第四章第六節(jié)第七節(jié)

1、第六節(jié)核能利用第七節(jié)小粒子與大宇宙浮習目標1了解裂變反應(yīng)堆的工作原理2了解核電站和核能利用的優(yōu)缺點3了解小粒子和大宇宙間的空間跨度和時間跨度一、核反應(yīng)堆及核電站1. 核電站是利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是反應(yīng)堆，核反應(yīng)堆是人工控制鏈式反應(yīng)的裝置，它主要由以下幾部分組成：(1) 燃料：鈾棒.(2) 減速劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng)，采用石墨水作減速劑；(3) 控制棒：采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法，利用鎘吸收中子的能力很強的特性，控制鏈式 反應(yīng)的速度2工作原理核燃料裂變釋放能量，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)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同

2、時也使反應(yīng)堆冷卻4. 核污染的防護與處理在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線.核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制的容器，埋入深地層來處理.即學(xué)即用判斷下列說法的正誤.(1) 核反應(yīng)堆是通過調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度.(V )(2) 核反應(yīng)堆用過的核廢料無毒無害.(X )二、小粒子和大宇宙1. 從小粒子到大宇宙 一一空間跨度(1)對宇宙的時空結(jié)構(gòu)、運動形態(tài)和物質(zhì)演化的理論描述，稱為宇宙模型大爆炸宇宙模型：大約150億年前突然發(fā)生一次大爆炸，其后逐漸誕生岀恒星、星團、脈沖星、超新星、黑洞以及被稱作類星體的遙遠發(fā)光體等，經(jīng)歷150億年演化成今天的宇宙世界.人類所能研究

3、的物質(zhì)世界的空間尺度：約從1015 m到1027 m，共跨越了約42個數(shù)量級.2. 從粒子壽命到宇宙年齡 一一時間跨度(1) 宇宙的年齡的數(shù)量級：1018s.(2) 微觀粒子的最短壽命：10一25 s.物質(zhì)世界的時間尺度：約從10_25S到1O18S,跨越了將近43個數(shù)量級.一、核反應(yīng)堆與核電站1. 核反應(yīng)堆的主要部件及作用如下表：、部件名稱項目減速劑控制棒熱循環(huán)介質(zhì)保護層采用的材料石墨、重水或普通水(也叫輕水)鎘水或液態(tài)的金屬鈉很厚的水泥外殼作用降低中子速度，便于鈾235吸收吸收中子，控制反應(yīng)速度把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去屏敝射線，防止放射性污染2.核電站發(fā)電的優(yōu)點(1) 消耗的核燃料少.(2

4、) 作為核燃料的鈾在地球上可采儲量大，所能提供的能量大 對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小1如圖1是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對該反應(yīng)堆的下列說法中正確的是 （）圖1A. 鈾235容易吸收快中子后發(fā)生裂變反應(yīng)B. 快中子跟減速劑的原子核碰撞后的能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)C. 控制棒由鎘做成，當反應(yīng)過于激烈時，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度就會慢一些D. 要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中 子，鏈式反應(yīng)的速度就會快一些答案 B解析 快中子容易與鈾 235擦肩而過，快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢

5、中子，慢中子容易被鈾 235俘獲而引起裂變反應(yīng)，選項B正確，A錯誤；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強，當反應(yīng)過于激烈時，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度就會慢一些，選項C、D都錯誤.二、粒子的分類和夸克模型1.粒子的分類分類參與的相互作用發(fā)現(xiàn)的粒子備注強子參與強相互作用質(zhì)子、中子、介子、超子強子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸 克”構(gòu)成；強子又可分為 介子和重子輕子不參與強相互作用電子、電子中微子、卩子、子未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中微子、T子、T子中微子媒介子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強相互作用2.夸克模型（1）夸克的提出：1964年美國物

6、理學(xué)家蓋爾曼提出了強子的夸克模型，認為強子是由夸克構(gòu)成的夸克的種類：上夸克（u）、下夸克（d）、奇異夸克（s卜粲夸克（c）、底夸克（b）和頂夸克（t）.2 1（3）夸克所帶電荷：夸克所帶的電荷量是分數(shù)電荷量，即其電荷量為元電荷的+3或m例如，上夸克帶的電荷量為+2e7，F(xiàn)夸克帶的電荷量為一e3.（4）意義：電子電荷不再是電荷的最小單位，即存在分數(shù)電荷目前普遍認為，質(zhì)子和中子都是由被稱為2 1u夸克和d夸克的兩類夸克組成的.u夸克帶電荷量為§e, d夸克帶電荷量為一空。，e為元電荷,F列論斷中可能正確的是 （）A.質(zhì)子由1個u夸克和2個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成B.質(zhì)

7、子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成C.質(zhì)子由1個u夸克和2個d夸克組成，中子由2個u夸克和1個d夸克組成D.質(zhì)子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由2個u夸克和1個d夸克組成答案 B解析質(zhì)子1H帶電荷量為2X fe+ ( ge)= e,中子On帶電荷量為§e+ 2X （§e） = 0.可見B正確.1.（核反應(yīng)堆的理解）（多選）關(guān)于核反應(yīng)堆，下列說法正確的是（）A. 鈾棒是核燃料，裂變時釋放核能B.鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率C.石墨的作用是吸收中子D.冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱能答案 ABD解析 鈾棒是核燃料，裂變時可放出能量，故A

8、正確；鎘棒吸收中子的能力很強，作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，即控制反應(yīng)堆功率，故B正確；慢中子最容易引發(fā)核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進行減速，石墨的作用是使中子減速，故C錯誤；水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應(yīng)堆冷 卻，控制溫度，故 D正確.2. （鏈式反應(yīng)的認識）鏈式反應(yīng)中，重核裂變時放出的可使裂變不斷進行下去的粒子是（）A. 質(zhì)子 B.中子 C. B粒子 D. a粒子答案 B解析 在重核的裂變中，鈾 235需要吸收一個慢中子后才可以發(fā)生裂變，所以重核裂變時放 出的可使裂變反應(yīng)不斷進行下去的粒子是中子3. （基本粒子的理解）若，

9、介子、n介子都是由一個夸克（夸克u或夸克d）和一個反夸克（反夸克匸或反夸克 石）組成的，它們的帶電荷量如表所示，表中e為元電荷.粒子+ 冗7tudud帶電荷量+ ee+仔e32e 3e+ 3（1）按最簡單的組成，n介子由誰和誰組成？（2）按最簡單的組成，n介子由誰和誰組成？答案（1）n介子是由夸克u和反夸克d組成的（2） n介子由夸克d和反夸克U組成2解析（1） n介子帶有+ e的電荷量，且是由一個夸克和一個反夸克組成的，夸克U帶+ 3e和1反夸克d帶+合成電荷量為e. 1 （2）冗介子帶有一e的電荷量，是由一個夸克和一個反夸克組成的，夸克d帶一和反夸克u帶-器合成電荷量為-e.4. （核能的

10、計算）裂變反應(yīng)是目前核能利用中常用的反應(yīng)，以原子核235u為燃料的反應(yīng)堆中，當俘獲一個慢中子后發(fā)生的裂變反應(yīng)可以有多種方式，其中一種可表示為+OnT15PXe+38Sr + 30n235.043 91.008 7138.917 893.915 4反應(yīng)方程下方的數(shù)字是中子及有關(guān)原子的靜止質(zhì)量（以原子質(zhì)量單位u為單位），已知1 u的質(zhì)量對應(yīng)的能量為931.5 MeV，此裂變反應(yīng)釋放出的能量是 MeV.答案 180解析此裂變反應(yīng)的質(zhì)量虧損為：（235.043 9 + 1.008 7） u （138.917 8 + 93.915 4 + 3 X 1.008 7） u = 0.193 3 u,由于1 u

11、的質(zhì)量對應(yīng)的能量為931.5 MeV ,E= 931.5X 0.193 3 MeV 180 MeV.一、選擇題（15題為單選題，67題為多選題）1. 關(guān)于粒子，下列說法正確的是（）A. 電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子B. 強子都是帶電的粒子C. 夸克模型是探究三大類粒子結(jié)構(gòu)的理論D. 夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位答案 D解析 由于質(zhì)子、中子是由不同夸克組成的，它們不是最基本的粒子，不同夸克構(gòu)成強子，有的強子帶電，有的強子不帶電，故 A、B錯誤；夸克模型是研究強子結(jié)構(gòu)的理論，不同夸2 e克帶電不同，分別為+ e和一3，說明電子電荷不再是電荷的最小單位，C錯誤，D正

12、確.2. 中國承諾到2020年碳排放量下降40%45%,為了實現(xiàn)負責任大國的承諾，我們將新建核電站項目.目前關(guān)于核電站獲取核能的基本核反應(yīng)方程可能是（）A.U + 0nT 38Sr + Xe + 100 nB. 1?Na> 22Mg + -YeC. N + 2He > 駁0+ 1HD. 238U > Th + 2He答案 A解析 重核的裂變是指質(zhì)量數(shù)較大的原子核分裂成兩個中等質(zhì)量的原子核,A是裂變反應(yīng),A正確；B為B衰變，C是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的反應(yīng)， D是a衰變.3. 關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是（）A. 次聚變反應(yīng)一定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多B. 聚變反應(yīng)每個核子釋放的

13、平均能量一定比裂變反應(yīng)大C. 聚變反應(yīng)中粒子的平均結(jié)合能變小D. 聚變反應(yīng)中由于形成質(zhì)量較大的核，故反應(yīng)后質(zhì)量增大答案 B4. 現(xiàn)在科學(xué)家們正在設(shè)法探尋“反物質(zhì)”，所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子有相同的質(zhì)量和相同的電荷量，但電荷符號相反.據(jù)此，若有反a粒子,它的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別為 （）A. 4,- 2B.4， 2C. 4,2D.4,2答案 B解析 因“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量、相同的電荷量，但電荷的符號相反所以，反a粒子質(zhì)量數(shù)為4，電荷數(shù)為2.5.K 介子衰變的方程為K n + n°.其中K 介子和n介子是帶負電的基元電荷，n0介子不帶

14、電.如圖1所示的1個K 介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中，其軌跡為圓弧AP,衰變后產(chǎn)生的 n介子的軌跡為圓弧 PB，兩軌跡在 P點相切，它們的半徑 Rk之比為2:1. n介子的軌跡未畫出.由此可知n的動量大小與n的動量的大小之比為（A.1 : 1B.1 : 2C.1 : 3D.1 : 6答案 C解析 帶電粒子K-與n-在磁場中做勻速圓周運動， 洛倫茲力提供向心力 Bqv=mv2-R得mvR=Bq,K介子與n介子帶電量相同，故運動的半徑之比等于動量之比Pk : pn = Rk=2 : 1,在衰變后n介子與*介子動量方向相反，設(shè) K介子的動量為正，則/介子動量為 負值，由動量守恒 PK = P

15、 n + p n，則P n : Pn0 = 1 : 3故A、B、D錯，C對.6. 在某次核反應(yīng)中， 1 個氘核和 1 個氚核結(jié)合生成 1 個氦核，則下列說法中正確的是 ()A. 這是一個聚變反應(yīng)B. 核反應(yīng)方程式為2H+ iHt2He + onC. 目前核電站都采用上述核反應(yīng)發(fā)電D. 該核反應(yīng)沒有質(zhì)量虧損答案 AB解析 1 個氘核和 1 個氚核結(jié)合生成 1 個氦核，反應(yīng)方程為 21 H 13H t 42He 1on ，這是聚變反應(yīng)， 故A、B正確；目前核電站采用核裂變發(fā)電，故C錯誤；該反應(yīng)放出熱量，所以一定有質(zhì)量虧損，故 D 錯誤 .7. 日本福島第一核電站在地震后，數(shù)秒內(nèi)就將控制棒插入核反應(yīng)

16、堆芯，終止了鈾的裂變鏈式反應(yīng) .但海嘯摧毀了機組的冷卻系統(tǒng)，因裂變遺留的產(chǎn)物銫、鋇等繼續(xù)衰變不斷釋放能量，核 燃料棒溫度不斷上升，對周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害.則下列說法正確的是 ()A. 控制棒通過吸收中子來實現(xiàn)對核反應(yīng)的控制B. 日本后來向反應(yīng)堆灌注海水，可以降溫，但大量的被污染的海水外泄，對周邊環(huán)境產(chǎn)生了 巨大的危害C. 核裂變遺留物銫、鋇等原子的質(zhì)量可能比鈾原子質(zhì)量大D. 核泄漏中放射性物質(zhì)對人類是有害的答案 ABD解析 控制棒通過吸收中子來實現(xiàn)對核反應(yīng)速度的控制，選項A正確；日本后來向反應(yīng)堆灌注海水，大量的被污染的海水外泄，泄漏中放射性物質(zhì)對周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害，選項B、D正確；因

17、為核反應(yīng)有能量釋放，可知銫、鋇等原子的質(zhì)量比鈾原子質(zhì)量小，故C錯誤.二、非選擇題8. 個原來靜止的鋰核(aLi)俘獲一個速度為 7.7X 104 m/s的中子后，生成一個氚核和一個氦 核，已知氚核的速度大小為1.0 X 10 m/s，方向與中子的運動方向相反.(1) 試寫出核反應(yīng)方程；(2) 求出氦核的速度大小 .答案 (1)3Li + 6n> 3H + 4He (2)2.0 X 104 m/s解析 (1)6Li + 0n> ?H + 2He.(2)取中子的運動方向為正方向，由動量守恒定律得 mnV0= mTV1 + mHeV2mnvo+ mTviv2= 2.0 x 104 m/s

18、.mHe9. 在所有能源中核能具有能量密度大、區(qū)域適應(yīng)性強的優(yōu)勢，在核電站中，核反應(yīng)堆釋放的核能被轉(zhuǎn)化為電能.核反應(yīng)堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量核能.(1)核反應(yīng)方程式2925U +站一36Kr + 30n是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)中的一種，以mu、mBa、mKr分別表示23iU>156lBa、96Kr的質(zhì)量，mn、mp分別表示中子、質(zhì)子的質(zhì)量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應(yīng)過程中放出的核能AE= _.有一座發(fā)電能力為 P = 1.00x 106 kW的核電站，核能轉(zhuǎn)化為電能的效率 n= 40%.假定反應(yīng) 堆中發(fā)生的裂變反應(yīng)全是本題(1)中的核反應(yīng)，已知每次核反應(yīng)過程中放出的核能AE =2.78x 1011 J,鈾核的質(zhì)量 mu = 390x 1027 kg,求每年(1年=3.15x 107 s)消耗的的質(zhì)量.答案(1)( mU mBa mKr 2mn)c2 (2