第四章 第六节 第七节

第六节核能利用

第七节小粒子与大宇宙

[学习目标] 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、核反应堆及核电站

1.核电站是利用核能发电，它的核心设施是反应堆，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：采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子的能力很强的特性，控制链式反应的速度.

2.工作原理

核燃料裂变释放能量，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流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却.

4.核污染的防护与处理

在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线.核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，埋入深地层来处理.

[即学即用]判断下列说法的正误.

(1)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度.(√)

(2)核反应堆用过的核废料无毒无害.(×)

二、小粒子和大宇宙

1.从小粒子到大宇宙——空间跨度

(1)对宇宙的时空结构、运动形态和物质演化的理论描述，称为宇宙模型.

(2)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.

(3)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从10－15 m到1027m，共跨越了约42个数量级.

2.从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度

(1)宇宙的年龄的数量级：1018s.

(2)微观粒子的最短寿命：10－25s.

(3)物质世界的时间尺度：约从10－25s到1018s，跨越了将近43个数量级.

一、核反应堆与核电站

1.核反应堆的主要部件及作用如下表：

(1)消耗的核燃料少.

(2)作为核燃料的铀在地球上可采储量大，所能提供的能量大.

(3)对环境的污染要比火力发电小.

例

1如图1是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是()

图1

A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应

B.快中子跟减速剂的原子核碰撞后的能量减少，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，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些

D.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

答案B

解析快中子容易与铀235擦肩而过，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，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，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，选项C、D都错误.

二、粒子的分类和夸克模型

1.粒子的分类

(1)夸克的提出：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.

(2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t). (3)夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的＋23或－1

3.例如，

上夸克带的电荷量为＋2e 3，下夸克带的电荷量为－e

3.

(4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷.

例

2 目前普遍认为，质子和中子都是由被称为

u 夸克和d 夸克的两类夸克组成的.u 夸克带电荷量为23e ，d 夸克带电荷量为－1

3e ，e 为元电荷，

下列论断中可能正确的是( )

A.质子由1个u 夸克和2个d 夸克组成，中子由1个u 夸克和2个d 夸克组成

B.质子由2个u 夸克和1个d 夸克组成，中子由1个u 夸克和2个d 夸克组成

C.质子由1个u 夸克和2个d 夸克组成，中子由2个u 夸克和1个d 夸克组成

D.质子由2个u 夸克和1个d 夸克组成，中子由2个u 夸克和1个d 夸克组成 答案 B

解析 质子11H 带电荷量为2×23e ＋(－13e )＝e ，中子1

0n 带电荷量为23e ＋2×(－13e )＝0.可见B 正确. 1.(核反应堆的理解)(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是( ) A.铀棒是核燃料，裂变时释放核能 B.镉棒的作用是控制反应堆的功率 C.石墨的作用是吸收中子 D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能

答案 ABD

解析 铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A 正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B 正确；慢中子最容易引发核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故C 错误；水或液态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，同时也使反应堆冷却，控制温度，故D 正确.

2.(链式反应的认识)链式反应中，重核裂变时放出的可使裂变不断进行下去的粒子是( ) A.质子 B.中子 C.β粒子 D.α粒子 答案 B

解析 在重核的裂变中，铀235需要吸收一个慢中子后才可以发生裂变，所以重核裂变时放出的可使裂变反应不断进行下去的粒子是中子.

3.(基本粒子的理解)若π＋

介子、π－

介子都是由一个夸克(夸克u 或夸克d)和一个反夸克(反夸克u 或反夸克d )组成的，它们的带电荷量如表所示，表中e 为元电荷.

(1)(2)按最简单的组成，π－

介子由谁和谁组成？ 答案 (1)π＋

介子是由夸克u 和反夸克d 组成的