高中创新设计物理粤教版选修3-5课件：4-6,4-7 核能利用 小粒子与大宇宙
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21
针对训练 2 1964 年 10 月 16 日，我国在新疆罗布泊沙漠成功地进 行了第一颗原子弹试验，结束了中国无核时代． (1)原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量，由于 裂变物质的体积超过临界体积而爆炸． ①完成核裂变反应方程式： 29352U＋10n→( )Xe＋9348Sr＋210n＋200 MeV ②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么？产生这种反 应的条件必须是什么？ (2)为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染环 境，需采用哪些措施？(举两种)
19
答案 (1)10n 3 (mU－mBa－mKr－2mn)c2 (2)1 104 kg 解析 (1)由反应方程可知：X 为10n，a 为 3， 释放的能量为 ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.
20
(2)因核电站发电效率为 40 %， 故核电站消耗29325U 的功率为 P′＝40P%＝1.0400×%106 kW＝2.5×106 kW. 核电站每年消耗29325U 的能量为 W＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J 产生这些能量消耗的铀核的数目： n＝ΔWE＝72..87785××1100－1116 JJ≈2.83×1027(个) 每年消耗29352U 的质量为 M＝nmU＝2.83×1027×390×10－27 kg≈1 104 kg.
约从
到
•
，共跨越了约42个数量级． 6
• 2．从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度
• (1)宇宙的年龄的数量1级018：s
.
• (2)微观粒子的最短寿10命－2：5 s
.
• (3) 物 质 世 界 的 时 间10－尺25 s 度 ：1018约s 从
到
4，3 跨越了将近
个数量级．
7
• 预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下 面的表格中
问题1 问题2 问题3
8
• 一、核反应堆
• 裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工 控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释 放出来，裂变反应堆的结构和工作原理如下表：
组成部分
材料
裂变材料 浓缩铀( 和普通水
作用 提供核燃料 使裂变产生的快中子减速
9
控制棒
18
• (2)有一座发电能力为P＝1.00×106 kW的核 电站，核能转化为电能的效率η＝40 %.假 定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中 的核反应，已知每次核反应过程中放出的 核能ΔE＝2.78×10－11 J，铀核的质量mU＝ 390×10－27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s) 消耗的U的质量．
12
• 借题发挥 (1)中子与靶核碰撞过程中满足 动量守恒、能量守恒．
• (2)因为靶核的质量大于中子的质量，故靶 核的质量比中子的质量大得越少，减速效 果越好，如质量相等时可以使中子的速度 减为零．
13
• 针对训练1 在核反应中，控制铀235核裂变反 应速度的方法是
•( ) • A．使用浓缩铀 • B．改变铀块的临界体积 • C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深
()
• A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷 的电子构成
•答案 BB．由一个带负电荷的质子与一个带正电24 荷
• 解析 反氢原子的结构是由反粒子构成的 物质，正电子、负质子等都属于反粒子
25
度，以改变中子数
• D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速 度
• 答案 C • 解析 控制核反应的速度是靠调节中子14 数
• 二、核电站的工作原理
• 核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这 是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式 反应．
• 铀235裂变需要一定的条件：(1)要有足够浓 度的铀235；(2)要有足够数量的慢中子；(3)铀 块的体积要大于临界体积．当中子进入铀235 后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由 于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状， 核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得 核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这 样就分裂成几块，同时放出2～3个中子，这些 中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不15
17
【例 2】 在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优
势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应 堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量 核能． (1)核反应方程式29352U＋10n―→15461Ba＋9326Kr＋aX 是反应堆中发生 的许多核反应中的一种，10n 为中子，X 为待求粒子，a 为 X 的 个数，则 X 为________，a＝__________.以 mU、mBa、mKr 分别 表示29325U、15461Ba、9326Kr 的质量，mn、mp 分别表示中子、质子的 质量，c 为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出 的核能 ΔE＝________.
(3)原子核物理实验制造各种放
射性同位素．
5
• 三、小粒子与大宇宙
• 1．从小粒子到大宇宙——空间跨度
• (1)大爆炸宇宙模型：大约150亿年大前爆炸突然
发生一次
，其后逐渐诞生出恒星、星
团、脉冲星、超新星、黑洞以及被称作类星
体的遥远发光体等，经历150亿年演化成今
天的宇宙世界．
10－15 m
• 1027(m2)人类所能研究的物质世界的空间尺度：
• 4．核污染的处理：修建很厚的 放射性 ，用
来屏蔽裂变反应埋放入深出地的层来各处种理射线，核废料
具有很强的
，需要装入特制的容
器，
．
4
• 二、核电站、核能利用
• 1．核电站
•
利用反应堆工作时释放的热能
使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是
核电站．
• 2．核核能力利发用电
•
核动力 (1)
；
•
(2)
；
•
第六节 核能利用 第七节 小粒子与大宇宙
1
• [目标定位] 1.了解裂变反应堆的工作原 理.2.了解核电站和核能利用的优缺点.3.了 解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时间跨 度．
2
• 一、反应堆
• 1．核反应堆是人工控制链式反应的装置．它主 要由以下几部分组成：
• (1)燃料铀棒：
；
• (2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生石反墨应，
镉
吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层
石墨
阻止中子逃逸
热交换器
水
产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电
金属套和
防护层
防止射线对人体及其他生物体的侵害
钢筋混凝土
10
【例 1】 在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、重水和石 墨等常用作减速剂．中子在重水中可与21H 核碰撞减速，在石墨 中与162C 核碰撞减速．上述碰撞可简化为弹性碰撞模型．某反应 堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从 一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？ 答案 见解析
采重用水
、
•
作减速剂；
• (3)控制棒：为了控制能量释放的速吸度收中，子就强要
想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入
镉棒的方法，利用镉
的特性，就可 3
• 2．工作原理：核燃裂料变 使反应区温度升高．
释放的能量，
• 3．能量输出：利用水或液态的金属钠等流
体在反循环应流堆动内、外
，把反应堆
内的热量传输出去，用于水发泥层电．
• 原子弹中裂变一旦开始，裂变放出的快中 子，又引起其他铀核裂变的速度很快，在 极短的时间内释放大量的能量，因此杀伤 力强大．
• 在核电站中，核反应堆是热源，如图1为简 化的核反应堆的示意图：
图1
16
• 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(或重水)为减速 剂，使反应生成的快中子变为慢中子，利 于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒 周围．镉棒的作用是吸收中子，控制反应 速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深些， 吸收中子多，反应速度变慢，插浅一些， 吸收中子少，反应速度加快．采用电子仪 器自动地调节控制棒的升降，就能使反应 堆安全正常地工作．
11
解析 设中子质量为 mn，靶核质量为 m，由动量守恒定律得：mnv0 ＝mnv1＋mv2 由能量守恒得：12mnv02＝12mnv12＋12mv22 解得 v1＝mmnn－ ＋mmv0， 在重水中靶核质量 mH＝2mn v1H＝mmnn－ ＋mmHHv0＝－13v0， 在石墨中靶核质量 mC＝12mn， v1C＝mmnn－＋mmCCv0＝－1113v0 与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好．
22
答案 (1)①15440 ②链式反应 中子再生率大于 1 (2)核反应堆外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线；放射 性核废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理．
23
• 三、对粒子的认识
• 【例3】 正电子、负质子等都属于反粒子， 它们跟普通电子、质子的质量、电量均相等， 而电性相反．科学家设想在宇宙的某些部分可 能 存 在 完 全 由 反 粒 子 构 成 的 物 质 —— 反 物 质.1997年初和年底，欧洲和美国的科研机构先 后宣布：他们分别制造出9个和7个反氢原子， 这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢 原子的结构是
针对训练 2 1964 年 10 月 16 日，我国在新疆罗布泊沙漠成功地进 行了第一颗原子弹试验，结束了中国无核时代． (1)原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量，由于 裂变物质的体积超过临界体积而爆炸． ①完成核裂变反应方程式： 29352U＋10n→( )Xe＋9348Sr＋210n＋200 MeV ②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么？产生这种反 应的条件必须是什么？ (2)为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染环 境，需采用哪些措施？(举两种)
19
答案 (1)10n 3 (mU－mBa－mKr－2mn)c2 (2)1 104 kg 解析 (1)由反应方程可知：X 为10n，a 为 3， 释放的能量为 ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.
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(2)因核电站发电效率为 40 %， 故核电站消耗29325U 的功率为 P′＝40P%＝1.0400×%106 kW＝2.5×106 kW. 核电站每年消耗29325U 的能量为 W＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J 产生这些能量消耗的铀核的数目： n＝ΔWE＝72..87785××1100－1116 JJ≈2.83×1027(个) 每年消耗29352U 的质量为 M＝nmU＝2.83×1027×390×10－27 kg≈1 104 kg.
约从
到
•
，共跨越了约42个数量级． 6
• 2．从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度
• (1)宇宙的年龄的数量1级018：s
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• (2)微观粒子的最短寿10命－2：5 s
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• (3) 物 质 世 界 的 时 间10－尺25 s 度 ：1018约s 从
到
4，3 跨越了将近
个数量级．
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• 预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下 面的表格中
问题1 问题2 问题3
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• 一、核反应堆
• 裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工 控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释 放出来，裂变反应堆的结构和工作原理如下表：
组成部分
材料
裂变材料 浓缩铀( 和普通水
作用 提供核燃料 使裂变产生的快中子减速
9
控制棒
18
• (2)有一座发电能力为P＝1.00×106 kW的核 电站，核能转化为电能的效率η＝40 %.假 定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中 的核反应，已知每次核反应过程中放出的 核能ΔE＝2.78×10－11 J，铀核的质量mU＝ 390×10－27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s) 消耗的U的质量．
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• 借题发挥 (1)中子与靶核碰撞过程中满足 动量守恒、能量守恒．
• (2)因为靶核的质量大于中子的质量，故靶 核的质量比中子的质量大得越少，减速效 果越好，如质量相等时可以使中子的速度 减为零．
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• 针对训练1 在核反应中，控制铀235核裂变反 应速度的方法是
•( ) • A．使用浓缩铀 • B．改变铀块的临界体积 • C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深
()
• A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷 的电子构成
•答案 BB．由一个带负电荷的质子与一个带正电24 荷
• 解析 反氢原子的结构是由反粒子构成的 物质，正电子、负质子等都属于反粒子
25
度，以改变中子数
• D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速 度
• 答案 C • 解析 控制核反应的速度是靠调节中子14 数
• 二、核电站的工作原理
• 核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这 是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式 反应．
• 铀235裂变需要一定的条件：(1)要有足够浓 度的铀235；(2)要有足够数量的慢中子；(3)铀 块的体积要大于临界体积．当中子进入铀235 后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由 于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状， 核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得 核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这 样就分裂成几块，同时放出2～3个中子，这些 中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不15
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【例 2】 在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优
势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应 堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量 核能． (1)核反应方程式29352U＋10n―→15461Ba＋9326Kr＋aX 是反应堆中发生 的许多核反应中的一种，10n 为中子，X 为待求粒子，a 为 X 的 个数，则 X 为________，a＝__________.以 mU、mBa、mKr 分别 表示29325U、15461Ba、9326Kr 的质量，mn、mp 分别表示中子、质子的 质量，c 为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出 的核能 ΔE＝________.
(3)原子核物理实验制造各种放
射性同位素．
5
• 三、小粒子与大宇宙
• 1．从小粒子到大宇宙——空间跨度
• (1)大爆炸宇宙模型：大约150亿年大前爆炸突然
发生一次
，其后逐渐诞生出恒星、星
团、脉冲星、超新星、黑洞以及被称作类星
体的遥远发光体等，经历150亿年演化成今
天的宇宙世界．
10－15 m
• 1027(m2)人类所能研究的物质世界的空间尺度：
• 4．核污染的处理：修建很厚的 放射性 ，用
来屏蔽裂变反应埋放入深出地的层来各处种理射线，核废料
具有很强的
，需要装入特制的容
器，
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• 二、核电站、核能利用
• 1．核电站
•
利用反应堆工作时释放的热能
使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是
核电站．
• 2．核核能力利发用电
•
核动力 (1)
；
•
(2)
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•
第六节 核能利用 第七节 小粒子与大宇宙
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• [目标定位] 1.了解裂变反应堆的工作原 理.2.了解核电站和核能利用的优缺点.3.了 解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时间跨 度．
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• 一、反应堆
• 1．核反应堆是人工控制链式反应的装置．它主 要由以下几部分组成：
• (1)燃料铀棒：
；
• (2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生石反墨应，
镉
吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层
石墨
阻止中子逃逸
热交换器
水
产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电
金属套和
防护层
防止射线对人体及其他生物体的侵害
钢筋混凝土
10
【例 1】 在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、重水和石 墨等常用作减速剂．中子在重水中可与21H 核碰撞减速，在石墨 中与162C 核碰撞减速．上述碰撞可简化为弹性碰撞模型．某反应 堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从 一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？ 答案 见解析
采重用水
、
•
作减速剂；
• (3)控制棒：为了控制能量释放的速吸度收中，子就强要
想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入
镉棒的方法，利用镉
的特性，就可 3
• 2．工作原理：核燃裂料变 使反应区温度升高．
释放的能量，
• 3．能量输出：利用水或液态的金属钠等流
体在反循环应流堆动内、外
，把反应堆
内的热量传输出去，用于水发泥层电．
• 原子弹中裂变一旦开始，裂变放出的快中 子，又引起其他铀核裂变的速度很快，在 极短的时间内释放大量的能量，因此杀伤 力强大．
• 在核电站中，核反应堆是热源，如图1为简 化的核反应堆的示意图：
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• 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(或重水)为减速 剂，使反应生成的快中子变为慢中子，利 于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒 周围．镉棒的作用是吸收中子，控制反应 速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深些， 吸收中子多，反应速度变慢，插浅一些， 吸收中子少，反应速度加快．采用电子仪 器自动地调节控制棒的升降，就能使反应 堆安全正常地工作．
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解析 设中子质量为 mn，靶核质量为 m，由动量守恒定律得：mnv0 ＝mnv1＋mv2 由能量守恒得：12mnv02＝12mnv12＋12mv22 解得 v1＝mmnn－ ＋mmv0， 在重水中靶核质量 mH＝2mn v1H＝mmnn－ ＋mmHHv0＝－13v0， 在石墨中靶核质量 mC＝12mn， v1C＝mmnn－＋mmCCv0＝－1113v0 与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好．
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答案 (1)①15440 ②链式反应 中子再生率大于 1 (2)核反应堆外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线；放射 性核废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理．
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• 三、对粒子的认识
• 【例3】 正电子、负质子等都属于反粒子， 它们跟普通电子、质子的质量、电量均相等， 而电性相反．科学家设想在宇宙的某些部分可 能 存 在 完 全 由 反 粒 子 构 成 的 物 质 —— 反 物 质.1997年初和年底，欧洲和美国的科研机构先 后宣布：他们分别制造出9个和7个反氢原子， 这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢 原子的结构是