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1968《重核的裂变核聚变粒子和宇宙》导学案
2012年5月25日编写：杨洪涛审阅：王生云
学习要求
I•知道裂变反应和聚变反应。

关注聚变反应研究的进展
2.知道链式反应的发生条件，了解裂变反应堆的原理，了解常用裂变反应堆的类型，知道核电站的工作模式
3•通过核能的利用，思考科学技术与社会的关系
第一课时
1.核裂变
提问：什么是核裂变？
提问：是不是所有的核裂变都能放出核能？
只有核子平均质星减小的核反应才能放出核能。

知识总结：不是所有的核反应都能放出核能，有的核反应，反应后生成物的质量比反应前的质量大，这样的核反应不放出能量，反而在反应过程中要吸收大量的能量。

只有重核裂变和轻核聚变能放111大量的能量。

2、铀核的裂变
（1）铀核的裂变的一种典型反应。

提问：铀核的裂变的产物是多样的，最典型的一种核反应方程式是什么样的？
訓+加脚+ ；：" + 3加
（2）链式反应：
提问：链式反应是怎样进行的？
答案：这种由重核裂变产牛的小f使裂变反应-代接- 代继续下
去的过程，叫做核裂变的链式反应。

（3）临界体积（临界质量）：
提问：什么是临界体积（临界质最）？
答案：通常把裂变物质能够发牛•链式反应的最小体积叫做它
的临界体积，相应的质量叫做临界质最。

（4）裂变反应中的能量的计算。

裂变前的质量：
m u = 390.3139x 10一刀kg, m n— 1.6749x IO-27 kg
裂变后的质量:
=234.0016x10—27 炮，m Kr = 152.6047 x 10-27 kg, 3加” =5.0247 x IO'27 kg, 学生计算：质量亏损：
Am = 0.3578x 10~27 kg,
AE = \mc2 = 0.3578 x 10-27 x （3.0x IO8）2 J=201 MeV
知识总结：由重核裂变产牛的屮子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。

裂变物质能够发牛链式反应的最小体积叫做它的临界体积。

铀核裂变的产物不同，释放的能量也不同。

3、核电站（P85）
水泥訪护层提问：核核反应堆各组成部分在核反应屮起什么作用? 铀棒：由浓缩
铀制成，作为核燃料。

控制棒：由镉做成，用來控制反应速度。

I 减速剂：由石墨、重水或普通水（有时叫轻水）做成，用來鮎
跟快屮子碰撞，使快小子能量减少，变成慢中子，以便让U235
俘获。

冷却剂：由水或液态的金属钠等流体做成，在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出，确保反应堆的安全。

水泥防护层：用來屏蔽裂变产物放出的各种射线，防止核辐射。

【问题】核能发电的优点、缺点？
优点：_______________________________
缺点：________________________________
4、例题
例题1、下列核反应小，表示核裂变的是（）
A、亍U J訥+艸
B、：C T：2 + _弦
C、+ T 冒厂+ 3加
D、:Be+；He£C + ；n
分析：核反应中冇四种不同类型的核反应，它们分别是衰变、人工转变、重核裂变、轻核聚变。

菇中衰变中冇Q衰变、0衰变等。

瓷U J訥+：弘是a衰变：+吳是0衰变，
+ 是人工转变，只的C选项是重核裂变。

例题2、秦山核电站第一期工程装机容量为30万kW,如果lg铀235完全裂变时产牛的能量为
8.2x10'° J,并且假定产生的能量都变成了电能，那么，每年要消耗多少铀235?（一年按365天计算）
解：核电站每天的发电量为W=Pt=3 X 108 X 24 X 3600 J=2.592 X 1013 J. 每年的发电量
W^=365W=9.46X1O,5J而1 g铀完全裂变时产生的能最为8.2X 10I0J.
所以，每年消耗的铀的量为
课后作业（P88问题与练习）
第二课时
一、核聚变（P88）
1、什么叫聚变？聚变冇什么特点？
2、轻核聚变的产生条件是什么？
3、写出一个宛核与一个就核结合成氨核是的核反应方程。

注：（1）热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107 K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨人的能量。

太阳每秒释放的能量约为3.8X 1026J,地球只接受了具屮的二十亿分之一。

太阳在“核燃烧”的过程屮“体重” 不断减轻。

它毎秒有7亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。

科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿〜100亿年。

当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！
（2）上世纪四I-年代，人们利用核聚变反应制成了用于战争的氢弹，氢弹是利用热核反应制造的一种在规模杀伤武器，在其屮进行的是不可控热核反应，它的威力是原子弹的十儿倍。

4、核聚变有什么应用？
二、受控热核反应（P89）
1、聚变与裂变相比有哪些优点？
2、实现核聚变的难点：
可能方案:
例题：一个氛核和一个氟核发生聚变，其核反应方程是42He+：）n，其屮笊核的质量:mD=2.014 102 Us氟核的质量：mr=3.016 050 u%氨核的质量:ma =4.002 603 u、中子
的质量:m n = 1.008 665 u> lu=1.660 6X 10'27kg, e= 1.602 2X 10 I9C,请同学们求出该核反应 所释放出來的能量。

巩固练习
第三课时（P91-94）
1 •“基本”粒子“不”基本
1897年汤姆住发现电子，1911年卢瑟福提出原子的核式结构。

继而发现了光子，并认 为“光
子、电子、质子、中子”是组成物质的不可再分的粒子，所以把它们叫“基本粒子”。

那么随着科学技术的发展，科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子，并且乂发现 质子、中子等本身也有白己复杂的结构。

2.发现新粒子（P91）
20世纪30年代以來，人们对宇宙线的研究小发现了一些新的粒子。

思考下面的问题：
（1） 从宇宙线中发现了哪些粒子？这些粒子有什么特点？ （2） 通过科学核物理实验乂发现了哪些粒子？ （3） 什么是反粒子？
（4） 现在可以将粒子分为哪儿类？
答案：（1） 1932年发现正电子；1937年发现P 子；1947年发现K 介子与兀介子
（2） 实验中发现了许多反粒子，现在发现的粒子多达400多种。

（3） 许多粒子都存在着质量与它相同而电荷及其他-些物理性质相反的粒子，叫做反粒子。

（4） 按粒子与各种相互作用的关系，可分为三大类：强子、轻子和媒介子。

强子：是参与强相互作用的粒子。

（强子乂分为介子和重子） 轻子：轻子是不参与强相互作用的粒子。

丿I 球土単1大址仔祝着•种叫做g ；He ）*的化.
c*.M 热栈聚变的■要压料 科学家初步佔it 月球I-£ 少有100 "吨武3・咖柚1关技术研龙虑功•将为 取之不尽
的能源xr«3 Wi （核聚变•卜列说法中正确 的是 （
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A ・核反应方程为»；1卜+ II B.核反应生成物忙
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1999年9月18日，巾共巾央、国务院冲央军委崔人 艮大会血表够M •星”作狀出XI 的H 技滋・F 列枚反皿方f 帥属「•研却卿的啡的找反应 方阳快
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媒介子：传递各种相互作用的粒子。

3・夸克模型
1964年提出夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克（quark ）。

夸 克模
型经过几十年的发展，已被多数物理学家接受。

那么，现代科学认为夸克有哪几种？有什么特征？
（1） 上夸克、下夸克、奇界夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。

2 1
（2） 夸克带电荷为元电荷的+ 土或-丄倍
3 3
科学家们还未捕捉到H 由的夸克。

夸克不能以白由的状态单个出现，这种性质称为夸克 的“禁闭”。

能否解放被禁闭的夸克，是物理学发展面临的一•个重人课题。

夸克模型的提出是物理学发展小的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单 元，即存在分数电荷。

而另一方面也说明科学正由于一个一个的突破才使得科学得到进一步 的发展。

底夸克 顶夸克
【例】：已知介+介子、k 介子都是由一•个夸克（夸克u 或夸克d ）和一个反夸克（反令 克
7或反夸克7）组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e 为元电荷。

卜-列说法正确的是（）（2005全国）
A.兀*由u 和〃纟fl 成 C.於由u 和2组成 4.宇宙的演化、恒星的演化
要了解宇宙起源需了解物质的组成的粒子，这是因为在物理学屮研究微观壯界的粒子物
（媒介子｛ 光子（传递电磁相互作用）
胶了（传递强相互作用）
粒丿轻子
子［（6种）
r 电子
电子中微子
P 子和》子中微子 I 「了和—了中微了
强子 参与强作
了质了［
I 屮了
介了
J 超子丿
卜夸克
上夸克 J 下夸克 I 奇夸克
粲夺克
B.兀+由弘和d 组成 D.旷由7和d 组成
理、量子理论，与研究宁宙的理论竞然相互沟通、相互支撐。

宇宙演化过程和恒星演化过程：
宇宙大爆炸后，“粒了家族”（宇宙形成之初）：
1（T 44秒后，温度1032K,产牛夸克、轻子、胶子等一
IO'秒后温度1（尸K,夸克构成了质子和中子等（强子时代）一
温度为10“K 时，少量夸克，光了、大量中微了和电了存在（轻了时代）一 温度109K 时进入核合成时代->
温度降到3000K 吋，电子与质子复合成氢原子一冷却，出现了宇宙尘埃 密集尘埃一星云团 温度升禹〉开始发光一颗恒星诞牛。

恒星收缩升温一热核反应成氨一氢大部分聚变为氮一收缩一氮聚合成碳一 （类似）肓到产生铁元素。

怕星最后的归宿：
恒星质量小于太阳1.4倍一白矮星 恒星质量是太阳1.4〜2倍一中了星
怛星质最更人时（无法抵抗）一黑洞
课堂练习
1、目前普遍认为，质子和中子都山被称为卩夸克和d 夸克的两类夸克组成，卩夸克带
电最为2e/3, d 夸克带电量为・e/3, e 为元电荷,
2、K 一介子衰变方程为：《一一於+兀°其中K 一介子和k 介子带负的基元电荷，兀°介
子不带电，如图所示，一个K-介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场小，其轨迹为圆弧
A”,衰变后产生的n -介子的轨迹为圆弧pB,两轨迹在p 点相切，它们半径Rk 一与R-之比为2： 1 （於介子的轨迹未画出）由此可知兀一的动量大小与的动量人小之比为（C ）
A. 1： 1
B. 1： 2
C. 1： 3
D. 1： 6
万有引力作用〉
A. 质子山1个u 夸克和1个d 夸克组成,
B. 质了由2个u 夸克和1个d 夸克组成,
C. 质子由1个u 夸克和2个d 夸克组成,
D. 质子山2个卩夸克和1个d 夸克组成,
中子由1个M 夸克和2个d 夸克组成 中了由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 中子由
1个M 夸克和1个d 夸克组成
则下列论断可能的是（B ）。