高中物理第十九章原子核第6节第8节粒子和宇宙核裂变核聚变535物理
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[解析] 根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知， 裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式 能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量．链 式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积．如果 体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会 发生．在裂变反应中核子数是不会减少的，如23952U 裂变为9308Sr 和13564Xe 的核反应，其核反应方程为23952U＋10n―→9308Sr＋13564Xe＋ 1010n，其中各粒子质量分别为
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3．链式反应：当一个__中_子__(z_h引ōngz起ǐ) 一个重核_裂__变__(li_è后biàn，) 裂变释放 的_中__子__(z_hō再ngzǐ引) 起其他重核_裂__变___，且能不断继续下去，这种反 应叫核裂变的链式反应． 4．链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于_临__界__体__积___或裂 变物质的质量大于_临__界__质__量___．
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判一判 (1)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停 地进行下去．( √ ) (2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．( × ) (3)核聚变时吸收能量．( × ) (4)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核 子放出的能量大．( √ ) (5)夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单元．( √ ) (6)恒星在辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡阶 段停留时间最长．( √ )
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(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是_氢__弹__(q_īn，gdàn) 需要用_原__子__弹___爆炸产生的高温高压引发热核爆炸． (5)太阳能：太阳的主要成分是_氢__，太阳中心温度可达 1.5×107K， 在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就 来自于太阳内部__聚_变__(_jù释biàn放) 的核能．
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2．受控热核反应 (1)聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高．第二：地球上聚 变燃料的储量丰富．第三：轻核聚变更为安全、清洁，控制温 度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理． (2)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温．
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(3)控制方法 ①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁 约束装置是_环__流__器___． ②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩 散就完成了核反应，在惯性约束下，用__激_光__(j_īg从uān各g) 个方向照射 反应物，使它们“挤”在一起发生反应．
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[解析] (1)锆的电荷数 Z＝92－60＋8＝40， 质量数 A＝236－146＝90；核反应方程中应用符号9400Zr 表示． (2)1 kg 铀 235 的铀核数为 n＝1203050×6.02×1023≈2.56×1024 个．不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应发生的质 量亏损为 Δm＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn＝0.212 u．因此 1 kg 铀 235 完全裂变产生的能量约为 E＝n·Δm×931.5 MeV＝ 2.56×1024×0.212×931.5 MeV≈5.06×1026 MeV. [答案] (1)40 90 (2)5.06×1026 MeV
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3．裂变反应的能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量 亏损，所以放出能量．一个铀 235 核裂变时释放的能量如果按 200 MeV 估算，1 kg 铀 235 全部裂变放出的能量相当于 2 800 t 标准煤完全燃烧释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温．
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二、核电站 1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是_反__应__堆___，它主要 由以下几部分组成： (1)燃料：__铀_棒___． (2)慢化剂：铀 235 容易捕获慢中子发生反应，采用_石__墨_(_sh_ím、ò) 重 水或普通水作慢化剂． (3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法调节中子的 数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉_吸__收_(_xī_sh_ōu_)中__子的 特性，就可以容易地控制链式反应的速度．
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mU＝235.043 9 u，mn＝1.008 67 u， mSr＝89.907 7 u，mXe＝135.907 2 u， 质量亏损为 Δm＝(mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn)＝0.150 97 u. 可见铀核裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数 是不会减少的，因此选项 A、B、C 均错． [答案] D
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4．宇宙的演化 宇宙大爆炸约―10―－4→4s后温度为___1_03_2_K_，产生了夸克、轻子、胶 子等粒子约―10―－→6s后温度下降到___10_1_3K__左右，强子时代→温度下 降到 1011K 时，轻子时代→温度下降到___1_09_K__时，核合成时代 一―万―年→后温度下降到__1_0_4_K_，混合电离态→温度下降到__3__0_00__K 时，中性的氢原子继―续―冷→却恒星和星系． 5．恒星的演化：宇宙尘埃→__星__云_(_xī_ng_yú→n)团恒星诞生→氢核聚合成 _氦__核___→氦核聚合成碳核→其他聚变过程→无聚变反应，形成 白矮星或_中__子__星___或黑洞．
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做一做 (多选)如图是慢中子反应堆的示意图，对于核反应 堆，下列说法中正确的是( )
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A．铀 235 容易吸收快中子发生裂变反应 B．快中子跟减速剂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，使控制棒插入深一些， 让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些 D．若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
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2．工作原理：核燃料_裂__变__(l_iè释biàn放) 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__(_xú_nh_u_án_)流，动用于发电． 4．核污染的处理：在反应堆的外面需要修建很厚的_水__泥__(s_hu_ǐn_í)，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．
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提示：选 BC．根据铀 235 的特点，它更容易吸收慢中子而发生 裂变，A 错误；在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量 从而更易让铀 235 吸收引起裂变反应，B 正确；链式反应的剧 烈程度取决于裂变释放出的中子总数，镉控制棒可以吸收中子， 因而可以控制核反应的快慢，即插入的深，吸收的多，反应将 变慢，反之将加快，C 正确，D 错误．
第十九章 原子核
第 6 节 核裂变 第 7 节 核聚变 第 8 节 粒子和宇宙
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第十九章 原子核
1.知道重核的裂变产物和链式反应发生的条件． 2.知道 核聚变，了解受控聚变反应． 3.会判断和书写核裂变、核聚变 方程，能计算核反应释放的能量． 4.知道粒子的分类及其应用， 了解夸克模型． 5.了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化．
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2．2011 年 3 月 11 日，日本发生了 9.0 级地震后爆发海啸，导 致福岛核电站核泄露，核安全问题引起世界关注．福岛核电站 属于轻水反应堆，即反应堆使用普通水作为减速剂，使快中子 减速变成慢中子，便于被29325U 俘获，发生可控制核裂变的链式 反应． (1)若铀核23952U 俘获一个慢中子，发生核裂变后产生了13594Xe 和 9348Sr，试写出核裂变方程； (2)若快中子的减速过程可视为快中子与普通水中的11H 核发生 对心正碰后减速，碰撞过程可简化为弹性碰撞．假定碰撞前11H 核静止，快中子速度为 v0＝3.2×107 m/s.求碰撞后中子的速 度．(已知中子质量 mn 为氢核质量 mH 的 1.16 倍)
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三、核聚变与受控热核反应 1．核聚变 (1)定义：两个轻核结合成_质__量__(zh_ìl_ià_ng_)较_的大核，并释放出_能__量__(n_én的gliàng) 反应． (2)举例：21H＋31H→_42_H_e___＋10n＋17.6 MeV (3)条件 ①轻核的距离要达到__1_0_－_1_5_m_以内． ②需要加热到很高的_温__度__(w_ēn，dù)因此又叫_热_核__反__应____．
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四、粒子和宇宙 1．“基本粒子”不基本 (1)直到 19 世纪末，人们都认为光子、电子、_质__子__(z_hì和zǐ) _中__子__(z_hōngzǐ 是基本粒子． (2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子并不是由以 上_基__本__粒__子__(jī_bě组nlìz成ǐ) 的，并发现_质__子___、_中__子___等本身也有复杂 结构．
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解析：选 C．要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大 于临界体积，但铀块的质量无论怎样，只要组成铀块的体积小 于临界体积，则不会发生链式反应，裂变反应中产生的中子为 快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变．如果铀块的质量 大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，由此知 A、 B、D 错误，C 正确．
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命题视角 2 裂变中核能的计算 现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是23952U＋10n→
14630Nd＋ZAZr＋310n＋8－01e＋ν. (1)核反应方程中的 ν 是中微子，它不带电，质量数为零，试确 定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数． (2)已知铀(U)核质量为 235.043 9 u，中子质量为 1.008 7 u，钕 (Nd)核质量为 142.909 8 u，锆核质量为 89.904 7 u；又知 1 u＝ 1.660 6×10－27 kg，试计算 1 kg 铀 235 大约能产生的能量是多 少？ [思路点拨] 关键是计算裂变前后的质量亏损．
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一、核裂变 1．核裂变：重核被_中__子__(z_hō轰ngzǐ击) 后分裂成两个质量差不多的新原 子核，并放出_核__能__(h_én的éng过) 程． 2．铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多 种多样的，其中一种典型的反应是 23952U＋10n→14546Ba＋8396Kr＋_3_10_n__．
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【通关练习】 1．铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正 确的是( ) A．铀块的质量是重要因素，与体积无关 B．为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生 的中子 C．若铀 235 的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够 发生 D．能否发生链式反应与铀块的质量无关
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2．发现新粒子 (1)新粒子：1932 年发现了_正__电__子___，1937 年发现了___μ_子____， 1947 年发现了 K 介子和 π 介子及以后的超子等． (2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分 为三大类：_强__子___、_轻__子_(_qī_nɡ和zǐ)__媒__介_(_m_éi_jiè．)子 3．夸克模型：1964 年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模 型，认为强子是由_夸__克__(k_uā构kè)成的，带电量为_＋__23__能的计算 1．常见的裂变方程 (1)23952U＋10n→15349Xe＋9358Sr＋210n (2)23952U＋10n→15464Ba＋8396Kr＋310n 2．链式反应发生的条件 (1)铀块的体积大于临界体积．体积超过临界体积时，保证中子 能够碰到铀核． (2)有足够浓度的铀 235. (3)有足够数量的慢中子．
命题视角 1 对重核裂变的理解 关于重核的裂变，以下说法正确的是( )
A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应 C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子 数要减少 D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量， 所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
[解析] 根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知， 裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式 能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量．链 式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积．如果 体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会 发生．在裂变反应中核子数是不会减少的，如23952U 裂变为9308Sr 和13564Xe 的核反应，其核反应方程为23952U＋10n―→9308Sr＋13564Xe＋ 1010n，其中各粒子质量分别为
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3．链式反应：当一个__中_子__(z_h引ōngz起ǐ) 一个重核_裂__变__(li_è后biàn，) 裂变释放 的_中__子__(z_hō再ngzǐ引) 起其他重核_裂__变___，且能不断继续下去，这种反 应叫核裂变的链式反应． 4．链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于_临__界__体__积___或裂 变物质的质量大于_临__界__质__量___．
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判一判 (1)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停 地进行下去．( √ ) (2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．( × ) (3)核聚变时吸收能量．( × ) (4)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核 子放出的能量大．( √ ) (5)夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单元．( √ ) (6)恒星在辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡阶 段停留时间最长．( √ )
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(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是_氢__弹__(q_īn，gdàn) 需要用_原__子__弹___爆炸产生的高温高压引发热核爆炸． (5)太阳能：太阳的主要成分是_氢__，太阳中心温度可达 1.5×107K， 在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就 来自于太阳内部__聚_变__(_jù释biàn放) 的核能．
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2．受控热核反应 (1)聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高．第二：地球上聚 变燃料的储量丰富．第三：轻核聚变更为安全、清洁，控制温 度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理． (2)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温．
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(3)控制方法 ①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁 约束装置是_环__流__器___． ②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩 散就完成了核反应，在惯性约束下，用__激_光__(j_īg从uān各g) 个方向照射 反应物，使它们“挤”在一起发生反应．
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[解析] (1)锆的电荷数 Z＝92－60＋8＝40， 质量数 A＝236－146＝90；核反应方程中应用符号9400Zr 表示． (2)1 kg 铀 235 的铀核数为 n＝1203050×6.02×1023≈2.56×1024 个．不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应发生的质 量亏损为 Δm＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn＝0.212 u．因此 1 kg 铀 235 完全裂变产生的能量约为 E＝n·Δm×931.5 MeV＝ 2.56×1024×0.212×931.5 MeV≈5.06×1026 MeV. [答案] (1)40 90 (2)5.06×1026 MeV
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3．裂变反应的能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量 亏损，所以放出能量．一个铀 235 核裂变时释放的能量如果按 200 MeV 估算，1 kg 铀 235 全部裂变放出的能量相当于 2 800 t 标准煤完全燃烧释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温．
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二、核电站 1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是_反__应__堆___，它主要 由以下几部分组成： (1)燃料：__铀_棒___． (2)慢化剂：铀 235 容易捕获慢中子发生反应，采用_石__墨_(_sh_ím、ò) 重 水或普通水作慢化剂． (3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法调节中子的 数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉_吸__收_(_xī_sh_ōu_)中__子的 特性，就可以容易地控制链式反应的速度．
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mU＝235.043 9 u，mn＝1.008 67 u， mSr＝89.907 7 u，mXe＝135.907 2 u， 质量亏损为 Δm＝(mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn)＝0.150 97 u. 可见铀核裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数 是不会减少的，因此选项 A、B、C 均错． [答案] D
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4．宇宙的演化 宇宙大爆炸约―10―－4→4s后温度为___1_03_2_K_，产生了夸克、轻子、胶 子等粒子约―10―－→6s后温度下降到___10_1_3K__左右，强子时代→温度下 降到 1011K 时，轻子时代→温度下降到___1_09_K__时，核合成时代 一―万―年→后温度下降到__1_0_4_K_，混合电离态→温度下降到__3__0_00__K 时，中性的氢原子继―续―冷→却恒星和星系． 5．恒星的演化：宇宙尘埃→__星__云_(_xī_ng_yú→n)团恒星诞生→氢核聚合成 _氦__核___→氦核聚合成碳核→其他聚变过程→无聚变反应，形成 白矮星或_中__子__星___或黑洞．
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做一做 (多选)如图是慢中子反应堆的示意图，对于核反应 堆，下列说法中正确的是( )
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A．铀 235 容易吸收快中子发生裂变反应 B．快中子跟减速剂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，使控制棒插入深一些， 让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些 D．若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
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2．工作原理：核燃料_裂__变__(l_iè释biàn放) 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__(_xú_nh_u_án_)流，动用于发电． 4．核污染的处理：在反应堆的外面需要修建很厚的_水__泥__(s_hu_ǐn_í)，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．
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提示：选 BC．根据铀 235 的特点，它更容易吸收慢中子而发生 裂变，A 错误；在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量 从而更易让铀 235 吸收引起裂变反应，B 正确；链式反应的剧 烈程度取决于裂变释放出的中子总数，镉控制棒可以吸收中子， 因而可以控制核反应的快慢，即插入的深，吸收的多，反应将 变慢，反之将加快，C 正确，D 错误．
第十九章 原子核
第 6 节 核裂变 第 7 节 核聚变 第 8 节 粒子和宇宙
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第十九章 原子核
1.知道重核的裂变产物和链式反应发生的条件． 2.知道 核聚变，了解受控聚变反应． 3.会判断和书写核裂变、核聚变 方程，能计算核反应释放的能量． 4.知道粒子的分类及其应用， 了解夸克模型． 5.了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化．
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2．2011 年 3 月 11 日，日本发生了 9.0 级地震后爆发海啸，导 致福岛核电站核泄露，核安全问题引起世界关注．福岛核电站 属于轻水反应堆，即反应堆使用普通水作为减速剂，使快中子 减速变成慢中子，便于被29325U 俘获，发生可控制核裂变的链式 反应． (1)若铀核23952U 俘获一个慢中子，发生核裂变后产生了13594Xe 和 9348Sr，试写出核裂变方程； (2)若快中子的减速过程可视为快中子与普通水中的11H 核发生 对心正碰后减速，碰撞过程可简化为弹性碰撞．假定碰撞前11H 核静止，快中子速度为 v0＝3.2×107 m/s.求碰撞后中子的速 度．(已知中子质量 mn 为氢核质量 mH 的 1.16 倍)
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三、核聚变与受控热核反应 1．核聚变 (1)定义：两个轻核结合成_质__量__(zh_ìl_ià_ng_)较_的大核，并释放出_能__量__(n_én的gliàng) 反应． (2)举例：21H＋31H→_42_H_e___＋10n＋17.6 MeV (3)条件 ①轻核的距离要达到__1_0_－_1_5_m_以内． ②需要加热到很高的_温__度__(w_ēn，dù)因此又叫_热_核__反__应____．
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四、粒子和宇宙 1．“基本粒子”不基本 (1)直到 19 世纪末，人们都认为光子、电子、_质__子__(z_hì和zǐ) _中__子__(z_hōngzǐ 是基本粒子． (2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子并不是由以 上_基__本__粒__子__(jī_bě组nlìz成ǐ) 的，并发现_质__子___、_中__子___等本身也有复杂 结构．
第二十五页，共四十八页。
解析：选 C．要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大 于临界体积，但铀块的质量无论怎样，只要组成铀块的体积小 于临界体积，则不会发生链式反应，裂变反应中产生的中子为 快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变．如果铀块的质量 大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，由此知 A、 B、D 错误，C 正确．
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命题视角 2 裂变中核能的计算 现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是23952U＋10n→
14630Nd＋ZAZr＋310n＋8－01e＋ν. (1)核反应方程中的 ν 是中微子，它不带电，质量数为零，试确 定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数． (2)已知铀(U)核质量为 235.043 9 u，中子质量为 1.008 7 u，钕 (Nd)核质量为 142.909 8 u，锆核质量为 89.904 7 u；又知 1 u＝ 1.660 6×10－27 kg，试计算 1 kg 铀 235 大约能产生的能量是多 少？ [思路点拨] 关键是计算裂变前后的质量亏损．
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一、核裂变 1．核裂变：重核被_中__子__(z_hō轰ngzǐ击) 后分裂成两个质量差不多的新原 子核，并放出_核__能__(h_én的éng过) 程． 2．铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多 种多样的，其中一种典型的反应是 23952U＋10n→14546Ba＋8396Kr＋_3_10_n__．
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【通关练习】 1．铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正 确的是( ) A．铀块的质量是重要因素，与体积无关 B．为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生 的中子 C．若铀 235 的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够 发生 D．能否发生链式反应与铀块的质量无关
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2．发现新粒子 (1)新粒子：1932 年发现了_正__电__子___，1937 年发现了___μ_子____， 1947 年发现了 K 介子和 π 介子及以后的超子等． (2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分 为三大类：_强__子___、_轻__子_(_qī_nɡ和zǐ)__媒__介_(_m_éi_jiè．)子 3．夸克模型：1964 年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模 型，认为强子是由_夸__克__(k_uā构kè)成的，带电量为_＋__23__能的计算 1．常见的裂变方程 (1)23952U＋10n→15349Xe＋9358Sr＋210n (2)23952U＋10n→15464Ba＋8396Kr＋310n 2．链式反应发生的条件 (1)铀块的体积大于临界体积．体积超过临界体积时，保证中子 能够碰到铀核． (2)有足够浓度的铀 235. (3)有足够数量的慢中子．
命题视角 1 对重核裂变的理解 关于重核的裂变，以下说法正确的是( )
A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应 C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子 数要减少 D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量， 所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能