新教材同步輔導(dǎo)2023年高中物理第五章原子核5.4核裂變與核聚變5.5“基本”粒子課件新人教版選擇性必修第三冊

第五章原子核學(xué)習目標1.知道什么是核裂變、鏈式反應(yīng)及發(fā)生鏈式反應(yīng)的條件,會判斷和書寫核裂變反應(yīng)方程,并能計算核裂變釋放的核能.2.了解反應(yīng)堆的工作原理,知道核電站的工作流程,知道如何控制核反應(yīng)的速度以及如何防止核污染,感受物理規(guī)律在國防和生產(chǎn)中的應(yīng)用.3.知道什么是核聚變(熱核反應(yīng))及其發(fā)生反應(yīng)的條件,會用守恒的思想判斷和書寫核聚變反應(yīng)方程,能計算核聚變釋放的核能,關(guān)注受控核聚變反應(yīng)研究的進展.4.了解兩類核能應(yīng)用的利弊,關(guān)注核技術(shù)應(yīng)用對人類生活和社會發(fā)展的影響.5.初步了解粒子物理的基礎(chǔ)知識及粒子的分類,了解夸克模型.通過感受科學(xué)發(fā)展過程中蘊藏著的科學(xué)和人文精神,培養(yǎng)探索宇宙、探索自然奧秘的興趣.6.感悟人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識是不斷深入的,通過對這些微觀世界相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習形成相對完整、科學(xué)的物質(zhì)觀念.4

核裂變與核聚變5“基本”粒子知識點一

核裂變的發(fā)現(xiàn)

中子核能

4.鏈式反應(yīng):由重核裂變產(chǎn)生的

使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程,如下圖所示.5.發(fā)生鏈式反應(yīng)的條件.(1)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.(2)有足夠數(shù)量的

中子.中子大于大于熱知識點二反應(yīng)堆與核電站1.核反應(yīng)堆:通過

的鏈式反應(yīng)實現(xiàn)核能釋放的裝置.2.反應(yīng)堆的組成.(1)鈾棒:由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%~4%)制成,它是核反應(yīng)堆的燃料.(2)慢化劑:反應(yīng)堆中,為了使裂變產(chǎn)生的快中子減速,便于鈾235吸收,發(fā)生裂變,在鈾棒周圍要放“慢化劑”,常用的慢化劑有

、重水和普通水.(3)控制棒:主要作用是

中子,控制反應(yīng)速度.可控制石墨吸收3.核電站.(1)能量輸出:核燃料裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度

,水或液態(tài)的金屬鈉等物體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動,把反應(yīng)堆內(nèi)的

傳輸出去,用于發(fā)電.(2)核污染的處理:在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的

,用來屏蔽核裂變產(chǎn)物放出的各種射線.核廢料具有很強的

,需要裝入特制的容器,

.升高熱量水泥層放射性深埋地下知識點三核聚變

較大

庫侖斥加熱4.受控熱核反應(yīng).(1)核聚變相比核裂變的優(yōu)點:輕核聚變產(chǎn)能效率

;核聚變?nèi)剂蟽α?/p>

;輕核聚變更為安全、清潔.(2)控制熱核反應(yīng)的難點:任何容器都不能承受反應(yīng)物需的

.(3)控制方法.①磁約束:利用

來約束參加反應(yīng)的帶電粒子.②慣性約束:利用核聚變物質(zhì)的

進行約束.高豐富高溫磁場慣性知識點四

“基本”粒子1.發(fā)現(xiàn)新粒子.(1)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π介子.后來還發(fā)現(xiàn)了一些粒子,質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量大很多,叫作超子.(2)20世紀30年代至今物理學(xué)家通過實驗發(fā)現(xiàn)了一部分新粒子,如τ子、

、J/Ψ介子、W和

、τ子中微子、希格斯玻色子等.(3)實驗中發(fā)現(xiàn),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

.例如,電子的反粒子是

,質(zhì)子的反粒子是

.正電子膠子Z玻色子反粒子正電子反質(zhì)子μ子2.粒子的分類.(1)強子:強子是參與強相互作用的粒子.質(zhì)子和

都是強子.(2)輕子:輕子不參與強相互作用.最早發(fā)現(xiàn)的輕子是

,后來發(fā)現(xiàn)的輕子有電子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子.每種輕子都有對應(yīng)的反粒子.(3)規(guī)范玻色子:規(guī)范玻色子是傳遞各種相互作用的粒子,如光子、中間玻色子(W和Z玻色子)、膠子.光子傳遞

相互作用,中間玻色子傳遞

相互作用,膠子傳遞

相互作用.(4)希格斯玻色子:希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā).3.夸克模型的提出:許多實驗事實表明,強子是有

結(jié)構(gòu)的.1964年,美國科學(xué)家蓋爾曼等人提出了夸克模型,認為強子由更基本的成分組成,這種成分叫作夸克.中子電子電磁弱強內(nèi)部小試身手判斷下列說法的正誤并和同學(xué)交流(正確的打“√”,錯誤的打“×”).1.鈾核裂變的產(chǎn)物是鋇和氪,且固定不變.()2.核反應(yīng)堆通過調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度.()3.核聚變平均每個核子放出的能量,比裂變反應(yīng)中平均每個核子放出的能量大.()4.實現(xiàn)核聚變的難點是地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受熱核反應(yīng)所需的溫度.()5.質(zhì)子、中子、電子都是不可再分的“基本”粒子.()6.強子是參與強相互作用的粒子,質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強子.()×√√√×√探究一核裂變及鏈式反應(yīng)問題情境閱讀教材,觀察鈾核裂變示意圖.1.鈾核裂變是如何發(fā)生的?答案:當中子進入鈾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動,使核變成不規(guī)則的形狀.核子間的距離增大,核力迅速減弱,原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊,同時放出中子,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,形成鏈式反應(yīng).2.只要有中子轟擊鈾塊就可以發(fā)生鏈式反應(yīng)嗎?答案:發(fā)生鏈式反應(yīng)是有條件的,只有鈾塊體積(質(zhì)量)大于或等于臨界體積(臨界質(zhì)量),才能發(fā)生鏈式反應(yīng).3.鈾核裂變在自然界中能自發(fā)進行嗎?4.重核裂變?yōu)槭裁茨茚尫藕四?人們獲得核能的途徑有哪些?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.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),再引起新的核裂變,這樣就形成了鏈式反應(yīng).答案:中等質(zhì)量的原子核的核子平均質(zhì)量較小,重核和輕核的核子平均質(zhì)量較大.如果原子序數(shù)較大的重核A分裂成原子序數(shù)小一些的核B和C,會有質(zhì)量虧損,放出巨大的核能.獲得核能的主要途徑:一是重核裂變,二是輕核聚變.過程建構(gòu)

3.核裂變的特點.(1)能放出巨大的能量.(2)能同時放出2至3個(或更多個)中子.(3)產(chǎn)物不唯一.注意:核裂變反應(yīng)的依據(jù)是實驗事實,不能僅憑核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒,杜撰核裂變反應(yīng).4.鏈式反應(yīng)發(fā)生的條件.(1)鈾塊的體積大于或等于臨界體積.體積超過臨界體積能保證中子能夠碰到鈾核.(2)有足夠數(shù)量的熱中子.【典例1】鈾核裂變時,對于發(fā)生鏈式反應(yīng)的重要因素,下列說法正確的是 (

)A.鈾塊的質(zhì)量是重要因素,與體積無關(guān)B.為了使核裂變的鏈式反應(yīng)容易發(fā)生,最好直接利用核裂變時產(chǎn)生的中子C.若鈾235的體積超過它的臨界體積,核裂變的鏈式反應(yīng)就能夠發(fā)生D.能否發(fā)生鏈式反應(yīng)與鈾的質(zhì)量無關(guān)解析:要使鈾核裂變發(fā)生鏈式反應(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.核裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的中子,數(shù)目有多有少,中子的速度也有大有小,實際上,中子的速度不能太大.由此知選項A、B、D錯誤,選項C正確.答案:C

答案:

BC探究二反應(yīng)堆與核電站問題情境右圖為核反應(yīng)堆示意圖.1.核反應(yīng)堆中各部件的作用是什么?答案:(1)鎘棒:吸收中子,控制反應(yīng)速度.(2)慢化劑:通常采用石墨、重水和普通水,其作用是降低中子速度,便于鈾235“捕捉”.(3)鈾棒:發(fā)生鏈式反應(yīng),產(chǎn)生能量.(4)防護層:很厚的水泥外殼,屏蔽射線,防止放射性污染.2.核電站發(fā)電有什么優(yōu)點?答案:消耗的核燃料少,所提供的能量大;對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小.過程建構(gòu)1.核電站的主要組成及作用.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,核反應(yīng)堆的主要部件列表如下.項目慢化劑控制棒熱循環(huán)介質(zhì)防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“捕捉”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.反應(yīng)堆的工作原理.(1)熱源:在核電站中,核反應(yīng)堆是熱源,下圖為簡化的核反應(yīng)堆示意圖,鈾棒是燃料,由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%~4%)制成,石墨、重水等為慢化劑,使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)闊嶂凶?便于鈾235“捕捉”,發(fā)生裂變,慢化劑附在鈾棒周圍.(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.控制棒插入深一些,吸收中子多,反應(yīng)變慢,插入淺一些,吸收中子少,反應(yīng)加快,采用電子儀器自動調(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,通過水、液態(tài)鈉等冷卻劑,在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動,把熱量傳輸出去,用于推動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電.(4)防護層:發(fā)生核裂變反應(yīng)時,會產(chǎn)生一些有危險的放射性物質(zhì),很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面.【典例3】下圖是核反應(yīng)堆的示意圖,對于該反應(yīng)堆,下列說法正確的是(

)A.鈾235容易吸收快中子后發(fā)生核裂變反應(yīng)B.快中子跟慢化劑中的原子核碰撞后能量減少,變成熱中子,熱中子容易被鈾235俘獲而引起核裂變反應(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)就會慢一些D.要使核裂變反應(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)就會快一些答案:

B解析:在核反應(yīng)堆中,慢中子容易被鈾235俘獲發(fā)生核裂變反應(yīng),選項A錯誤.快中子跟慢化劑中的原子核碰撞后能量減少,變成熱中子,熱中子容易被鈾235俘獲而引起核裂變反應(yīng),選項B正確.在核電站中,通過控制棒(鎘棒)吸收中子多少來控制反應(yīng)速度,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)就會慢一些,選項C錯誤.要使核裂變反應(yīng)更激烈一些,應(yīng)使控制棒插入淺一些,讓它少吸收一些中子,鏈式反應(yīng)就會快一些,選項D錯誤.

答案:

BCD探究三核聚變問題情境核聚變是較輕的原子核聚合成較重的原子核的反應(yīng).要使核子的強相互作用發(fā)揮作用,必須使核子間的距離達到10-15m以內(nèi);同時由于原子核之間在此距離時的庫侖斥力十分巨大,核子要有很大的動能才能“撞”到一起.1.用什么辦法能使大量原子核獲得足夠的動能而發(fā)生核聚變呢?答案:發(fā)生輕核聚變需要足夠的動能,表現(xiàn)在宏觀上就是核燃料需要達到極高的溫度.把核聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫,劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能,可以克服庫侖斥力,碰撞時十分接近,發(fā)生核聚變.2.目前,人們實現(xiàn)的核聚變是什么?答案:目前,人們能實現(xiàn)的核聚變是氫彈的爆炸,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.3.實現(xiàn)核聚變必須要有較高的溫度,故核聚變又稱熱核反應(yīng).實現(xiàn)熱核反應(yīng)存在的困難是什么?可能實現(xiàn)對熱核反應(yīng)的控制的方法是什么?答案:實現(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.可能實現(xiàn)對熱核反應(yīng)的控制方法:一是磁約束:利用磁場來約束參加反應(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:利用高能量密度的激光或X射線從各個方向照射參加反應(yīng)的物質(zhì),使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng),由于核聚變反應(yīng)的時間非常短,被“擠”在一起的核聚變物質(zhì)由于慣性還來不及擴散就完成了核反應(yīng).過程建構(gòu)1.核聚變的特點.(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時,輕核聚變比重核裂變能釋放更多的能量.(2)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)繼續(xù)下去.(3)普遍性:熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進行著,太陽就是一個巨大的熱核反應(yīng)堆.2.核聚變的應(yīng)用.(1)核武器——氫彈:一種不需要人工控制反應(yīng)速度的輕核聚變反應(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)可控熱核反應(yīng):目前處于探索階段.3.重核裂變與輕核聚變的比較.項目重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質(zhì)量的原子核,放出核能兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核,放出核能原料的蘊藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢?尤其用于核裂變的鈾235在天然鈾中只占0.7%氘在地球上的儲量非常豐富,而氚可以利用鋰來制取可控性速度比較容易進行人工控制,現(xiàn)在的核電站利用的都是核裂變反應(yīng)釋放的核能目前,人們還不能控制核聚變反應(yīng)的速度放能多少核聚變反應(yīng)比核裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能量要大3~4倍【典例5】(多選)下列關(guān)于核聚變的說法正確的是(

)A.要使核聚變發(fā)生,必須克服庫侖斥力做功B.輕核聚變需要幾百萬攝氏度的高溫,因此核聚變又叫作熱核反應(yīng)C.原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬攝氏度的高溫,所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)

D.不存在天然的熱核反應(yīng)解析:輕核聚變時,必須使輕核之間距離達到10-15m以內(nèi),所以必須克服庫侖斥力做功,選項A正確.原子核必須有足夠的動能,才能使它們接近到核力能發(fā)生作用的范圍,實驗證實,原子核必須處在幾百萬攝氏度下才有這樣的能量,這樣高的溫度通常利用原子彈爆炸獲得,選項B、C正確.在太陽內(nèi)部或其他恒星內(nèi)部都時刻進行著熱核反應(yīng),選項D錯誤.答案:ABC

解析:核反應(yīng)過程遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒,可知X的電荷數(shù)為(1+1-2)=0,質(zhì)量數(shù)為1,故是中子,A錯誤;該反應(yīng)是聚變反應(yīng),放出能量,生成物更穩(wěn)定,比結(jié)合能更大,B錯誤;根據(jù)射線特點,γ射線的電離作用比α射線弱,C正確;核電站利用核裂變,D錯誤.答案:C

答案:C探究四

“基本”粒子問題情境右圖是目前世界上最大的粒子加速器,可使粒子獲得13萬億電子伏特的能量.1.高速粒子碰撞能產(chǎn)生一些新的粒子,試說出部分20世紀30年代以來發(fā)現(xiàn)的新粒子.答案:正電子、μ子、K介子、π介子、超子等.2.隨著新粒子的發(fā)現(xiàn),質(zhì)子與中子為什么不再被稱為“基本粒子”?答案:一方面,科學(xué)家們逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的不同種類的新粒子,它們并不能看作由質(zhì)子、中子、電子組成的;另一方面,科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己復(fù)雜的結(jié)構(gòu).過程建構(gòu)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、中子強子有內(nèi)部結(jié)構(gòu),它們由“夸克”構(gòu)成;強子又分為介子和重子兩類輕子不參與強相互作用電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)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、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強相互作用希格斯玻色子希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā).基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質(zhì)量.2012年,歐洲核子研究中心利用大型強子對撞機發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子

【典例7】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)子的相同,但帶的是負電荷B.強子都是帶電的粒子C.目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有8種D.光子屬于輕子解析:有的強子帶電,有的強子不帶電,選項B錯誤.目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有6種,選項C錯誤.光子屬規(guī)范玻色子,選項D錯誤.答案:A課堂評價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得到的能量B.中子從鈾塊中通過時,一定發(fā)生鏈式反應(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,要發(fā)生質(zhì)量虧損,放出核能答案:D解析:核裂變釋放的能量來源于核裂變過程的質(zhì)量虧損,其能量遠大于俘獲中子時吸收的能量,選項A錯誤,選項D正確.發(fā)生鏈式反應(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,若碰不到原子核,則不會發(fā)生鏈式反應(yīng),選項B錯誤.重核裂變時,核子數(shù)守恒,選項C錯