2019_2020学年高中物理第4章第6节核能利用第7节小粒子与大宇宙课件粤教版

二、小粒子与大宇宙
4．从宇宙大爆炸到现在，以秒为单位，宇宙年龄的数量级约为 1018 s.
5．目前所知的微观粒子中，寿命最短的只有10－25s. 6．物质世界的时间尺度：约从10－25s 到 1018 s，也跨越了将近 43 个数量级．
1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的． ( √ )
(1)中微子与水中的11H 发生核反应，产生中子(10n)和正电子(＋01e)， 即中微子＋11H―→10n＋＋01e.
可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是______．(填写选项
前的字母)
A．0 和 0
B．0 和 1
C．1 和 0
D．1 和 1
(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几 乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即＋01e＋－01e―→2γ.已知正 电子和电子的质量都为 9.1×10－31 kg，反应中产生的每个光子的能量 约为________J．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因 是________．
4．两点提醒 (1)质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子，τ 子的质量 比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子． (2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相 遇时会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子．
【例 2】 在 β 衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中 微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953 年，莱尼斯和柯 文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水 中11H 的核反应，间接地证实了中微子的存在．
(3)物质波的波长为 λ＝hp，要比较波长需要将中子和电子的动量 用动能表示出来即 p＝ 2mEk，因为 mn>me，所以 pn>pe，故 λn<λe.
[答案] 见解析
2．关于粒子，下列说法正确的是( ) A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子 B．强子中没有带电的粒子 C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论 D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
知识脉络
当堂达标 固双基
1．恒星的颜色取决于恒星的( ) A．体积 B．温度 C．质量 D．体积和温度以及它与地球的距离
B [恒星的表面颜色取决于它的表面温度，温度越低，颜色越 偏红，温度越高，颜色越偏蓝．恒星表面颜色主要有四种，分别是 红、黄、白、蓝．太阳的表面颜色是黄色，属于温度中等偏低的恒 星．以下是四种颜色对应的温度．红色：3 000 摄氏度；黄色：6 000 摄氏度；白色：10 000 摄氏度；蓝色：20 000 摄氏度．因此恒星的 颜色取决于恒星的温度，B 正确，A、C、D 错误．]
[答案] 0.527 kg
1．核电站释放的核能是 n 个核反应释放核能积累的结果 E＝ n·ΔE，ΔE＝Δmc2，n＝Mmmol·NA.
2．发电站用于发电的能量只占所释放核能的一部分，则 E 电＝ηE.
1．(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是( ) A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能 B．镉棒的作用是控制反应堆的功率 C．铀棒的作用是控制反应堆的功率 D．石墨的作用是吸收中子
核能的利用
1.核电站的主要组成
核电站的核心设施是核反应堆 ，反应堆用的核燃料是铀 235，
它的主要部件列表如下：
部件名 称
减速剂
控制棒 热循环介质 保护层
采用的 石墨、重水或普
很厚的水泥外
镉 水或液态钠
材料 通水(也叫轻水)
壳
作用
吸收中
降低中子速度，便
把反应堆内的 屏蔽射线，防
子，控制
于铀 235 吸收
参与强相互作 质子、中子、介子、 由“夸克”构成；
强子
用
超子
强子又可分为介
子和重子
轻子
不参与强相互 作用
电子、电子中微子、 μ 子、μ 子中微子、τ 未发现内部结构 子、τ 子中微子
光子、中间玻色
传递各种相互 光子、中间玻色子、 子、胶子分别传递
媒介子
作用
胶子
电磁、弱、强相互
ຫໍສະໝຸດ Baidu作用
3.夸克的分类 夸克有 6 种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底 夸克、顶夸克，它们带的电荷是电子或质子所带电荷的23或31.每种夸 克都有对应的反夸克．
反应堆示意图
(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫 控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅 一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒 插入深度，就能控制核反应的剧烈程度．
(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、 液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用 于推动蒸汽机，使发电机发电．
一、反应堆 核电站 2．核电站及核能利用 (1)核能发电的效益 一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗 30吨 左右的浓缩铀，而 同样功率的火电站，每年要消耗煤 250万吨．
一、反应堆 核电站 (2)核能的利用 ①核能发电 ②把反应堆 小型 化，可以使核能作为动力，制造核动力 潜艇 、 核动力破冰船和核动力 航空母舰 ，在某些动力装置上也有利用的可 能． ③用来进行各种 原子核 物理实验，制造各种放射性同位素．
一、反应堆 核电站 (3)核污染的处理 为了防止铀核裂变物放出的 各种射线 对人体的危害，在反应堆 的外面需要修建很厚的 水泥 防护层，用来屏蔽 射线 ，不让它们透 射出来，对放射性的废料，也要装入特制的容器，埋入 深地层来处 理．
二、小粒子与大宇宙 1．人类目前能够观测到的最大距离约为 140亿 光年之远． 2．对宇宙的时空结构、运动形态和物质演化的理论描述，称为 宇宙模型，目前普遍被大家接受的模型是大爆炸 宇宙模型． 3．人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从 10－15 m 到 1027 m，共跨越了约 42 个数量级．
(2)核裂变释放的大量核能是通过在反应堆外循环流动的液体传
输出去的．
(√ )
(3)核电废料难以处理，对环境的污染比火电大．
(×)
(4)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子．
(×)
(5)强子是参与强相互作用的粒子．
(√ )
2．如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正 确的是( )
A．铀 235 容易吸收快中子后发生裂变反应 B．快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子， 慢中子容易被铀 235 俘获而引起裂变反应 C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些， 让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些 D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量 快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
一、反应堆 核电站
(3)控制棒
为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的 能力很强，反应过于激烈时，可将其插入 深 一些，多吸收一些 中子 ，链 式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作 控制棒．
(4)能量输出
核燃料 裂变 释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流 体在反应堆外 循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．
第四章 原子核 第六节 核能利用 第七节 小粒子与大宇宙
[学习目标] 1.知道什么是核反应堆．(重点)2.知道核电站的工作 模式，了解核能的利用．(重点)3.了解宇宙及恒星的演化．
自主预习 探新知
一、反应堆 核电站 1．核反应堆 (1)核反应堆是人工控制 链式反应 的装置． (2)减速剂 反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“减 速剂”，常用的减速剂有 石墨 、 重水 和普通水．
3．已知 π＋介子、π－介子都是由一个夸克(夸克 u 或夸克 d)和一
个反夸克(反夸克 u 或反夸克 d )组成的，它们所带电荷量如下表所示，
表中 e 为基元电荷．下列说法正确的是( )
π＋
π－
u
d
u
d
电荷量
＋e
－e
＋23e
－13e
－23e
＋13e
A.π＋由 u 和 d 组成 B．π＋由 u 和 d 组成 C．π－由 u 和 d 组成 D．π－由 u 和 d 组成
发现时间 1932 年
1937 年
新粒子 反粒子
μ子
1947 年
20 世纪 60 年代后
K 介子与 π 介 子
超子
质量与相对
基本特点
应的粒子相 同而电荷及 其他一些物
比质子的质 量小
理性质相反
质量介于电 子与核子之 间
其质量比质 子大
2.粒子的分类
分类
参与的相互作 用
发现的粒子
备注
强子有内部结构，
发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水 泥防护层可以防止射线辐射到外面．
3．核电站发电的优点 (1)消耗的核燃料少． (2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大． (3)对环境的污染要比火力发电小．
【例 1】 23952U 受中子轰击时会发生裂变，产生14546Ba 和8396Kr， 同时放出 200 兆电子伏特的能量．现要建设发电能力是 50 万千瓦的 核电站，用铀 235 作为原子锅炉的燃料．假设核裂变释放的能量全 部被用来发电，那么一天需要纯铀 235 的质量为多少？(阿伏加德罗 常数取 6.02×1023 mol－1)
(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长 的大小．
[解析] (1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据 此可知中微子的质量数和电荷数都是 0，A 正确．
(2)产生的能量是由于质量亏损．两个电子转变为两个光子之后， 质量变为零，则 E＝Δmc2，故一个光子的能量为E2，代入数据得E2＝ 8.2×10－14 J．正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整 体，故系统总动量为零，故如果只产生一个光子是不可能的，因为 此过程遵循动量守恒定律．
热量传输出去 止放射性污染
反应速度
2.反应堆工作原理 (1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图所示为简化的核 反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀 235 的含量占 2%～4%)制成，石墨(重水)为减速剂，使反应生成的快中子变为慢 中子，便于铀 235 的吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围．
[解析] AB [铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故 A 正确； 镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度， 即控制反应堆功率，故 B 正确 C 错误；慢中子最容易引发铀核裂变， 所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速， 故 D 错误．]
粒子
1.新粒子的发现及特点
B [在核反应堆中，慢中子容易被铀 235 俘获发生裂变反应，A 选项错误；快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后能量减少，变成慢中 子，慢中子容易被铀 235 俘获而引起裂变反应，B 选项正确；在核电 站中，通过控制棒(一般用石墨棒或镉棒)吸收中子多少来控制反应速 度，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中 子，链式反应的速度就会慢一些，C 选项错误；要使裂变反应更激烈 一些，应使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的 速度就会快一些，D 选项错误．]
[解析] 核电站一天的发电量为： E＝Pt＝50×104×103×24×3 600 J＝4.32×1013 J. 据题意知，核电站一天的发电量就等于发电站在一天内铀 235 裂变所释 放的总能量，故核电站每天所消耗的铀 235 核的个数为： n＝200×106×E1.6×10－19＝43..322××1100－1113 ＝1.35×1024(个)． 故发电站一天需要的纯铀 235 的质量为： m＝NnA·M＝16..3052× ×11002243×235×10－3 kg＝0.527 kg.
D [由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的 粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故 A、 B 错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别 为＋32e 和－3e，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C 错误，D 正 确．]
课堂小结
1.核反应堆是人工控制链式反应的装置，其中镉棒为控制棒. 2.宇宙起源于大约 150 亿年前的一次大爆炸，其后逐渐演化成现在的 宇宙世界. 3.粒子可分为三大类，有媒介子、轻子、强子，美国物理学家盖尔曼 提出，强子是由夸克构成.
AD [根据电荷量的关系可知，由于 π＋介子带有＋e 的电荷量， 又由于 π＋介子是由夸克和反夸克组成，根据题意可知 π＋介子(＋e) 应由一个夸克 u＋23e和反夸克 d ＋13e合成，同理 π－介子由夸克 d 和反夸克 u 构成，故 A、D 正确．]
合作探究 攻重难