夸克都有對應(yīng)的反夸克 夸克不能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)的性質(zhì) 叫夸克的 禁閉 對粒子和宇宙的理解 1 基本粒子 不基本 直到19世紀(jì)末 人們都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的不可再分的最小微粒 后來人們發(fā)現(xiàn)了光子 電子 并把它們叫做 基本粒子 隨著科學(xué)的發(fā)展 科學(xué)們發(fā)現(xiàn)了很多的新粒子并不是由以上組成的 并發(fā)現(xiàn) 等本身也有復(fù)雜結(jié)構(gòu) 知識梳理 答案 質(zhì)子 中子 基本粒子 質(zhì)子 中子 2 發(fā)現(xiàn)新粒子 新粒子 1932年發(fā)現(xiàn)了 1937年發(fā)現(xiàn)了 1947年發(fā)現(xiàn)了k介子和 介子及以后的超子等 粒子的分類 按照粒子與各種相互作用的關(guān)系 可將粒子分為三大類 和 3 夸克模型的提出1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型 認(rèn)為強(qiáng)子是由構(gòu)成的 答案 正電子 子 強(qiáng)子 輕子 媒介子 夸克 即學(xué)即用 目前普遍認(rèn)為 質(zhì)子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克的兩類夸克組成的 u夸克帶電荷量為e d夸克的帶電荷量為e e為元電荷 下列說法中可能正確的是 a 質(zhì)子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成 中子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成b 質(zhì)子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成 中子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成c 質(zhì)子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成 中子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成d 質(zhì)子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成 中子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成 返回 解析答案 解析 答案b 返回 例1關(guān)于重核的裂變 下列說法正確的是 a 核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量b 中子從鈾塊中通過時(shí) 一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)c 重核裂變釋放出大量的能量 產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損 所以核子數(shù)減少d 重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時(shí) 要發(fā)生質(zhì)量虧損 放出核能 一 重核裂變的理解及核能的計(jì)算 典例精析 解析答案 歸納總結(jié) 解析核裂變釋放的能量來源于裂變過程的質(zhì)量虧損 是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程 其能量遠(yuǎn)大于俘獲中子時(shí)吸收的能量 a錯誤 d正確 發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有條件的 鈾塊的體積必須大于或等于臨界體積 否則中子從鈾塊中穿過時(shí) 可能碰不到原子核 則不會發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) b錯誤 重核裂變時(shí) 核子數(shù)守恒 c錯誤 答案d 歸納總結(jié) 歸納總結(jié) 重核裂變的實(shí)質(zhì) 1 重核裂變是中子轟擊質(zhì)量數(shù)較大的原子核 使之分裂成中等質(zhì)量的原子核 同時(shí)釋放大量的能量 放出更多中子的過程 2 重核的裂變是放能核反應(yīng) 原因是核反應(yīng)前后質(zhì)量有虧損 根本原因是重核的比結(jié)合能比中等質(zhì)量的核的比結(jié)合能要小 所以在重核分解為兩個(gè)中等質(zhì)量核的過程中要釋放能量 但核子數(shù)守恒 而且釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時(shí)得到的能量 例2用中子轟擊鈾核 其中的一個(gè)可能反應(yīng)是分裂成鋇 和氪 兩部分 放出3個(gè)中子 各個(gè)核和中子的質(zhì)量如下 mu 390 3139 10 27kg mn 1 6749 10 27kg mba 234 0016 10 27kg mkr 152 6047 10 27kg 試寫出核反應(yīng)方程 求出反應(yīng)中釋放的核能 解析答案 總結(jié)提升 解析根據(jù)反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒 電荷數(shù)守恒和反應(yīng)中的能量守恒 就可以寫出核反應(yīng)方程 根據(jù)核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損 用愛因斯坦質(zhì)能方程就可求出釋放的核能 鈾核裂變方程為 則核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為 m mu mn mba mkr 3mn 3 578 10 28kg 由愛因斯坦質(zhì)能方程可得釋放的核能為 e mc2 3 578 10 28 3 108 2j 3 2202 10 11j 答案3 2202 10 11j 總結(jié)提升 總結(jié)提升 鈾核裂變釋放核能的計(jì)算 1 首先算出裂變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損 m 2 根據(jù) e mc2計(jì)算釋放的核能計(jì)算時(shí)要注意 m與 e單位的對應(yīng)關(guān)系 若 m用kg做單位 則 e用j做單位 若 m用u做單位 則 e用mev做單位 1u相當(dāng)于931 5mev的能量 3 若計(jì)算一定質(zhì)量的鈾塊完全裂變時(shí)放出的核能 應(yīng)先算出鈾塊中有多少個(gè)鈾核 設(shè)為n 則鈾塊裂變釋放的核能e n e 二 輕核聚變的理解及核能的計(jì)算 例3 多選 據(jù)新華社報(bào)道 由我國自行設(shè)計(jì) 研制的世界第一套全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置 又稱 人造太陽 已完成了首次工程調(diào)試 下列關(guān)于 人造太陽 的說法正確的是 a 人造太陽 的核反應(yīng)方程是b 人造太陽 的核反應(yīng)方程是c 根據(jù)公式e mc2可知 核燃料的質(zhì)量相同時(shí) 聚變反應(yīng)釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多d 根據(jù)公式e mc2可知 核燃料的質(zhì)量相同時(shí) 聚變反應(yīng)釋放的能量與裂變反應(yīng)相同 解析答案 解析是氫核聚變方程 故a項(xiàng)正確 根據(jù)氫核聚變特點(diǎn) 相同質(zhì)量的核燃料 氫核聚變釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多 故選項(xiàng)c正確 答案ac 例4太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核同時(shí)放出兩個(gè)正電子的熱核反應(yīng) 這個(gè)核反應(yīng)釋放出的大量能量就是太陽的能源 計(jì)算結(jié)果在小數(shù)點(diǎn)后保留兩位小數(shù) 1u相當(dāng)于931 5mev的能量 1 寫出這個(gè)核反應(yīng)方程 解析答案 解析由題意可得核反應(yīng)方程為 答案 2 這一核反應(yīng)能釋放多少能量 解析答案 解析反應(yīng)前的質(zhì)量m1 4mh 4 1 0073u 4 0292u 反應(yīng)后的質(zhì)量m2 mhe 2me 4 0015u 2 0 00055u 4 0026u m m1 m2 0 0266u 由質(zhì)能方程得 釋放能量 e mc2 0 0266 931 5mev 24 78mev 答案24 78mev 3 已知太陽每秒釋放的能量為3 8 1026j 則太陽每秒減少的質(zhì)量為多少千克 已知質(zhì)子質(zhì)量為mh 1 0073u 氦核質(zhì)量為mhe 4 0015u 正電子質(zhì)量為me 0 00055u 解析答案 解析由質(zhì)能方程 e mc2得太陽每秒減少的質(zhì)量 答案4 22 109kg 總結(jié)提升 返回 總結(jié)提升 重核裂變與輕核聚變的區(qū)別 總結(jié)提升 返回 返回 1 一個(gè)原子核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應(yīng)的裂變方程為 則下列敘述正確的是 a x原子核中含有86個(gè)中子b x原子核中含有141個(gè)核子c 因?yàn)榱炎儠r(shí)釋放能量 根據(jù)e mc2 所以裂變后的總質(zhì)量數(shù)增加d 因?yàn)榱炎儠r(shí)釋放能量 出現(xiàn)質(zhì)量虧損 所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少 達(dá)標(biāo)檢測 1 2 3 解析答案 4 解析x原子核中的核子數(shù)為 235 1 94 2 140個(gè) b錯誤 中子數(shù)為140 92 38 86個(gè) a正確 裂變時(shí)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 答案a 1 2 3 4 2 一個(gè)鈾235吸收一個(gè)中子后發(fā)生的一種核反應(yīng)方程是 放出的能量為e 鈾235核的質(zhì)量為m 中子的質(zhì)量為m 氙136核的質(zhì)量為m1 鍶90核的質(zhì)量為m2 真空中光速為c 則釋放的能量e等于 a m m1 m2 c2b m m m1 m2 c2c m m1 m2 9m c2d m1 m2 9m m c2 解析答案 c 解析鈾235裂變時(shí)的質(zhì)量虧損 m m m m1 m2 10m m m1 m2 9m 由質(zhì)能方程可得e mc2 m 9m m1 m2 c2 1 2 3 4 3 某科學(xué)家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論 其中的兩個(gè)核反應(yīng)方程為h c n q1 h n c x q2 方程中q1 q2表示釋放的能量 相關(guān)的原子核質(zhì)量見下表 1 2 3 4 解析答案 b 解析由核反應(yīng)過程必須遵守質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知x是 放出熱量分別為q1和q2的兩個(gè)核反應(yīng)中質(zhì)量虧損分別為0 0021u和0 0053u 故q2 q1 1 2 3 4 4 一個(gè)氘核 和一個(gè)氚核 結(jié)合成一個(gè)氦核 同時(shí)放出一個(gè)中子 已知氘核質(zhì)量為m1 2 0141u 氚核質(zhì)