新教材物理选择性必修第三册学案：4.核裂变与核聚变 5.“基本”粒子

4.核裂变与核聚变5.“基本”粒子学习目标：1．[物理观念]知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念，了解原子弹、核反应堆、聚变反应条件、新粒子的内容。

2.[科学思维]掌握链式反应及核聚变释放能量的计算，理解核电站的工作原理，掌握轻核聚变的条件，提高分析、解决问题的能力。

3.[科学探究]通过对链式反应的探究，理解原子弹、核反应堆的原理，体会热核反应的条件及科学发现新粒子的进步。

4.[科学态度与责任]学习科学家们研究问题的方法，坚持实事求是的科学态度，体验其工作的艰辛，激发探索未来科学的热情。

阅读教材，回答第119页和第126页的“问题”并梳理必要的知识点。

教材P119页“问题”提示：重核是裂变释放出巨大的核能，主要应用有原子弹和核电站；轻核聚变释放出巨大能量，现在仅有氢弹应用。

教材P126页“问题”提示：这些新发现的粒子大体可分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类别，它们之间存在着密切的关系。

一、核裂变1．核裂变的发现(1)核裂变重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程。

(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235 92U＋10n→14 56Ba＋8936Kr＋310n。

(3)链式反应当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去，这种由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。

(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。

2．反应堆与核电站(1)核能释放的控制通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆。

(2)慢化剂反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水和普通水(也叫轻水)。

(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。

说明：核裂变是可以控制的，如核电站的建立和应用。

二、核聚变1．定义两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。

2．举例21H＋31H→42He＋10n＋17.6 MeV。

3．条件(1)轻核的距离要达到10－15 m以内。

(2)需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应。

4．优点(1)轻核聚变产能效率高。

(2)地球上聚变燃料的储量丰富。

(3)轻核聚变更为安全、清洁。

5．约束方法磁约束和惯性约束。

三、粒子1．基本粒子不基本(1)直到19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是基本粒子。

(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组成的，并发现质子、中子等本身也有复杂结构。

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：大体可分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类型。

(3)夸克模型的提出：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的。

说明：反粒子最显著的特点是当它们与相应的正粒子相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。

(×)(2)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。

(√)(3)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些。

(×)(4)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。

(×)2．(多选)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，但核子数不变D．重核裂变为中等质量的核时，放出核能CD[核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A错误，D正确；发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于其临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B错误；重核裂变时，核子数守恒，C正确。

]3．(多选)下列关于聚变的说法中正确的是()A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反应C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D．自然界中不存在天然的热核反应ABC[轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15 m以内，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误。

]对核裂变和链式反应的理解如图所示为重核裂变的链式反应。

试探究：(1)什么是链式反应？(2)链式反应中的临界体积指什么？提示：(1)重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫链式反应。

(2)能发生链式反应的最小体积叫临界体积，相应的质量叫临界质量。

(1)核子受激发：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。

(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2或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。

(3)常见的裂变方程：①10n＋235 92U→14 56Ba＋8936Kr＋310n②235 95U＋10n→9438Sr＋139 54Xe＋310n。

2．链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积。

(2)铀块的质量大于临界质量。

以上两个条件满足一个即可。

【例1】(多选)2017年11月17日，“中国核潜艇之父”——黄旭华获评全国道德模范。

下列有关核反应的说法正确的是()A．目前核潜艇是利用重核裂变提供动力B．重核裂变反应前后一定有质量亏损C．235 92U＋10n→140 54U＋9438Sr＋d10n式中d＝1D．铀核裂变后的新核比铀核的比结合能小思路点拨：(1)核裂变放出能量，比结合能变大。

(2)核反应方程，质量数守恒、电荷数守恒。

AB[目前核潜艇是利用重核裂变提供动力，选项A正确；重核裂变要释放核能，则反应前后一定有质量亏损，选项B正确；根据质量数和电荷数守恒可知，该核反应中的d＝2，选项C错误；铀核不如裂变后生成的新核稳定，可知铀核的比结合能比裂变后生成的新核的比结合能小，选项D错误。

]对重核裂变的两点理解(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。

(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。

所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。

[跟进训练]1．下列核反应中，表示核裂变的是()A．238 92U→234 90Th＋42HeB．14 6C→14 7N＋0－1eC．235 92U＋10n→14 56Ba＋9236Kr＋310nD．94Be＋42He→12 6C＋10nC[238 92U→234 90Th＋42He是α衰变，14 6C→14 7N＋0－1e是β衰变，94Be＋42He→12 6C ＋10n是人工转变，只有选项C是重核裂变，C正确。

]核电站与核反应堆如图是慢中子反应堆的示意图。

试探究：(1)铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？(2)如何控制裂变反应的激烈程度？提示：(1)慢中子。

(2)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，反之，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。

核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件名称慢化剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨、重水或普通水(也叫轻水)镉水或液态钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图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、重水或普通水为慢化剂，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，慢化剂附在铀棒周围。

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。

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2】每昼夜消耗220 g铀235的原子能发电站，如果效率为25%，它能产生的电功率为多大？(每个铀核裂变时放出的能量是200 MeV)思路点拨：由题条件求出总能量，再求出有用功，除以时间得到电功率。

[解析]一昼夜消耗的铀所能产生的核能为：ΔE＝200××6.02×1023×106×1.6×10－19 J＝1.8×1013 J电功率P＝η＝W＝5.2×107 W。

[答案] 5.2×107 W[跟进训练]2．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，以控制反应速度D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度C[利用控制系统吸收慢中子，控制链式反应的速度，C选项正确。

]对核聚变的理解据报道，中科院离子物理所经过八年的艰苦奋斗努力，终于率先建成了世界上第一个全超导的托克马克试验装置并调试成功。

这种装置被称为“人造太阳”(如图所示)，它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续地输出能量，就像太阳一样为人类提供无限清洁的能源。