新教材高中物理第五章原子核第45節(jié)核裂變與核聚變“基本”粒子課件新人教版選擇性必修第三冊(cè)

第五章

原子核第4、5節(jié)

核裂變與核聚變、“基本”粒子課標(biāo)解讀課標(biāo)要求素養(yǎng)要求1.了解重核的裂變反應(yīng)和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件。了解裂變反應(yīng)堆的工作原理及核電站和核能利用的優(yōu)缺點(diǎn)。2.了解核聚變發(fā)生的條件。3.會(huì)書寫核裂變、核聚變方程，能計(jì)算核反應(yīng)釋放的能量。4.知道電子、中子、質(zhì)子并不是組成物質(zhì)的最基本的粒子。知道粒子的分類及其作用，了解夸克模型。1.物理觀念：知道核裂變與核聚變、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及粒子的基本概念，了解原子彈、核反應(yīng)堆、熱核反應(yīng)條件、新粒子的內(nèi)容。2.科學(xué)思維：掌握鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及核聚變釋放能量的計(jì)算，理解核電站的工作原理，掌握輕核聚變的條件，提高分析、解決問題的能力。3.科學(xué)探究：通過對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的探究，理解原子彈、核反應(yīng)堆的原理，體會(huì)熱核反應(yīng)的條件及科學(xué)發(fā)現(xiàn)新粒子的進(jìn)步。4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：關(guān)注核技術(shù)應(yīng)用對(duì)人類生活和社會(huì)發(fā)展的影響，激發(fā)探索未來科學(xué)的熱情。要點(diǎn)一鏈?zhǔn)椒磻?yīng)由重核裂變產(chǎn)生的______①使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫作核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。通常把核裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫作它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫作__________②。

中子

臨界質(zhì)量①為了使鈾235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)生的快中子去轟擊鈾核，這種說法對(duì)嗎？提示不對(duì)，鈾235俘獲慢中子發(fā)生裂變的概率大，快中子使鈾235發(fā)生裂變的幾率小，因此不能直接使用快中子。②為什么說鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)才能不停地進(jìn)行下去？提示鈾塊的大小是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能否進(jìn)行的重要因素。原子核的體積非常小，原子內(nèi)部的空隙很大，如果鈾塊不夠大，中子在鈾塊中通過時(shí)就有可能碰不到鈾核跑到外面去，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不能繼續(xù)。要點(diǎn)二核聚變

兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作________③。

核聚變

提示輕核聚變需要的動(dòng)能，表現(xiàn)在宏觀上就是核燃料需要達(dá)到極高的溫度。所以使聚變的燃料加熱到幾百萬(wàn)開爾文的高溫，劇烈的熱運(yùn)動(dòng)使得一部分原子核具有足夠的動(dòng)能，可以克服庫(kù)侖斥力，碰撞時(shí)十分接近，發(fā)生核聚變。要點(diǎn)三反粒子

存在著這樣一類粒子，它們的質(zhì)量、壽命、自旋等物理性質(zhì)與過去已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子相同，而電荷等其他性質(zhì)相反，這些粒子叫作________④。

反粒子④隨著量子物理學(xué)的興起，越來越多的研究深入到微觀世界，讓人類有了一個(gè)全新的研究方向，比如說“反氫原子”就是其中之一，它也遵循著量子效應(yīng)，同時(shí)也是反物質(zhì)的一種重要組成形式。請(qǐng)推測(cè)反氫原子的結(jié)構(gòu)？

探究點(diǎn)一

核裂變及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)1.觀察鈾核裂變示意圖（1）鈾核裂變是如何發(fā)生的？

[答案]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(dòng)，使核變成不規(guī)則的形狀。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）只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)嗎？

[答案]鈾塊體積應(yīng)大于或等于臨界體積才能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。（3）鈾核裂變?cè)谧匀唤缰心茏园l(fā)進(jìn)行嗎？

[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(huì)自發(fā)地發(fā)生。（4）重核裂變?yōu)槭裁茨茚尫藕四埽?/p>

[答案]中等質(zhì)量的原子核的核子的平均質(zhì)量較小，重核和輕核的核子的平均質(zhì)量較大。如果原子序數(shù)較大的重核分裂成原子序數(shù)小一些的兩個(gè)核，會(huì)有質(zhì)量虧損，放出巨大的核能。

1.重核裂變的理解（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，放出更多的中子的過程。（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)合能相比中等質(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，而且釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時(shí)得到的能量。

（3）鈾的同位素中鈾235比鈾238更易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

例鈾核裂變時(shí)，對(duì)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)

C

A

探究點(diǎn)二

核電站與核反應(yīng)堆1.如圖所示為核反應(yīng)堆示意圖：（1）鈾235是容易吸收快中子還是慢中子后發(fā)生裂變反應(yīng)？如何控制裂變反應(yīng)的激烈程度？

[答案]慢中子。當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，使鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些，反之，應(yīng)使鎘棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)快一些。（2）核電站發(fā)電有什么優(yōu)點(diǎn)？

[答案]核電站發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)有：消耗的核燃料少；作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采，儲(chǔ)量大；對(duì)環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小。

1.核電站的主要組成及其作用核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆，反應(yīng)堆用的核燃料是鈾235，它的主要部件如表：部件名稱慢化劑控制棒熱循環(huán)介質(zhì)保護(hù)層采用的材料石墨、重水或普通水（也叫輕水）鎘水或液態(tài)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)的熱量傳輸出去屏蔽射線，防止放射性污染

（2）控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒。采用電子儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應(yīng)的劇烈程度。（3）冷卻劑：核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時(shí)通過水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把熱量傳輸出去，用于發(fā)電。（4）保護(hù)層：發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些有危險(xiǎn)的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護(hù)層可以防止射線輻射到外面。

C

AB

探究點(diǎn)三

核聚變1.閱讀教材“核聚變”內(nèi)容，回答以下問題。（1）目前人們實(shí)現(xiàn)的核聚變是什么？

[答案]目前人們能實(shí)現(xiàn)的熱核反應(yīng)是氫彈的爆炸，是由化學(xué)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)熱核爆炸，但這是不可控制的。（2）實(shí)現(xiàn)熱核反應(yīng)存在的困難是什么？可能實(shí)現(xiàn)對(duì)熱核反應(yīng)的控制的方法是什么？

[答案]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?？赡軐?shí)現(xiàn)對(duì)熱核反應(yīng)的控制方法：一是磁約束：利用磁場(chǎng)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。二是慣性約束：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)。

1.核聚變的特點(diǎn)（1）從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個(gè)放能反應(yīng)。（2）在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，輕核聚變比重核裂變釋放出更多的能量。（3）熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去。

（4）普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆。2.核聚變的應(yīng)用（1）核武器——?dú)鋸棧阂环N不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置。它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸。（2）可控?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探索階段。3.重核裂變與輕核聚變的比較項(xiàng)目重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個(gè)核子放出的能量要多3～4倍核廢料處理難度聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡(jiǎn)單得多項(xiàng)目重核裂變輕核聚變?cè)系奶N(yùn)藏量可控性比較容易進(jìn)行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應(yīng)釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它續(xù)表

D

1.（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(kù)侖斥力做功B.輕核聚變需要幾百萬(wàn)攝氏度的高溫，因此聚變又叫作熱核反應(yīng)C.原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬(wàn)攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)D.自然界中不存在天然的熱核反應(yīng)

ABC

探究點(diǎn)四

“基本”粒子

1.新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)時(shí)間1932年1937年1947年20世紀(jì)60年代后新粒子正電子超子基本特點(diǎn)質(zhì)量與相對(duì)應(yīng)的粒子相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反比質(zhì)子的質(zhì)量小質(zhì)量介于電子與核子之間其質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量大很多

2.粒子的分類分類參與的相互作用發(fā)現(xiàn)的粒子備注強(qiáng)子參與強(qiáng)相互作用質(zhì)子、中子強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸克”構(gòu)成；強(qiáng)子又分為介子和重子兩類輕子不參與強(qiáng)相互作用未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.粒子的分類分類參與的相互作用發(fā)現(xiàn)的粒子備注規(guī)范玻色子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子傳遞電磁相互作用，中間玻色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強(qiáng)相互作用希格斯玻色子希格斯玻色子是希格斯場(chǎng)的量子激發(fā)。基本粒子因與希格斯場(chǎng)耦合而獲得質(zhì)量。2012年，歐洲核子研究中心利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子1.關(guān)于粒子，下列說法正確的是(

)A.質(zhì)子的反粒子的電荷量與質(zhì)子相同，但帶的是負(fù)電荷B.強(qiáng)子都是帶電的粒子C.目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有8種D.光子屬于輕子

A

AA.B.C.D.

1.推理是研究和學(xué)習(xí)物理的一種重要方法，正電子、負(fù)質(zhì)子、反中子都是反粒子，它們跟通常所說的電子、質(zhì)子、中子相比較，質(zhì)量相等，電荷量相等，電性相反（中子和反中子都不帶電）。科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)反氦原子（已知氦原子核中有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子）。你推測(cè)反氦原子的結(jié)構(gòu)可能是(

)A.由兩個(gè)帶負(fù)電的質(zhì)子和兩個(gè)帶正電的電子構(gòu)成B.由兩個(gè)帶負(fù)電的質(zhì)子、兩個(gè)電子和兩個(gè)中子構(gòu)成C.由兩個(gè)質(zhì)子、兩個(gè)電子和兩個(gè)中子構(gòu)成D.由兩個(gè)帶負(fù)電的質(zhì)子、兩個(gè)帶正電的電子和兩個(gè)不帶電的中子構(gòu)成

D

[解析]組成反氦原子的粒子與組成氦原子的粒子應(yīng)具有相同的質(zhì)量，相等的電荷量但電性相反，據(jù)此分析可知反氦原子可能由兩個(gè)帶負(fù)電的質(zhì)子（反質(zhì)子）、兩個(gè)帶正電的電子（正電子）和兩個(gè)不帶電的中子構(gòu)成。2.（2021廣西柳州高三一模）2020年1月10日，工程院院士黃旭華獲得國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，他為核潛艇研制和跨越式發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，下列說法正確的是(

)A.核潛艇的核反應(yīng)也叫熱核反應(yīng)B.原子彈中鈾或钚的質(zhì)量可小于臨界質(zhì)量C.核潛艇的核反應(yīng)堆是利用鎘棒控制核反應(yīng)速度D.核聚變和核裂變都能放出核能，故一切核反應(yīng)都應(yīng)放出核能

C

D

C

夸克模型夸克的提出1964年美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的特性在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中，夸克是唯一一種能經(jīng)受全部四種基本相互作用（電磁、引力、強(qiáng)相互作用及弱相互作用）的基本粒子?？淇司哂小熬o閉”性，不能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)夸克的種類續(xù)表夸克的電荷意義電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分?jǐn)?shù)電荷

D

[解析]夸克不能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)。

粒子帶電荷量

AD

B

A

[解析]熱核反應(yīng)是氘和氚發(fā)生的聚變。3.如圖是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，下列對(duì)該反應(yīng)堆的說法中正確的是(

)A.鈾235容易吸收快中子發(fā)生裂變反應(yīng)B.快中子跟慢化劑中的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)

BC.控制棒由鎘做成，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)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?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)快一些

[解析]在核反應(yīng)堆中，慢中子容易被鈾235俘獲發(fā)生裂變反應(yīng)；快中子跟慢化劑中的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子；在核電站中，通過控制棒吸收中子多少來控制反應(yīng)速度。4.（2021河北邯鄲高三期末）2020年11月27日00時(shí)41分，華龍一號(hào)全球首堆——中核集團(tuán)福清核電5號(hào)機(jī)組首次并網(wǎng)成功，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，該機(jī)組各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，機(jī)組狀態(tài)良好，并創(chuàng)造了全球第三代核電首堆建設(shè)的最佳業(yè)績(jī)。這標(biāo)志著中國(guó)打破了國(guó)外核電技術(shù)壟斷，正式進(jìn)入核電技術(shù)先進(jìn)國(guó)家行列，以下關(guān)于核能的有關(guān)說法正確的是(

)A.華龍一號(hào)發(fā)電的核能是利用輕核聚變B.華龍一號(hào)發(fā)電的核能是利用重核裂變C.重核裂變過程中釋放核能是因?yàn)樾潞说谋冉Y(jié)合能小D.輕核聚變過程中釋放核能是因?yàn)樾潞撕俗拥钠骄|(zhì)量大

B

[解析]目前核電站都是利用重核裂變釋放的能量，裂變之所以釋放核能是因?yàn)樾潞说谋冉Y(jié)合能大于原來重核的比結(jié)合能；同理，輕核聚變過程釋放能量是因?yàn)樾潞撕俗拥钠骄|(zhì)量小于原來核子的平均質(zhì)量。5.對(duì)于氫彈的有關(guān)描述，下列說法正確的是(

)A.氫彈爆炸的原理是核聚變B.目前核電站的工作原理與氫彈相同C.低溫能延長(zhǎng)放射性元素的半衰期D.核聚變的主要反應(yīng)物是高能的質(zhì)子和電子

A

[解析]氫彈爆炸的原理是核聚變，目前核電站的工作原理是核裂變。

D

B

[解析]核聚變