2017-2018學(xué)年物理粵教版選修3-5講義第四章原子核4-64-7

第六節(jié)核能利用第七節(jié)小粒子與大宇宙[目標(biāo)定位]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(diǎn).3.了解小粒子和大宇宙間的空間跨度和時(shí)間跨度．一、反應(yīng)堆1．核反應(yīng)堆是人工控制鏈?zhǔn)椒磻?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、重水作減速劑；(3)控制棒：為了控制能量釋放的速度，就要想辦法減少中子的數(shù)目，采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法，利用鎘吸收中子強(qiáng)的特性，就可以容易地控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度．2．工作原理：核燃料裂變釋放的能量，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(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電．4．核污染的處理：修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變反應(yīng)放出的各種射線，核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器，埋入深地層來處理．二、核電站、核能利用1．核電站利用反應(yīng)堆工作時(shí)釋放的熱能使水汽化以推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，這就是核電站．2．核能利用(1)核力發(fā)電；(2)核動(dòng)力；(3)原子核物理實(shí)驗(yàn)制造各種放射性同位素．三、小粒子與大宇宙1．從小粒子到大宇宙——空間跨度(1)大爆炸宇宙模型：大約150億年前突然發(fā)生一次大爆炸，其后逐漸誕生出恒星、星團(tuán)、脈沖星、超新星、黑洞以及被稱作類星體的遙遠(yuǎn)發(fā)光體等，經(jīng)歷150億年演化成今天的宇宙世界．(2)人類所能研究的物質(zhì)世界的空間尺度：約從10－15_m到1027_m，共跨越了約42個(gè)數(shù)量級(jí)．2．從粒子壽命到宇宙年齡——時(shí)間跨度(1)宇宙的年齡的數(shù)量級(jí)：1018_s.(2)微觀粒子的最短壽命：10－25_s.(3)物質(zhì)世界的時(shí)間尺度：約從10－25_s到1018_s，跨越了將近43個(gè)數(shù)量級(jí)．預(yù)習(xí)完成后，請(qǐng)把你疑惑的問題記錄在下面的表格中問題1問題2問題3一、核反應(yīng)堆裂變反應(yīng)堆是核電站的心臟，它是一種人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置，可以使核能較平緩地釋放出來，裂變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)和工作原理如下表：組成部分材料作用裂變材料(核燃料)濃縮鈾(eq\o\al(235,92)U)提供核燃料慢化劑(減速劑)石墨、重水和普通水使裂變產(chǎn)生的快中子減速控制棒鎘吸收減速后的中子，控制反應(yīng)速度反射層石墨阻止中子逃逸熱交換器水產(chǎn)生高溫蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電防護(hù)層金屬套和鋼筋混凝土防止射線對(duì)人體及其他生物體的侵害【例1】在可控核反應(yīng)堆中需要給快中子減速，輕水、重水和石墨等常用作減速劑．中子在重水中可與eq\o\al(2,1)H核碰撞減速，在石墨中與eq\o\al(12,6)C核碰撞減速．上述碰撞可簡化為彈性碰撞模型．某反應(yīng)堆中快中子與靜止的靶核發(fā)生對(duì)心正碰，通過計(jì)算說明，僅從一次碰撞考慮，用重水和石墨作減速劑，哪種減速效果更好？答案見解析解析設(shè)中子質(zhì)量為mn，靶核質(zhì)量為m，由動(dòng)量守恒定律得：mnv0＝mnv1＋mv2由能量守恒得：eq\f(1,2)mnveq\o\al(,02)＝eq\f(1,2)mnveq\o\al(,12)＋eq\f(1,2)mveq\o\al(,22)解得v1＝eq\f(mn－m,mn＋m)v0，在重水中靶核質(zhì)量mH＝2mnv1H＝eq\f(mn－mH,mn＋mH)v0＝－eq\f(1,3)v0，在石墨中靶核質(zhì)量mC＝12mn，v1C＝eq\f(mn－mC,mn＋mC)v0＝－eq\f(11,13)v0與重水靶核碰后中子速度較小，故重水減速效果更好．借題發(fā)揮(1)中子與靶核碰撞過程中滿足動(dòng)量守恒、能量守恒．(2)因?yàn)榘泻说馁|(zhì)量大于中子的質(zhì)量，故靶核的質(zhì)量比中子的質(zhì)量大得越少，減速效果越好，如質(zhì)量相等時(shí)可以使中子的速度減為零．針對(duì)訓(xùn)練1在核反應(yīng)中，控制鈾235核裂變反應(yīng)速度的方法是()A．使用濃縮鈾B．改變鈾塊的臨界體積C．通過自動(dòng)控制裝置，改變鎘棒插入的深度，以改變中子數(shù)D．利用石墨與中子的碰撞來改變中子的速度答案C解析控制核反應(yīng)的速度是靠調(diào)節(jié)中子數(shù)目來實(shí)現(xiàn)，即用鎘棒吸收中子改變中子數(shù)目．二、核電站的工作原理核電站是利用緩慢釋放的核能來發(fā)電的，這是核能的和平利用，因此核電站是可控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．鈾235裂變需要一定的條件：(1)要有足夠濃度的鈾235；(2)要有足夠數(shù)量的慢中子；(3)鈾塊的體積要大于臨界體積．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，使得核由于質(zhì)子間的斥力作用而不能恢復(fù)原狀，這樣就分裂成幾塊，同時(shí)放出2～3個(gè)中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會(huì)不斷地進(jìn)行下去，釋放出越來越多的核能，這就叫鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．原子彈中裂變一旦開始，裂變放出的快中子，又引起其他鈾核裂變的速度很快，在極短的時(shí)間內(nèi)釋放大量的能量，因此殺傷力強(qiáng)大．在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，如圖1為簡化的核反應(yīng)堆的示意圖：圖1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(或重水)為減速劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?，利于?35吸收，發(fā)生裂變，減速劑附在鈾棒周圍．鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深些，吸收中子多，反應(yīng)速度變慢，插淺一些，吸收中子少，反應(yīng)速度加快．采用電子儀器自動(dòng)地調(diào)節(jié)控制棒的升降，就能使反應(yīng)堆安全正常地工作．【例2】在所有能源中核能具有能量密度大、區(qū)域適應(yīng)性強(qiáng)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eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)中的一種，eq\o\al(1,0)n為中子，X為待求粒子，a為X的個(gè)數(shù)，則X為________，a＝__________.以mU、mBa、mKr分別表示eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr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ΔE＝________.(2)有一座發(fā)電能力為P＝1.00×106kW的核電站，核能轉(zhuǎn)化為電能的效率η＝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ΔE＝2.78×10－11J，鈾核的質(zhì)量mU＝390×10－27kg，求每年(1年＝3.15×107s)消耗的eq\o\al(235,92)U的質(zhì)量．答案(1)eq\o\al(1,0)n3(mU－mBa－mKr－2mn)c2(2)1104kg解析(1)由反應(yīng)方程可知：X為eq\o\al(1,0)n，a為3，釋放的能量為ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.(2)因核電站發(fā)電效率為40%，故核電站消耗eq\o\al(235,92)U的功率為P′＝eq\f(P,40%)＝eq\f(1.00×106,40%)kW＝2.5×106kW.核電站每年消耗eq\o\al(235,92)U的能量為W＝P′t＝2.5×109×3.15×107J＝7.875×1016J產(chǎn)生這些能量消耗的鈾核的數(shù)目：n＝eq\f(W,ΔE)＝eq\f(7.875×1016J,2.78×10－11J)≈2.83×1027(個(gè))每年消耗eq\o\al(235,92)U的質(zhì)量為M＝nmU＝2.83×1027×390×10－27kg≈1104kg針對(duì)訓(xùn)練21964年10月16日，我國在新疆羅布泊沙漠成功地進(jìn)行了第一顆原子彈試驗(yàn)，結(jié)束了中國無核時(shí)代．(1)原子彈爆炸實(shí)際上是利用鈾核裂變時(shí)釋放出很大能量，由于裂變物質(zhì)的體積超過臨界體積而爆炸．①完成核裂變反應(yīng)方程式：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→()Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n＋200MeV②鈾原子核裂變自動(dòng)持續(xù)下去的反應(yīng)過程叫什么？產(chǎn)生這種反應(yīng)的條件必須是什么？(2)為了防止鈾核裂變產(chǎn)物放出的各種射線危害人體和污染環(huán)境，需采用哪些措施？(舉兩種)答案(1)①eq\o\al(140,54)②鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中子再生率大于1(2)核反應(yīng)堆外面需要修建很厚的水泥防護(hù)層，用來屏蔽射線；放射性核廢料要裝入特制的容器，埋入地層深處進(jìn)行處理．三、對(duì)粒子的認(rèn)識(shí)【例3】正電子、負(fù)質(zhì)子等都屬于反粒子，它們跟普通電子、質(zhì)子的質(zhì)量、電量均相等，而電性相反．科學(xué)家設(shè)想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)——反物質(zhì).1997年初和年底，歐洲和美國的科研機(jī)構(gòu)先后宣布：他們分別制造出9個(gè)和7個(gè)反氫原子，這是人類探索反物質(zhì)的一大進(jìn)步，你推測反氫原子的結(jié)構(gòu)是()A．由一個(gè)帶正電荷的質(zhì)子與一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成B．由一個(gè)帶負(fù)電荷的質(zhì)子與一個(gè)帶正電荷的電子構(gòu)成C．由一個(gè)不帶電荷的中子與一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成D．由一個(gè)帶負(fù)電荷的質(zhì)子與一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成答案B解析反氫原子的結(jié)構(gòu)是由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)，正電子、負(fù)質(zhì)子等都屬于反粒子核反應(yīng)堆1．原子反應(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．它主要有哪四部分組成()A．原子燃料、減速劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)B．原子燃料、減速劑、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)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)D．原子燃料、減速劑、原子能聚存系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)答案A解析目前核反應(yīng)組成有：原子燃料、減速劑、控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)、與冷卻系統(tǒng)．2．關(guān)于原子核反應(yīng)堆，下列說法不正確的是()A．鈾棒是核燃料，裂變時(shí)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C解析鈾棒是核燃料，裂變時(shí)可放出能量，A對(duì)；鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)，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，B對(duì)；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(jìn)行減速，石墨的作用是使中子減速，C錯(cuò)；水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)、外循環(huán)流動(dòng)，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，控制溫度，D對(duì)．核電站3．秦山核電站第三期工程的兩個(gè)6×105kW發(fā)電機(jī)組已實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電.發(fā)電站的核能來源于U的裂變，下列說法正確的是()A．反應(yīng)堆中核反應(yīng)速度通常是采用調(diào)節(jié)U的體積來控制的B.U的一種可能的裂變是C.U是天然放射性元素，升高溫度后它的半衰期會(huì)縮短D．雖然核電站能提供很大的能量，但它對(duì)環(huán)境的污染比火電站嚴(yán)重答案B解析反應(yīng)堆中核反應(yīng)速度由控制棒(鎘棒)吸收中子的多少來控制，A錯(cuò)；U裂變有多種可能性，是其中常見的一種，B對(duì)；放射性元素的半衰期由原子核本身決定，與溫度、壓強(qiáng)等外界條件無關(guān)，C錯(cuò)；核電站的核能是清潔能源，污染少，D錯(cuò)．(時(shí)間：60分鐘)題組一核反應(yīng)堆1．利用重核裂變釋放核能時(shí)選用鈾235核，主要原因是()A．它裂變放出核能比其他重核裂變多B．它可能分裂成三部分或四部分C．它能自動(dòng)裂變，與體積無關(guān)D．它比較容易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)答案D解析鈾235俘獲任何能量的中子都會(huì)發(fā)生裂變反應(yīng)，故D正確．2．關(guān)于核反應(yīng)堆中用鎘棒控制反應(yīng)速度的原理，下列說法正確的是()A．鎘棒能釋放中子，依靠釋放的多少控制反應(yīng)速度B．用鎘棒插入的多少控制快中子變?yōu)槁凶拥臄?shù)量C．利用鎘棒對(duì)中子吸收能力強(qiáng)的特點(diǎn)，依靠插入的多少控制中子數(shù)量D．鎘棒對(duì)鈾核裂變有一種阻礙作用，利用其與鈾的接觸面積的大小控制反應(yīng)速度答案C解析鎘棒并不能釋放中子，也不能使中子減速，對(duì)鈾核裂變也沒有阻礙作用，而是利用對(duì)中子吸收能力強(qiáng)的特點(diǎn)，控制中子數(shù)量的多少而控制核反應(yīng)速度，故C正確．3．鎘棒在核反應(yīng)中的作用是()A．使快中子變成慢中子B．使慢中子變成快中子C．使反應(yīng)速度加快D．控制反應(yīng)速度，調(diào)節(jié)反應(yīng)速度的快慢答案D解析在核反應(yīng)堆中石墨起變快中子為慢中子的作用，鎘棒起吸收中子，控制反應(yīng)速度，調(diào)節(jié)反應(yīng)速度的快慢．4．為使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)平穩(wěn)進(jìn)行，可采用下列的辦法()A．鈾塊可制成任何的體積B．鈾核裂變釋放的中子可直接去轟擊另外的鈾核C．通過慢化劑將產(chǎn)生的中子減速D．用鎘棒可作為慢化劑使中子減速答案C解析由于使鈾塊發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的體積應(yīng)大于臨界體積，故A錯(cuò)誤；鈾核裂變釋放出的為快中子，不能直接再去轟擊鈾核，必須用慢化劑減速，而鎘棒是用于控制中子數(shù)量的，故C正確，B、D錯(cuò)誤．題組二核電站5．(多選)山東榮成石島灣核電站總裝機(jī)規(guī)模400萬千瓦．核電站與火電站相比較，其優(yōu)勢在于()A．核燃料釋放出的能量遠(yuǎn)大于相等質(zhì)量的煤放出的能量B．就可采儲(chǔ)量來說，地球上核燃料資源遠(yuǎn)多于煤炭C．核電站造成的污染大于相等發(fā)電能力的火電站D．核電站比火電站更容易建造答案AB解析核電站與火電站相比，相等質(zhì)量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多．地球上可開采核礦石儲(chǔ)量所能提供的能量約為煤、石油的15倍．只要措施得當(dāng)，核電站造成的污染很小，核能屬于清潔能源，A、B均正確，C錯(cuò)誤；核電站的建造難度較大，D錯(cuò)誤．6．(多選)為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高清潔能源的比重，我國制定了優(yōu)先選擇核能，其次加快發(fā)展風(fēng)電和再生能源的政策，在《核電中長期發(fā)展規(guī)劃》中要求2020年核電運(yùn)行裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到4000萬千瓦的水平，請(qǐng)根據(jù)所學(xué)物理知識(shí)，判斷下列說法中正確的是()A．核能發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染比火力發(fā)電要小B．核能發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染比火力發(fā)電要大C．目前所有核電站都只利用重核裂變釋放大量的原子能D．目前既有重核裂變，又有輕核聚變釋放大量的原子能答案AC解析目前核電站都用核裂變，其原料是鈾，且核裂變?cè)诤朔磻?yīng)堆中應(yīng)用的是比較清潔的能源，故A、C正確，B、D錯(cuò)．7．我國秦山核電站第三期工程中有兩個(gè)60萬千瓦的發(fā)電機(jī)組，發(fā)電站的核能來源于U的裂變，現(xiàn)有四種說法：①U原子核中有92個(gè)質(zhì)子，143個(gè)中子；②U的一種可能裂變是變成兩個(gè)中等質(zhì)量的原子核，核反應(yīng)方程為③23592U是天然放射性元素，常溫下它的半衰期約為45億年，升高溫度半衰期縮短；④一個(gè)U裂變能放出200MeV的能量，合3.2×10－11J.以上說法中完全正確的是()A．①②③ B．②③④C．①③④ D．①②④答案D解析由U的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)關(guān)系知①正確；由核反應(yīng)方程中電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒知②正確；半衰期不受外界因素干擾，故③錯(cuò)誤；通過計(jì)算知④正確，故答案為D.題組三對(duì)粒子的認(rèn)識(shí)8．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(duì)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(hào)相反．據(jù)此，若有反α粒子，它的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別為()A．－4，－2 B．4，－2C．－4,2 D．4,2答案B解析因“反粒子”與其對(duì)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(hào)相反．所以，反α粒子質(zhì)量數(shù)為4，電荷數(shù)為－2.9．K－介子衰變的方程為K－→π－＋π0.其中K－介子和π－介子是帶負(fù)電的基元電荷，π0介子不帶電．如圖1所示的1個(gè)K－介子沿垂直于磁場的方向射入勻強(qiáng)磁場中，其軌跡為圓弧AP，衰變后產(chǎn)生的π－介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點(diǎn)相切，它們的半徑RK－與Rπ－之比為2∶1.π0介子的軌跡未畫出．由此可知π－的動(dòng)量大小與π0的動(dòng)量的大小之比為()圖1A．1∶1 B．1∶2C．1∶3 D．1∶6答案C解析帶電粒子K－與π－在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力Bqv＝eq\f(mv2,R)得R＝eq\f(mv,Bq)＝eq\f(p,Bq)，K－介子與π－介子帶電量相同，故運(yùn)動(dòng)的半徑之比等于動(dòng)量之比pK－∶pπ－＝RK－∶Rπ－＝2∶1，在衰變后π－介子與π0介子動(dòng)量方向相反，設(shè)K－介子的動(dòng)量為正，則π－介子動(dòng)量為負(fù)值，由動(dòng)量守恒pK－＝－pπ－＋pπ0，則pπ－∶pπ0＝1∶3故A、B、D錯(cuò)，C對(duì)．題組四綜合應(yīng)用10．如下一系列核反應(yīng)是在恒星內(nèi)部發(fā)生的：其中p為質(zhì)子，α為α粒子，e＋為正電子，μ為一種中微子．已知質(zhì)子的質(zhì)量mp＝1.672648×10－27kg，α粒子的質(zhì)量mα＝6.644929×10－27kg，正電子的質(zhì)量me＝9.11×10－31kg，中微子的質(zhì)量可忽略不計(jì)．真空中的光速c＝3.0答案3.95×10－12J解析為求出系列反應(yīng)后釋放的能量，將題中所給的各核反應(yīng)方程左、右兩