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

2

1H＋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