高中物理 4.6-4.7 核能利用 小粒子与大宇宙课件 粤教版选修3-5
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高中物理·选修3-5·粤教版
第六节 核能利用 第七节 小粒子与大宇宙
[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．
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反应，采用石__墨___ 、重水_____作减速剂； (3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少 中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收 _中__子_ 强______的特性，就可以容易地控制链式反应的速度 ．
【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―→15416Ba＋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29352U、15416Ba、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＝________．
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．核能利用：
(1)核__力__发__电__； (2) 核__动__力___； (3)原子核物理实验制造各种放射性同位素．
三、小粒子与大宇宙 1．空间跨度
(1)大爆炸宇宙模型：大约150亿年前突然发生一次大__爆__炸__ ，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． (2)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从1_0_－_1_5__m_到 __1_0_27__m_，共跨越了约42个数量级．
2．工作原理：核燃料_裂__变_释放的能量，使反应区温度升高． 3．能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内、外
_循__环__流__动_，把反应堆内的热量传输出去，用于发电． 4．核污染的处理：为防止_射__线_对人体的伤害和_放__射__性__物__质_对
水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外 面需要修建很厚的_水__泥__层_，用来屏蔽裂变反应放出的各种 射线，核废料具有很强的_放__射__性_，需要装入特制的容器， _深__埋__地__下_．
【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？
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4－6、7－1为简化的 核反应堆的示意图：
图4－6、7－1
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，便于铀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．
构和工作原理如下表：
组成部分
材料
作用
裂变材料(核燃料) 浓缩铀(U)
提供核燃料
慢化剂(减速剂) 控制棒
石墨、重水和普 使裂变产生的快中
通水
子减速
镉
吸收wenku.baidu.com速后的中 子，控制反应速度
反射层 热交换器
石墨 水
阻止中子逃逸
产生高温蒸汽，推动汽轮 发电机发电
防护层
金属套和钢筋 防止射线对人体及其他生
混凝土
物体的侵害
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数目来实现，即用
镉棒吸收中子改变中子数目．
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， 裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能，这就 叫链式反应．
2．时间跨度 (1)宇宙的年龄的数量级：_1_0_18__s_． (2)微观粒子的最短寿命：1_0_－_2_5 _s_ ． (3)物质世界的时间尺度：约从10－25 s到1018 s，跨越了 将近43___个数量级.
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
答案 见解析 解析 设中子质量为 mn，靶核质量为 m，由动量守恒定 律：mnv0＝mnv1＋mv2 由能量守恒：12mnv20＝12mnv21＋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． 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 中子的速度为零．
第六节 核能利用 第七节 小粒子与大宇宙
[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．
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反应，采用石__墨___ 、重水_____作减速剂； (3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少 中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收 _中__子_ 强______的特性，就可以容易地控制链式反应的速度 ．
【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―→15416Ba＋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29352U、15416Ba、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＝________．
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．核能利用：
(1)核__力__发__电__； (2) 核__动__力___； (3)原子核物理实验制造各种放射性同位素．
三、小粒子与大宇宙 1．空间跨度
(1)大爆炸宇宙模型：大约150亿年前突然发生一次大__爆__炸__ ，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． (2)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从1_0_－_1_5__m_到 __1_0_27__m_，共跨越了约42个数量级．
2．工作原理：核燃料_裂__变_释放的能量，使反应区温度升高． 3．能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内、外
_循__环__流__动_，把反应堆内的热量传输出去，用于发电． 4．核污染的处理：为防止_射__线_对人体的伤害和_放__射__性__物__质_对
水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外 面需要修建很厚的_水__泥__层_，用来屏蔽裂变反应放出的各种 射线，核废料具有很强的_放__射__性_，需要装入特制的容器， _深__埋__地__下_．
【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？
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4－6、7－1为简化的 核反应堆的示意图：
图4－6、7－1
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，便于铀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．
构和工作原理如下表：
组成部分
材料
作用
裂变材料(核燃料) 浓缩铀(U)
提供核燃料
慢化剂(减速剂) 控制棒
石墨、重水和普 使裂变产生的快中
通水
子减速
镉
吸收wenku.baidu.com速后的中 子，控制反应速度
反射层 热交换器
石墨 水
阻止中子逃逸
产生高温蒸汽，推动汽轮 发电机发电
防护层
金属套和钢筋 防止射线对人体及其他生
混凝土
物体的侵害
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数目来实现，即用
镉棒吸收中子改变中子数目．
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， 裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能，这就 叫链式反应．
2．时间跨度 (1)宇宙的年龄的数量级：_1_0_18__s_． (2)微观粒子的最短寿命：1_0_－_2_5 _s_ ． (3)物质世界的时间尺度：约从10－25 s到1018 s，跨越了 将近43___个数量级.
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
答案 见解析 解析 设中子质量为 mn，靶核质量为 m，由动量守恒定 律：mnv0＝mnv1＋mv2 由能量守恒：12mnv20＝12mnv21＋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． 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 中子的速度为零．