4.6-4.7 核能利用 小粒子与大宇宙 学案(2020年粤教版高中物理选修3-5)
高中物理第四章裂变和聚变核能利用小粒子与大宇宙学案(含解析)粤教版选修3_5
学案7 小粒子与大宇宙(略)[学习目标定位] 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义及发生条件.3.会判断和书写核裂变和核聚变方程，能计算核反应释放的能量.4.了解裂变反应堆的工作原理，了解常用裂变反应堆的类型，知道核电站工作模式．1．核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒．2．核能运算：ΔE＝Δmc2.(1)若Δm单位为kg，则ΔE的单位为J；(2)若Δm单位为u，则ΔE的单位为MeV，可直接利用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算核能．3．重核的裂变(1)核裂变：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的较轻原子核，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→144 56Ba＋8936Kr＋310n.(3)链式反应：这种由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，叫做核裂变的链式反应．(4)链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于临界体积．4．核聚变(1)定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变．轻核聚变必须在高温下进行，因此又叫热核反应．(2)能量变化：轻核聚变后，平均结合能增加，反应中会释放能量．(3)核反应举例：21H＋31H→42He＋10n＋17.6 MeV.(4)核反应条件：必须使原子核的距离达到10－15 m以内，为达到这么近的距离，一般需要在高温下进行．5．核能的利用利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，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：利用镉吸收中子的能力很强的特性，在反应堆中采用插入镉棒的方法控制链式反应的速度．(4)冷却系统：利用水或液态的金属钠等流体作为冷却剂，在反应堆内外循环流动，把反应堆中的热量传输出去.一、核裂变和链式反应[问题设计](1)铀核裂变是如何发生的？(2)铀核裂变在自然界中能自发进行吗？答案(1)铀核的裂变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2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应．(2)重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，自然界不会自发地发生．铀核裂变不会自发地进行，要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这些中子继续与其他铀核发生反应，再引起新的裂变，这样就形成了链式反应．[要点提炼]1．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，其中两种典型的反应是235 92U ＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n；235 92U＋10n→136 54Xe＋9038Sr＋1010n.2．链式反应由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，叫做核裂变的链式反应．3．链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积．(2)有足够数量的慢中子．二、裂变过程中核能的分析与计算[问题设计]重核裂变为什么能释放核能？人们获得核能的途径有哪些？通过图1说明．图1答案中等质量的原子核的核子的平均质量较小，重核和轻核的核子的平均质量较大．如果原子序数较大的重核A分裂成原子序数小一些的核B和C，会有质量亏损，放出巨大的核能．获得核能的主要途径：一是重核裂变，二是轻核聚变．[要点提炼]铀核裂变释放核能的计算1．首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm.2．根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能计算时要注意Δm与ΔE单位的对应关系：若Δm用kg做单位，则ΔE用J做单位；若Δm用u做单位，则ΔE用MeV做单位，1 u相当于931.5 MeV的能量．3．若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核(设为n)，则铀块裂变释放的核能E＝nΔE.三、轻核的聚变1．聚变两个轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为核聚变．聚变反应又称为热核反应．2．聚变方程：21H＋31H→42He＋10n.3．聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 m，这要克服电荷间强大的斥力，要求使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万度以上的高温．4．重核裂变与轻核聚变的区别一、对重核裂变的理解及应用例1 (单选)关于重核的裂变，下列说法正确的是( )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的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少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．因而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，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生．在裂变反应中核子数是不会减少的，如235 92U裂变为9038Sr和136 54Xe的核反应，其核反应方程为：235 92U＋10n→9038Sr＋136 54Xe ＋1010n查阅相关资料可得其中各粒子质量分别为m U＝235.043 9 u，m n＝1.008 67 um Sr＝89.907 7 u，m Xe＝135.907 2 u质量亏损为Δm＝(m U＋m n)－(m Sr＋m Xe＋10m n)＝0.151 0 u可见铀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错误．重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，发生质量亏损，从而释放出核能．综上所述，选项D正确．答案 D例2 用中子轰击铀核(235 92U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(141 56Ba)和氪(9236Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：m U＝390.313 9×10－27 kg，m n＝1.674 9×10－27 kg；m Ba＝234.001 6×10－27 kg，m Kr＝152.604 7×10－27 kg.试写出核反应方程，求出反应中释放的核能．解析根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒，就可以写出核反应方程．根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能．铀核裂变方程为10n＋235 92U→141 56Ba＋9236Kr＋310n，则核反应前后的质量亏损为Δm＝m U＋m n－m Ba－m Kr－3m n＝0.357 8×10－27 kg.由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J＝3.220 2×10－11J.答案 10n ＋23592U→14156Ba ＋9236Kr ＋310n 3.220 2×10－11J二、对轻核聚变的理解及核能计算例 3 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源． (1)写出这个核反应方程． (2)这一核反应能释放多少能量？(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026J ，则太阳每秒减少的质量为多少千克？ (m p ＝1.007 3 u ，m He ＝4.001 5 u ，m e ＝0.000 55 u) 解析 (1)由题意可得核反应方程应为411H→42He ＋2 0＋1e.(2)反应前的质量m 1＝4m p ＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u ，反应后的质量m 2＝m He ＋2m e ＝4.001 5 u ＋2×0.000 55 u＝4.002 6 u ，Δm ＝m 1－m 2＝0.026 6 u ，由质能方程得，释放能量ΔE ＝Δmc 2＝0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV. (3)由质能方程ΔE ＝Δmc 2得每秒减少的质量 Δm ＝ΔE c 2＝3.8×10263×108 2 kg ＝4.2×109 kg.答案 (1)411H→42He ＋2 0＋1e (2)24.78 MeV (3)4.2×109kg1.裂变和聚变⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧核裂变⎩⎪⎨⎪⎧定义及发现链式反应的条件⎩⎪⎨⎪⎧ V ≥V临足够的慢中子应用⎩⎪⎨⎪⎧ 原子弹核电站核聚变⎩⎪⎨⎪⎧定义聚变发生的条件受控热核反应⎩⎪⎨⎪⎧ 优点可控方案2．核能的利用⎩⎪⎨⎪⎧核反应堆核电站1．(双选)关于铀核裂变，下列说法正确的是( )A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B．铀核裂变时能同时释放2～3个中子C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235D．铀块的体积对产生链式反应无影响答案BC解析铀核受到中子的冲击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况比较多，也有的分裂成多块，并放出2～3个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故B、C正确．2．(单选)下列关于聚变的说法中，不正确的是( )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开尔文的高温，因此聚变又叫做热核反应C．原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行答案 D解析轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，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开尔文时才有这样的能量，这样高的温度通过利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错误．3．(单选)1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(N A为阿伏加德罗常数)( )A．N A×196 MeVB．235N A×196 MeVC．235×196 MeVD.N A235×196 MeV答案 D解析由于1 mol的铀核质量为235 g,1 g铀235 的物质的量为1235mol，因此1 g铀235释放的能量E＝N A235×196 MeV，故D正确．4．(单选)一个235 92U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为235 92U ＋10n→X＋9438Sr＋210n，则下列叙述正确的是( )A．X原子核中含有86个中子B．X原子核中含有141个核子C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，所以裂变后的总质量数增加D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少答案 A解析X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140个，B错误；中子数为140－(92－38)＝86个，A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D错误．5．(双选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是( ) A．“人造太阳”的核反应方程是21H＋31H→42He＋10nB．“人造太阳”的核反应方程是235 92U＋10n→141 56Ba＋9236Kr＋310nC．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同答案AC解析21H＋31H→42He＋10n是氢核聚变方程，故A项正确；根据氢核聚变特点，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确．[概念规律题组]1．(单选)在原子核的人工转变过程中，科学家常用中子轰击原子核，这是因为( ) A．中子的质量较小B．中子的质量较大C．中子的能量较大D．中子是电中性的答案 D解析科学家常用中子轰击原子核，这是因为中子不带电，比其他带电粒子更能充分地接近原子核，故正确选项是D.2．(单选)下列核反应中，属于核裂变反应的是( )A.105B＋10n→73Li＋42HeB.238 92U→234 90Th＋42HeC.147N＋42He→178O＋11HD.235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n答案 D解析由核裂变反应的特点知，D正确．3．(单选)镉棒在核反应堆中所起的作用是( )A．使快中子变成慢中子B．使慢中子变成快中子C．使反应速度加快D．控制反应速度，调节反应速度的快慢答案 D解析在核反应堆中石墨(重水)起变快中子为慢中子的作用．镉棒又叫控制棒，起吸收中子、控制反应速度、调节功率大小的作用，故D正确．4．(双选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一．下列释放核能的反应方程中，表述正确的是( )A.31H＋21H→42He＋10n是核聚变反应B.31H＋21H→42He＋10n是β衰变C.235 92U＋10n→141 56Ba＋8936Kr＋310n是核裂变反应D.235 92U＋10n→140 54Xe＋9438Sr＋210n是α衰变答案AC解析B项为轻核聚变，β衰变的实质为一个中子转化为一个质子后释放出一个电子，选项B错误；α衰变的实质是释放氦核(α粒子)，而D项是重核裂变，并未释放α粒子，选项D错误，正确选项为A、C.5．(单选)在核反应方程235 92U＋10n→9038Sr＋136 54Xe＋k X中( )A．X是中子，k＝9B．X是中子，k＝10C．X是质子，k＝9D．X是质子，k＝10答案 B解析设X的电荷数是Z，质量数是A，根据核反应的关系式，由电荷数守恒得92＋0＝38＋54＋k Z解得k Z＝0，又由质量数守恒得235＋1＝90＋136＋k A解得k A＝10.综合解得k≠0，Z＝0，可知X是中子；A＝1，k＝10，可知选项B正确．6．(双选)关于聚变，以下说法正确的是( )A．两个氘核可以聚变成一个中等质量的原子核，同时吸收能量B．同样质量的物质发生核聚变反应时放出的能量比同样质量的物质发生核裂变反应时释放的能量大得多C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能答案BD7．(单选)关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是( )A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量大C．聚变反应中粒子的比结合能变小D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后总质量变大答案 B[方法技巧题组]8．(单选)一个铀235吸收一个中子后发生的核反应方程是235 92U＋10n→136 54Xe＋9038Sr＋1010n，放出的能量为E，铀235核的质量为M，中子的质量为m，氙136核的质量为m1，锶90核的质量为m2，真空中光速为c，则释放的能量E等于( )A．(M－m1－m2)c2B．(M＋m－m1－m2)c2C．(M－m1－m2－9m)c2D．(m1＋m2＋9m－M)c2答案 C解析铀235裂变时的质量亏损：Δm＝M＋m－m1－m2－10m＝M－m1－m2－9m，由质能方程可得E＝Δmc2＝(M－9m－m1－m2)c2.9．(单选)某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为11H ＋12 6C→13 7N＋Q1，11H＋15 7N→12 6C＋X＋Q2.方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：以下推断正确的是( )A ．X 是32He ，Q 2 ＞Q 1 B ．X 是42He ，Q 2 ＞Q 1 C ．X 是32He ，Q 2 ＜Q 1 D ．X 是42He ，Q 2 ＜Q 1 答案 B解析 本题考查核反应方程的书写和计算核反应释放的能量，意在考查考生的推理判断和运算能力．由核反应过程必须遵守质量数守恒和电荷数守恒知X 是42He.放出热量分别为Q 1和Q 2的两个核反应中质量亏损分别为0.002 1 u 和0.0053 u ，故Q 2＞Q 1. 10．(单选)我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于23592U 的裂变，现有四种说法：①23592U 原子核中有92个质子，143个中子；②23592U 的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程为23592U ＋10n→13954Xe ＋9538Sr ＋210n ；③235 92U 是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45 亿年，升高温度半衰期缩短； ④一个23592U 裂变能放出200 MeV 的能量，合3.2×10－11J.以上说法中完全正确的是( )A ．①②③ B．②③④ C．①③④ D．①②④ 答案 D解析 由235 92U 的质量数和电荷数关系易知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；通过计算知④正确，故答案为D. 11．在氢弹爆炸中发生的核聚变方程为21H ＋31H→42He ＋10n ，已知21H 的质量为2.013 6 u ，31H 的质量为3.016 6 u ，42He 的质量为4.002 6 u ，10n 的质量为1.008 7 u ，阿伏加德罗常数N A ＝6.02×1023mol －1，求此氢弹爆炸中合成1 kg 的氦时所释放的能量． 答案 2.65×1027 MeV解析 由题意可知，当一个21H 核与一个31H 核发生反应合成一个42He 核时放出的能量为 ΔE ＝Δmc 2＝0.018 9×931.5 MeV≈17.6 MeV而1 kg 氦中含有的原子数目为N ＝10004×6.02×1023＝1.505×1026(个)所以合成1 kg 氦核时所放出的总能量为E ＝N ΔE ≈2.65×1027MeV [创新应用题组]12．一个原来静止的锂核(63Li)俘获一个速度为7.7×104m/s 的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103m/s ，方向与中子的运动方向相反． (1)试写出核反应方程． (2)求出氦核的速度大小．(3)若让一个氘核和一个氚核发生聚变时可产生一个氦核，同时放出一个中子，求这个核反应释放出的能量．(已知氘核质量为m D ＝2.014 102 u ，氚核质量为m T ＝3.016 050 u ，氦核质量m He ＝4.002 603 u ，中子质量m n ＝1.008 665 u ，1 u ＝1.660 6×10－27 kg) 答案 (1)63Li ＋10n→31H ＋42He (2)2×104 m/s (3)2.82×10－12 J 解析 (1)63Li ＋10n→31H ＋42He(2)取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得 m n v 0＝－m T v 1＋m He v 2v 2＝m n v 0＋m T v 1m He＝1×7.7×104＋3×1.0×1034m/s ＝2×104 m/s(3)核反应方程为21H ＋31H→42He ＋10n质量亏损为：Δm ＝m D ＋m T －m He －m n＝(2.014 102＋3.016 050－4.002 603－1.008 665) u ＝0.018 884 u≈3.136×10－29 kg 根据爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2＝3.136×10－29×(3×108)2 J≈2.82×10－12 J。
高中创新设计物理粤教版选修3-5学案：4-64-7 核能利用 小粒子与大宇宙 Word版含解析
第六节核能利用第七节小粒子与大宇宙[目标定位] 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、反应堆1．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：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．2．工作原理：核燃料裂变释放的能量，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．4．核污染的处理：修建很厚的水泥层，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，埋入深地层来处理．二、核电站、核能利用1．核电站利用反应堆工作时释放的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站．2．核能利用(1)核力发电；(2)核动力；(3)原子核物理实验制造各种放射性同位素．三、小粒子与大宇宙1．从小粒子到大宇宙——空间跨度(1)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．(2)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从10－15_m到1027_m，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：1018_s.(2)微观粒子的最短寿命：10－25_s.(3)物质世界的时间尺度：约从10－25_s到1018_s，跨越了将近43个数量级．预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中问题1问题2问题3一、核反应堆裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理如下表：组成部分材料作用裂变材料(核燃料)浓缩铀(23592U)提供核燃料慢化剂(减速剂)石墨、重水和普通水使裂变产生的快中子减速控制棒镉吸收减速后的中子，控制反应速度反射层石墨阻止中子逃逸热交换器水产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电防护层金属套和钢筋混凝土防止射线对人体及其他生物体的侵害速剂．中子在重水中可与21H核碰撞减速，在石墨中与12 6C核碰撞减速．上述碰撞可简化为弹性碰撞模型．某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？ 答案 见解析解析 设中子质量为m n ，靶核质量为m ，由动量守恒定律得：m n v 0＝m n v 1＋m v 2由能量守恒得：12m n v 02＝12m n v 12＋12m v 22解得v 1＝m n －m m n ＋m v 0， 在重水中靶核质量m H ＝2m nv 1H ＝m n －m H m n ＋m Hv 0＝－13v 0， 在石墨中靶核质量m C ＝12m n ，v 1C ＝m n －m C m n ＋m Cv 0＝－1113v 0 与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好．借题发挥 (1)中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒、能量守恒．(2)因为靶核的质量大于中子的质量，故靶核的质量比中子的质量大得越少，减速效果越好，如质量相等时可以使中子的速度减为零．针对训练1 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，以改变中子数D ．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度答案 C解析 控制核反应的速度是靠调节中子数目来实现，即用镉棒吸收中子改变中子数目．二、核电站的工作原理核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应．铀235裂变需要一定的条件：(1)要有足够浓度的铀235；(2)要有足够数量的慢中子；(3)铀块的体积要大于临界体积．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，核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出2～3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，这就叫链式反应．原子弹中裂变一旦开始，裂变放出的快中子，又引起其他铀核裂变的速度很快，在极短的时间内释放大量的能量，因此杀伤力强大．在核电站中，核反应堆是热源，如图1为简化的核反应堆的示意图：图1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(或重水)为减速剂，使反应生成的快中子变为慢中子，利于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围．镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深些，吸收中子多，反应速度变慢，插浅一些，吸收中子少，反应速度加快．采用电子仪器自动地调节控制棒的升降，就能使反应堆安全正常地工作．【例2】在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．(1)核反应方程式235 92U＋10n―→141 56Ba＋9236Kr＋a X是反应堆中发生的许多核反应中的一种，10n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为________，a＝__________.以m U、m Ba、m Kr分别表示235 92U、141 56Ba、9236Kr的质量，m n、m p分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE ＝________.(2)有一座发电能力为P＝1.00×106kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40 %.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11J，铀核的质量m U＝390×10－27kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的235 92U的质量．答案(1)10n3(m U－m Ba－m Kr－2m n)c2 (2)1 104 kg解析(1)由反应方程可知：X为10n，a为3，释放的能量为ΔE＝(m U－m Ba－m Kr－2m n)c2.(2)因核电站发电效率为40 %，故核电站消耗23592U的功率为P′＝P40 %＝1.00×10640 %kW＝2.5×106 kW.核电站每年消耗23592U的能量为W＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J 产生这些能量消耗的铀核的数目：n＝WΔE＝7.875×1016 J2.78×10－11 J≈2.83×1027(个)每年消耗23592U的质量为M＝nm U＝2.83×1027×390×10－27 kg≈1 104 kg.针对训练21964年10月16日，我国在新疆罗布泊沙漠成功地进行了第一颗原子弹试验，结束了中国无核时代．(1)原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量，由于裂变物质的体积超过临界体积而爆炸．①完成核裂变反应方程式：23592U＋10n→()Xe＋9438Sr＋210n＋200 MeV②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么？产生这种反应的条件必须是什么？(2)为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染环境，需采用哪些措施？(举两种)答案(1)①14054②链式反应中子再生率大于1(2)核反应堆外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线；放射性核废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理．三、对粒子的认识【例3】正电子、负质子等都属于反粒子，它们跟普通电子、质子的质量、电量均相等，而电性相反．科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质.1997年初和年底，欧洲和美国的科研机构先后宣布：他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是()A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成B．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成C．由一个不带电荷的中子与一个带负电荷的电子构成D．由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成答案 B解析反氢原子的结构是由反粒子构成的物质，正电子、负质子等都属于反粒子核反应堆1．原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置．它主要有哪四部分组成()A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统B．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统C．原子燃料、调速剂、碰撞系统和控制调节系统D．原子燃料、减速剂、原子能聚存系统和输送系统答案 A解析目前核反应组成有：原子燃料、减速剂、控制调节系统、与冷却系统．2．关于原子核反应堆，下列说法不正确的是()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 C解析铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，A对；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，B对；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，C 错；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，D对．核电站3．秦山核电站第三期工程的两个6×105kW发电机组已实现并网发电. 发电站的核能来源于U的裂变，下列说法正确的是()A．反应堆中核反应速度通常是采用调节U的体积来控制的B.U的一种可能的裂变是C.U是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短D．虽然核电站能提供很大的能量，但它对环境的污染比火电站严重答案 B解析反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制，A错；U 裂变有多种可能性，是其中常见的一种，B对；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温度、压强等外界条件无关，C错；核电站的核能是清洁能源，污染少，D错．(时间：60分钟)题组一核反应堆1．利用重核裂变释放核能时选用铀235核，主要原因是()A．它裂变放出核能比其他重核裂变多B．它可能分裂成三部分或四部分C．它能自动裂变，与体积无关D．它比较容易发生链式反应答案 D解析铀235俘获任何能量的中子都会发生裂变反应，故D正确．2．关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是() A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度答案 C解析镉棒并不能释放中子，也不能使中子减速，对铀核裂变也没有阻碍作用，而是利用对中子吸收能力强的特点，控制中子数量的多少而控制核反应速度，故C正确．3．镉棒在核反应中的作用是()A．使快中子变成慢中子B．使慢中子变成快中子C．使反应速度加快D．控制反应速度，调节反应速度的快慢答案 D解析在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，镉棒起吸收中子，控制反应速度，调节反应速度的快慢．4．为使链式反应平稳进行，可采用下列的办法()A．铀块可制成任何的体积B．铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核C．通过慢化剂将产生的中子减速D．用镉棒可作为慢化剂使中子减速答案 C解析由于使铀块发生链式反应的体积应大于临界体积，故A错误；铀核裂变释放出的为快中子，不能直接再去轰击铀核，必须用慢化剂减速，而镉棒是用于控制中子数量的，故C正确，B、D错误．题组二核电站5．(多选)山东荣成石岛湾核电站总装机规模400 万千瓦．核电站与火电站相比较，其优势在于()A．核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量B．就可采储量来说，地球上核燃料资源远多于煤炭C．核电站造成的污染大于相等发电能力的火电站D．核电站比火电站更容易建造答案AB解析核电站与火电站相比，相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多．地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的15倍．只要措施得当，核电站造成的污染很小，核能属于清洁能源，A、B均正确，C错误；核电站的建造难度较大，D错误．6．(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是()A．核能发电对环境的污染比火力发电要小B．核能发电对环境的污染比火力发电要大C．目前所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D．目前既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能答案AC解析目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A、C正确，B、D错．7．我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U的裂变，现有四种说法：①U原子核中有92个质子，143个中子；②U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程为③235 92U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45 亿年，升高温度半衰期缩短；④一个U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×10－11 J.以上说法中完全正确的是()A．①②③B．②③④C．①③④D．①②④答案 D解析由U的质量数和电荷数关系知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；通过计算知④正确，故答案为D.题组三对粒子的认识8．现在科学家们正在设法探寻“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量，但电荷符号相反．据此，若有反α粒子，它的质量数和电荷数分别为()A．－4，－2 B．4，－2C．－4,2 D．4,2答案 B解析因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量、相同的电荷量，但电荷的符号相反．所以，反α粒子质量数为4，电荷数为－2.9．K－介子衰变的方程为K－―→π－＋π0.其中K－介子和π－介子是带负电的基元电荷，π0介子不带电．如图1所示的1个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P 点相切，它们的半径R K－与Rπ－之比为2∶1.π0介子的轨迹未画出．由此可知π－的动量大小与π0的动量的大小之比为()图1A．1∶1 B．1∶2C．1∶3 D．1∶6答案 C解析带电粒子K－与π－在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力Bq v＝m v2R得R＝m vBq＝pBq，K－介子与π－介子带电量相同，故运动的半径之比等于动量之比p K－∶pπ－＝R K－∶Rπ－＝2∶1，在衰变后π－介子与π0介子动量方向相反，设K－介子的动量为正，则π－介子动量为负值，由动量守恒p K－＝－pπ－＋pπ0，则pπ－∶pπ0＝1∶3故A、B、D错，C对．题组四综合应用10．如下一系列核反应是在恒星内部发生的：其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，μ为一种中微子．已知质子的质量m p ＝1.672 648×10－27kg，α粒子的质量mα＝6.644 929×10－27kg，正电子的质量m e＝9.11×10－31 kg，中微子的质量可忽略不计．真空中的光速c＝3.0×108m/s.试计算该系列反应完成后释放的能量．答案 3.95×10－12 J解析为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的各核反应方程左、右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为4p―→α＋2e＋＋2μ.设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得4m p c2＝mαc2＋2m e c2＋Q，代入数据可得Q≈3.95×10－12 J.11．一个原来静止的锂核(63Li)俘获一个速度为7.7×104 m/s的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103 m/s，方向与中子的运动方向相反．(1)试写出核反应方程；(2)求出氦核的速度大小；(3)若一个氘核和一个氚核发生聚变时可产生一个氦核，同时放出一个中子，求这个核反应释放出的能量．(已知氘核质量为m D＝2.014 102 u，氚核质量为m T ＝3.016 050 u，氦核质量m He＝4.002 603 u，中子质量m n＝1.008 665 u,1 u＝1.660 6×10－27 kg)答案 (1)63Li ＋10n ―→31H ＋42He(2)2×104 m/s(3)2.82×10－12 J解析 (1)63Li ＋10n ―→31H ＋42He(2)取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得 m n v 0＝－m T v 1＋m He v 2v 2＝m n v 0＋m T v 1m He ＝1×7.7×104＋3×1.0×1034 m/s ＝2×104 m/s(3)质量亏损为Δm ＝m D ＋m T －m He －m n＝(2.014 102＋3.016 050－4.002 603－1.008 665) u ＝0.018 884 u ≈3.136×10－29 kg根据爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2＝3.136×10－29×(3×108)2 J ≈2.82×10－12 J。
高中物理第四章原子核4.6核能利用4.7小粒子与大宇宙课时训练粤教版选修3_5
核能利用小粒子与大宇宙基础夯实1.现已建成的核电站能量来自于()A.天然放射性元素衰变放出的能量B.人工放射性同位素放出的能量C.重核裂变放出的能量D.化学反应放出的能量.重核裂变要在一定条件下才能进行,并能有效地进行控制,核电站利用这一反应放出的能量进行发电,将其转化成电能.2.下列说法中正确的是()A.太阳是宇宙的中心B.太阳系中只存在太阳和它的八大行星C.太阳系是由太阳和若干行星以及它们的卫星还有彗星组成的D.以上说法都正确,有八大行星绕太阳运行,有的行星还有卫星,此外还有2 000多颗比较小的小行星和彗星等,所以叙述较完整的是C项.通常我们所说的八大行星是指太阳系中较大的几颗行星,太阳系的组成中还有小行星和彗星.3.在核反应中,控制铀235核裂变反应速率的方法是()A.使用浓缩轴B.改变铀块的临界体积C.通过自动控制装置,改变使用镉棒插入的深度,以改变反应堆中的中子数目D.利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度.4(多选)国家重大科技专项示范项目CAP1400核电站在山东荣成石岛湾建设.核电站与火电站相比较,其优势在于() (导学号51160211)A.核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量B.就可采储量来说,地球上核燃料资源远多于煤炭C.核电站造成的污染远小于相等发电能力的火电站D.核电站比火电站更容易建造,相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多,地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的15倍,只要措施得当,核电站造成的污染很小,核能属于清洁能源,A、B、C均正确;核电站的建造难度较大,D错误.5.为应对能源危机和优化能源结构,提高清洁能源的比重,我国制定了优先选择核能,其次加快发展风电和再生能源的政策,在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平,请根据所学物理知识,判断下列说法中正确的是()A.核能发电对环境的污染比火力发电要小B.核能发电对环境的污染比火力发电要大C.所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D.重核裂变是非常清洁的能源,无任何污染答案AC解析目前核电站都用核裂变,其原料是铀,且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源,但也有一定的污染,故A、C正确,B、D错误.6.(多选)下列说法中正确的是()A.聚变反应中有质量亏损,所以必向外界放出能量B.使核发生聚变反应必须使核之间的距离接近到1×10-15 m,也就是接近到核力能够发生作用的范围内C.要使核发生聚变反应,必须克服核力做功D.热核反应只有在人工控制下才能发生答案AB能力提升7.2011年3月11日,日本发生地震并引发海啸导致福岛核电站发生了核泄漏,对附近的环境造成了很大的危害.核泄漏直接导致严重的环境污染,产生的射线具有非常大的危害性,能够使动植物体内的细胞发生癌变,致使生物死亡.根据以上材料回答以下问题:核电站的发电原理是通过核裂变产生巨大的能量,完成下面铀核裂变可能的一个反应方程n→Ba+Kr+,并计算1 kg铀核裂变放出的能量是J.(结果保留两位有效数字,Ba、92Kr和中子的质量分别为235.049 3 u,140.913 9 u,91.897 3 u,1.008 7 u,1 u=1.66×10-27 kg)(导学号51160212)答案n8.5×1013解析一个铀原子核裂变放出的核能,ΔE=Δmc2=(235.049 3 u-140.913 9 u-91.897 3 u-2×1.008 7 u)c2≈3.3×10-11 J.1 kg铀中含有铀核数为N=N A=×6.02×1023≈2.562×1024(个)所以1 kg铀核裂变时放出的能量为E=N·ΔE=2.562×1024×3.3×10-11 J=8.5×1013 J.8.在可控核反应堆中需要给快中子减速,轻水、重水和石墨等常用作慢化剂.中子在重水中可与H核碰撞减速,在石墨中与C核碰撞减速.上述碰撞可简化为弹性碰撞模型.某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰,通过计算说明,仅从一次碰撞考虑,用重水和石墨作减速剂,哪种材料减速效果更好? (导学号51160213)答案重水解析设中子质量为m n,靶核质量为m,由动量守恒定律得m n v0=m n v1+mv2,由能量守恒定律得m n m n,解得v1=v0.在重水中靶核质量m H=2m n,v1H=v0=-v0.在石墨中靶核质量m C=12m n,v1C=v0=-v0.因为与重水靶核碰撞后中子速度较小,故重水减速效果更好.9.天文观测表明,几乎所有远处的恒星(或星系)都在以各自的速度背离我们而运动,离我们越远的星体,背离我们运动的速度(称为退行速度)越大;也就是说,宇宙在膨胀.星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比,即v=Hr.式中H为一常量,称为哈勃常数,已由天文观察测定.为解释上述现象,有人提出一种理论,认为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的.假设大爆炸后各星体以不同的速度向外匀速运动,并设想我们就位于其中心,则速度越大的星体现在离我们越远.这一结果与上述天文观测一致. (导学号51160214)(1)由上述理论和天文观测结果,可估算宇宙年龄T,其计算式是什么?(2)根据观测,哈勃常数H=3×10-2米/(秒·光年),其中光年是光在一年中行进的距离,由此估算宇宙的年龄为多少年?答案(1)T=(2)1×1010年解析(1)由于爆炸后各星体做的是匀速运动,令宇宙年龄为T,则星球现距我们的距离为r=vT=HrT,得T=.(2)T=年=1×1010年.。
粤教版高二物理选修3-5讲学案：4.6-核能利用-4.7小粒子和大宇宙(无答案)
4.6 核能利用 4.7 小粒子与大宇宙 讲学案高二级 班 姓名 座号 周次 星期一、学习目标:1、知道核反应堆和核电站（重点、难点）2、初步了解恒星的演化二、复习检测:1．利用重核裂变释放核能时选铀235，主要原因是( )A ．它裂变放出核能比其他重核裂变放出的核能多B ．它可能分裂成三部分或四部分C ．它能自动裂变，与体积无关D ．它比较容易形成链式反应2．完成下列核反应方程，并注明反应类型：n 3Kr Ba ______U 1094361395623592++→+，属＿＿＿＿＿＿＿；21H ＋31H ―→ ＋10n ，属＿＿＿＿＿＿。
三、新课教学一．反应堆：是人工控制链式反应的装置，使核能较平缓地释放出来．主要由下列几部份组成： 1．燃料：铀棒，是 或浓缩铀；2．减速剂：石墨、重水的作用是使 中子变成 中子；3．控制棒：镉棒的作用是吸收减速后的中子，控制反应速度；二、为了防止铀核裂变物放出的 对人体的危害，在反应堆外面要修建很厚的水泥防护层来屏蔽射线，对放射性的废料也要装入特制的容器，埋入深地层来处理．三、核能利用：核电站——以核反应堆为能源，产生高压蒸汽，取代发电厂的锅炉，其余部分与火力发电厂基本相同．如课本图所示，它主要由裂变反应堆、第一回路系统、第二回路系统及其他辅助系统组成．典题：1．原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置．它主要有哪四部分组成 ( )A ．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统B ．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统C ．原子燃料、调速剂、碰撞系统和控制调节系统D ．原子燃料、减速剂、原子能聚存系统和输送系统2．(单选)在核反应中，控制铀235核裂变反应速率的方法是 ( )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，改变使用镉棒插入的深度，以改变反应堆中的中子数目D ．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度1、空间跨度：（1）人类目前能够观测到的最大距离约是 亿光年之远．这一距离可以看成是目前观测到的宇宙半径．（2）对宇宙的时空结构、运动形态和物体演化的理论描述，称为宇宙模型． 模型是一种被普遍接受的模型，它认为，宇宙起源于大约150亿年前突然发生的一次，其后逐渐诞生出星球、星系、星、超新星、以及被称作类星体的遥远发光体等等，经历150亿年才演化成今天的样子．宇宙的寿命约为s，微观粒子的寿命最短的只有s，可见物质世界的时间尺度，约从1018s到10-25s，共跨越了将近43个数量级．典题：3、关于粒子，下列说法正确的是( )A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B．强子都是带电的粒子C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单元四、巩固练习1．镉棒在核反应中的作用是( )A．使快中子变成慢中子 B．使慢中子变成快中子C．使反应速度加快 D．控制反应速度，调节反应速度的快慢2．关于我国已建成的秦山和大亚湾核电站，下列说法中正确的是( )A．它们都是利用核聚变释放原子能的B．它们都是利用核裂变释放原子能的C．核燃料都是纯铀235D．一座是利用核裂变释放原子能，一座是利用核聚变释放原子能3．有三个核反应方程分别是：(1) H+H→He+n。
高中物理 4.6 核能利用、4.7 小粒子与大宇宙每课一练 粤教版选修3-5
4.6 核能利用、4.7 小粒子与大宇宙每课一练（粤教版选修3-5）1．现已建成的核电站发电的能量主要来自于( )A．天然放射性元素衰变放出的能量B．人工放射性同位素放出的能量C．重核裂变放出的能量D．化学反应放出的能量2．(双选)关于铀核裂变，下列说法中正确的是( )A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235D．铀块的体积对产生链式反应无影响3．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，以改变中子数目D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度4．(双选)下列关于铀裂变和核电站的说法中正确的是( )A．铀235只要俘获中子就能进行链式反应B．铀235裂变后的生成物是多种多样的，但这些裂变都要发生质量亏损C．核电站中镉棒是起减速剂的作用D．核电站使用后的核废料必须装入特制容器，深埋地下5．我国物理学家钱三强、何泽慧夫妇，1947年在法国巴黎发现了铀的三分裂和四分裂，这是我国科学家在核物理研究中做出的贡献，它是将中子打入铀核后所发生的核反应，它属于( )A．人工核转变B．重核的裂变C．铀核的衰变D．轻核的聚变6.235 92U吸收一个慢中子后，分裂成136 54Xe和9038Sr，并生成下列什么粒子( )A．一个α粒子B．3个中子C．10个中子D．10个质子7．(双选)已知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(反夸克或反夸克)组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷.下列说法正确的是( )A．π＋由u和组成B．π＋由d和组成C．π－由u和组成D．π－由d和组成8.2011年3月11日，日本发生九级大地震，造成福岛核电站严重的核泄漏事故．在泄漏的污染物中含有131I和137Cs两种放射性核素，它们通过一系列衰变产生对人体有危害的辐射．在下列四个式子中，有两个能分别反映131I和137Cs的衰变过程，它们分别是________和________(填入正确选项前的字母).131I和137Cs原子核中的中子数分别是________和________．9．现在，科学家们正在设法寻找“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同质量和相同电荷量，但电荷的电性相反，据此，若有反α粒子，它的质量数为________，电荷数为________．11.茫茫宇宙空间存在大量的宇宙射线，对宇航员构成了很大的威胁．现有一束射线(含有α、β、γ三种射线)(1)在不影响β和γ射线的情况下，如何用最简单的办法除去α射线？图2(2)余下的这束β和γ射线经过如图2所示的一个使它们分开的磁场区域，请画出β和γ射线进入磁场区域后的轨迹示意图．(画在图5上)(3)用磁场可以区分β和γ射线，但不能把α射线从γ射线束中分离出来，为什么？(已知α粒子的质量约是β粒子质量的8 000倍，α射线速度约为光速的十分之一，β射线速度约为光速)．12．α衰变是指放射性元素的原子核自发地放出α射线的衰变．(1)设元素X是放射性元素，其质量数和核电荷数分别为A、Z，α衰变后的原子核是Y，写出核反应方程．(2)α衰变释放的能量称为α衰变能，用Q表示，设原子核X、Y和α衰变多数发生在核质量数大于209的重核，试证明α衰变能的98%以上表现为α粒子的动能．参考答案1．C [核电站发电的能量主要来自于重核的裂变放出的能量，正确选项为C.] 2．BC [铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，并放出几个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，且可以俘获各种能量的中子而引起裂变，而铀238只有俘获能量在1 MeV 以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小；而要引起链式反应，须使铀块体积超过临界体积．故上述选项B 、C 正确．]3．C [控制核反应的速度是靠调节中子数目来实现，即用镉棒吸收中子改变中子数目．] 4．BD 5.B6．C [设放出的粒子的质量数为x ，电荷数为y ，核反应过程满足质量数守恒和电荷数守恒．由题意可得⎩⎪⎨⎪⎧235＋1＝136＋90＋x 92＝54＋38＋y则⎩⎪⎨⎪⎧x ＝10y ＝0由此判定核反应放出的一定是中子，且个数是10，C 选项正确．]7．AD8．B C 78 82解析 衰变的种类有α衰变和β衰变两类，衰变中放出的粒子是氦核或电子而不会是质子或中子，故他们不会是131I 和137Cs 的衰变．由质量数守恒和电荷数守恒可知X 2、X 3分别是13153I 、 13755Cs ，而中子数等于质量数与核电荷数的差值，故他们的中子数分别为78、82. 9．4 －2解析 由于“正α粒子”为42He ，质量数为4，电荷数为2，根据题中对“反粒子”的定义，“反α粒子”质量数也为4，而电荷数则应为－2.10．207 MeV11．(1)用一张纸放在射线前即可除去α射线 (2)见解析图 (3)α射线的圆周运动的半径很大，几乎不偏转．故与γ射线无法分离解析 (1)由于α射线贯穿能力很弱，用一张纸放在射线前即可除去α射线． (2)如图所示．。
【粤教版】高中物理选修3-5创新设计学练测(含解析)：4-64-7 核能利用 小粒子与大宇宙
第六节核能利用第七节小粒子与大宇宙[目标定位] 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、反应堆1．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：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．2．工作原理：核燃料裂变释放的能量，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．4．核污染的处理：修建很厚的水泥层，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，埋入深地层来处理．二、核电站、核能利用1．核电站利用反应堆工作时释放的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站．2．核能利用(1)核力发电；(2)核动力；(3)原子核物理实验制造各种放射性同位素．三、小粒子与大宇宙1．从小粒子到大宇宙——空间跨度(1)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．(2)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从10－15_m到1027_m，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：1018_s.(2)微观粒子的最短寿命：10－25_s.(3)物质世界的时间尺度：约从10－25_s到1018_s，跨越了将近43个数量级．预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中一、核反应堆裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理如下表：速剂．中子在重水中可与21H核碰撞减速，在石墨中与126C核碰撞减速．上述碰撞可简化为弹性碰撞模型．某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？ 答案 见解析解析 设中子质量为m n ，靶核质量为m ，由动量守恒定律得：m n v 0＝m n v 1＋m v 2由能量守恒得：12m n v 02＝12m n v 12＋12m v 22解得v 1＝m n －m m n ＋m v 0， 在重水中靶核质量m H ＝2m nv 1H ＝m n －m H m n ＋m Hv 0＝－13v 0， 在石墨中靶核质量m C ＝12m n ，v 1C ＝m n －m C m n ＋m Cv 0＝－1113v 0 与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好．借题发挥 (1)中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒、能量守恒．(2)因为靶核的质量大于中子的质量，故靶核的质量比中子的质量大得越少，减速效果越好，如质量相等时可以使中子的速度减为零．针对训练1 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，以改变中子数D ．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度答案 C解析 控制核反应的速度是靠调节中子数目来实现，即用镉棒吸收中子改变中子数目．二、核电站的工作原理核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应．铀235裂变需要一定的条件：(1)要有足够浓度的铀235；(2)要有足够数量的慢中子；(3)铀块的体积要大于临界体积．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，核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出2～3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，这就叫链式反应．原子弹中裂变一旦开始，裂变放出的快中子，又引起其他铀核裂变的速度很快，在极短的时间内释放大量的能量，因此杀伤力强大．在核电站中，核反应堆是热源，如图1为简化的核反应堆的示意图：图1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(或重水)为减速剂，使反应生成的快中子变为慢中子，利于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围．镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深些，吸收中子多，反应速度变慢，插浅一些，吸收中子少，反应速度加快．采用电子仪器自动地调节控制棒的升降，就能使反应堆安全正常地工作．【例2】在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．(1)核反应方程式23592U＋10n―→14156Ba＋9236Kr＋a X是反应堆中发生的许多核反应中的一种，10n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为________，a＝__________.以m U、m Ba、m Kr分别表示23592U、14156Ba、9236Kr的质量，m n、m p分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE ＝________.(2)有一座发电能力为P＝1.00×106kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40 %.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11J，铀核的质量m U＝390×10－27kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的23592U的质量．答案(1)10n3(m U－m Ba－m Kr－2m n)c2 (2)1 104 kg解析(1)由反应方程可知：X为10n，a为3，释放的能量为ΔE＝(m U－m Ba－m Kr－2m n)c2.(2)因核电站发电效率为40 %，故核电站消耗23592U的功率为P′＝P40 %＝1.00×10640 %kW＝2.5×106 kW.核电站每年消耗23592U的能量为W＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J 产生这些能量消耗的铀核的数目：n＝WΔE＝7.875×1016 J2.78×10－11 J≈2.83×1027(个)每年消耗23592U的质量为M＝nm U＝2.83×1027×390×10－27 kg≈1 104 kg.针对训练21964年10月16日，我国在新疆罗布泊沙漠成功地进行了第一颗原子弹试验，结束了中国无核时代．(1)原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量，由于裂变物质的体积超过临界体积而爆炸．①完成核裂变反应方程式：23592U＋10n→()Xe＋9438Sr＋210n＋200 MeV②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么？产生这种反应的条件必须是什么？(2)为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染环境，需采用哪些措施？(举两种)答案(1)①14054②链式反应中子再生率大于1(2)核反应堆外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线；放射性核废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理．三、对粒子的认识【例3】正电子、负质子等都属于反粒子，它们跟普通电子、质子的质量、电量均相等，而电性相反．科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质.1997年初和年底，欧洲和美国的科研机构先后宣布：他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是()A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成B．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成C．由一个不带电荷的中子与一个带负电荷的电子构成D．由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成答案 B解析反氢原子的结构是由反粒子构成的物质，正电子、负质子等都属于反粒子核反应堆1．原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置．它主要有哪四部分组成()A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统B．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统C．原子燃料、调速剂、碰撞系统和控制调节系统D．原子燃料、减速剂、原子能聚存系统和输送系统答案 A解析目前核反应组成有：原子燃料、减速剂、控制调节系统、与冷却系统．2．关于原子核反应堆，下列说法不正确的是()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 C解析铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，A对；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，B对；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，C 错；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，D对．核电站3．秦山核电站第三期工程的两个6×105kW发电机组已实现并网发电. 发电站的核能来源于U的裂变，下列说法正确的是()A．反应堆中核反应速度通常是采用调节U的体积来控制的B.U的一种可能的裂变是C.U是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短D．虽然核电站能提供很大的能量，但它对环境的污染比火电站严重答案 B解析反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制，A错；U裂变有多种可能性，是其中常见的一种，B对；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温度、压强等外界条件无关，C错；核电站的核能是清洁能源，污染少，D错．(时间：60分钟)题组一核反应堆1．利用重核裂变释放核能时选用铀235核，主要原因是()A．它裂变放出核能比其他重核裂变多B．它可能分裂成三部分或四部分C．它能自动裂变，与体积无关D．它比较容易发生链式反应答案 D解析铀235俘获任何能量的中子都会发生裂变反应，故D正确．2．关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是() A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度答案 C解析镉棒并不能释放中子，也不能使中子减速，对铀核裂变也没有阻碍作用，而是利用对中子吸收能力强的特点，控制中子数量的多少而控制核反应速度，故C正确．3．镉棒在核反应中的作用是()A．使快中子变成慢中子B．使慢中子变成快中子C．使反应速度加快D．控制反应速度，调节反应速度的快慢答案 D解析在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，镉棒起吸收中子，控制反应速度，调节反应速度的快慢．4．为使链式反应平稳进行，可采用下列的办法()A．铀块可制成任何的体积B．铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核C．通过慢化剂将产生的中子减速D．用镉棒可作为慢化剂使中子减速答案 C解析由于使铀块发生链式反应的体积应大于临界体积，故A错误；铀核裂变释放出的为快中子，不能直接再去轰击铀核，必须用慢化剂减速，而镉棒是用于控制中子数量的，故C正确，B、D错误．题组二核电站5．(多选)山东荣成石岛湾核电站总装机规模400 万千瓦．核电站与火电站相比较，其优势在于()A．核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量B．就可采储量来说，地球上核燃料资源远多于煤炭C．核电站造成的污染大于相等发电能力的火电站D．核电站比火电站更容易建造答案AB解析核电站与火电站相比，相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多．地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的15倍．只要措施得当，核电站造成的污染很小，核能属于清洁能源，A、B均正确，C错误；核电站的建造难度较大，D错误．6．(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是()A．核能发电对环境的污染比火力发电要小B．核能发电对环境的污染比火力发电要大C．目前所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D．目前既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能答案AC解析目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A、C正确，B、D错．7．我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U的裂变，现有四种说法：①U原子核中有92个质子，143个中子；②U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程为③235 92U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45 亿年，升高温度半衰期缩短；④一个U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×10－11 J.以上说法中完全正确的是()A．①②③B．②③④C．①③④D．①②④答案 D解析由U的质量数和电荷数关系知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；通过计算知④正确，故答案为D.题组三对粒子的认识8．现在科学家们正在设法探寻“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量，但电荷符号相反．据此，若有反α粒子，它的质量数和电荷数分别为()A．－4，－2 B．4，－2C．－4,2 D．4,2答案 B解析因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量、相同的电荷量，但电荷的符号相反．所以，反α粒子质量数为4，电荷数为－2.9．K－介子衰变的方程为K－―→π－＋π0.其中K－介子和π－介子是带负电的基元电荷，π0介子不带电．如图1所示的1个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径R K－与Rπ－之比为2∶1.π0介子的轨迹未画出．由此可知π－的动量大小与π0的动量的大小之比为()图1A．1∶1 B．1∶2C．1∶3 D．1∶6答案 C解析带电粒子K－与π－在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力Bq v＝m v2R得R＝m vBq＝pBq，K－介子与π－介子带电量相同，故运动的半径之比等于动量之比p K－∶pπ－＝R K－∶Rπ－＝2∶1，在衰变后π－介子与π0介子动量方向相反，设K－介子的动量为正，则π－介子动量为负值，由动量守恒p K－＝－pπ－＋pπ0，则pπ－∶pπ0＝1∶3故A、B、D错，C对．题组四综合应用10．如下一系列核反应是在恒星内部发生的：其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，μ为一种中微子．已知质子的质量m p ＝1.672 648×10－27kg，α粒子的质量mα＝6.644 929×10－27kg，正电子的质量m e＝9.11×10－31 kg，中微子的质量可忽略不计．真空中的光速c＝3.0×108m/s.试计算该系列反应完成后释放的能量．答案 3.95×10－12 J解析为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的各核反应方程左、右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为4p―→α＋2e＋＋2μ.设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得4m p c2＝mαc2＋2m e c2＋Q，代入数据可得Q≈3.95×10－12 J.11．一个原来静止的锂核(63Li)俘获一个速度为7.7×104 m/s的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103 m/s，方向与中子的运动方向相反．(1)试写出核反应方程；(2)求出氦核的速度大小；(3)若一个氘核和一个氚核发生聚变时可产生一个氦核，同时放出一个中子，求这个核反应释放出的能量．(已知氘核质量为m D＝2.014 102 u，氚核质量为m T ＝3.016 050 u，氦核质量m He＝4.002 603 u，中子质量m n＝1.008 665 u,1 u＝1.660 6×10－27 kg)答案 (1)63Li ＋10n ―→31H ＋42He(2)2×104 m/s(3)2.82×10－12 J解析 (1)63Li ＋10n ―→31H ＋42He(2)取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得 m n v 0＝－m T v 1＋m He v 2v 2＝m n v 0＋m T v 1m He＝1×7.7×104＋3×1.0×1034 m/s ＝2×104 m/s(3)质量亏损为Δm ＝m D ＋m T －m He －m n＝(2.014 102＋3.016 050－4.002 603－1.008 665) u ＝0.018 884 u ≈3.136×10－29 kg根据爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2＝3.136×10－29×(3×108)2 J ≈2.82×10－12 J。
高中物理第四章原子核4.6核能利用教案粤教版选修
4.6 核能利用课堂互动三点剖析对核反应堆的理解在核电站中，核反应堆是热源，如图4-6-1为简化的核反应堆的示意图：图4-6-2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）为减速剂，使反应生成的快速中子变为慢中子，便于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围.镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒，控制棒插入深些，吸收中子多，反应速度变慢，插浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动地调节控制棒的升降，就能使反应堆安全正常地工作.核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠或二氧化碳作冷却剂，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，很厚的混凝土防护层可以防止辐射线射到外面.各个击破【例题】核反应堆的燃料是_____________，石墨、重水等作为_____________使裂变时产生的中子速度减小，易于被铀核吸收；用镉棒_____________以控制核反应的_____________，再用水等流体在反应堆内外循环流动传输反应中产生的热量.解析：在核反应堆中的核燃料是铀235，用石墨、重水等作减速剂，用镉棒来吸收中子，以控制反应速度.答案：铀235 减速剂 吸收中子 速度类题演练1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 ）解析：一昼夜消耗的铀所产生的核能ΔE=200×235220×6.02×1023J 电功率P=W E 360024%251002.62352002007%2523⨯⨯⨯⨯⨯=⨯∆=5.2×107 W 答案：5.2×107 W类题演练2试求在氢弹中当合成1 kg 的氦时所释放出的能量.（氘核21 H 的质量为2.013 6 u,氚核H 31的质量为3.016 6 u,氦核He 42的质量为4.002 6 u,中子的质量为1.008 7 u ）解析：设弹壳内装的是氘和氚轻元素，它们在高温下聚变生成氦，核聚变方程为H 21+H 31H 42−→−+n 10.当一个氘核H 21与一个氚核H 31发生反应时放出的能量为 ΔE=Δm·c 2=（2.013 6+3.016 6-4.002 6-1.008 7）×931.5 MeV=17.6 MeV. 1 kg 氦（He 42）中所含的原子核数目为N=nN A =0026.41000×6.02×1023=1.5×1026个. 这样合成1 kg 氦He 42核时所放出的总能量为E=N·ΔE=1.5×1026×17.6 MeV=2.64×1027 MeV.答案：在氢弹中合成1 kg 的氦所释放出的能量为2.64×1027 MeV.。
高中物理第四章原子核4.7小粒子与大宇宙教案粤教版选修3_5
1 4.7 小粒子与大宇宙课堂互动三点剖析一、关于粒子因为所谓的“基本粒子”，本身也是复合粒子，它们也还有着自己的复杂的结构.科学家们后来发现了很多新粒子,更进一步证明了这一点.20世纪以来，人类陆续发现了正电子、μ子、k 介子和π介子、超子等更微小的粒子，它们“个头”很小，有的稳定存在，有的寿命极短.二、对宇宙大爆炸模型的正确理解1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙.美籍俄国天体物理学家伽莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙理论中，提出了热大爆炸宇宙模型:宇宙开始于高温、高密度的原始物质，最初的温度超过几十亿度，随着温度的继续下降，宇宙开始膨胀. 各个击破【例1】 下列所述正确的是（ ）A.原子是组成物质的不可再分的最小粒子B.原子是最大的粒子C.原子由原子核和核外电子构成，质子和中子组成了原子核D.质子、中子本身也是复合粒子，它们也有着自己复杂的结构答案：CD【例2】 科学家发现太空中的γ射线一般都是从很远的星体放射出来的.当γ射线爆发时，在数秒钟内所产生的能量相当于太阳在过去100亿年所发生的能量的总和的1 000倍左右，大致相当于将太阳的全部质量转变为能量的总和.科学家利用超级计算机对γ射线的状态进行了模拟.经模拟发现γ射线爆发是起源于一个垂死的星球的“坍缩”过程，只有星球“坍缩”时，才可以发出这么巨大的能量.已知太阳光照射到地球上大约需要8分20秒时间，由此来估算：在宇宙中，一次γ射线爆发所放出的能量.（万有引力常数G=6.67×10-11 N·m 2·k g -2,1年时间约为3.15×107s ）解析：r=ct=3×108×500=1.5×1011 m,地球做匀速圆周运动，万有引力为向心力：2224T r m r GMm π=,太阳的质量为 M=2711311232)1015.3(1067.6)105.1(1044⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-GT r πkg=2.0×1030 kg,γ射线爆发所发出的能量： E=Mc 2=2.0×1030×(3×108)2 J=1.8×1047J.答案：1.8×1047 J。
高中物理 4.6+7 核能利用 小粒子与大宇宙知能演练 粤
第六节核能利用第七节小粒子与大宇宙基础达标1．关于我国已建成的秦山和大亚湾核电站，下列说法中正确的是( )A．它们都是利用核聚变释放原子能的B．它们都是利用核裂变释放原子能的C．两者的核燃料都是纯铀235D．一座是利用核裂变释放原子能，一座是利用核聚变释放原子能解析：现在我们平时利用的核能只能通过核裂变产生，还没有实现可控热核反应，核燃料是天然铀或浓缩铀．答案：B2．目前核电站利用的核反应是( )A．裂变，核燃料为铀 B．聚变，核燃料为铀C．裂变，核燃料为氘 D．聚变，核燃料为氘解析：目前核电站利用的核反应是重核裂变，主要原料是铀核，故A对．答案：A3．在核反应堆外修建很厚的水泥层是为了防止( )A．核爆炸 B．放射线外泄C．核燃料外泄 D．慢中子外泄解析：核外反应堆的核燃料一般是铀235，它具有很强的放射性，其衰变时放出的射线能对人体造成极大的伤害，在其外修建很厚的水泥层就是为了防止放射线外泄，则B正确．答案：B4．(2012·天津卷)下列说法中正确的是( )A ．采用物理或化学方法可以有效地改变放射性元素的半衰期B ．由波尔理论知道氢原子从激发态跃迁到基态时会放出光子C ．从高空对地面进行遥感摄影是利用紫外线良好的穿透能力D ．原子核所含核子单独存在时的总质量小于该原子核的质量解析：半衰期是原子的物理属性，不能采用物理或化学方法改变，A 项错误；高空遥感是利用红外线技术，C 项错误；由于核子结合为原子核时能量增加必然存在质量亏损，D 项错误；氢原子从高能量的激发态跃迁到低能量的基态时放出能量，所以放出光子，B 项正确．答案：B5. K －介子衰变方程为：K －→π－＋π0其中K －介子和π－介子带负的基元电荷，π0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中，其轨迹为圆弧AP ，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB ，两轨迹在P 点相切，它们半径R K －与R π－之比为21(π0介子的轨迹未画出)由此可知π－的动量大小与π0的动量大小之比为( )A ．11B ．12C ．13D ．16解析：由R ＝mvBq(K －介子与π－介子电荷量相同)和半径R K －与R π－之比为21可知K －介子的动量是π－介子的2倍．设K －介子的动量为2p ，则π－介子的动量为－p ，若π0介子的动量为p 0，由动量守恒有2p ＝－p ＋ p 0求得p 0＝3p .答案：C能力提升6．我国秦山核电站笫三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于的裂变，现有四种说法：①原子核中有92个质子，有143个中子②的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为：③是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度，半衰期缩短④一个裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×10－11 J以上说法中完全正确的是( )A．①②③ B．②③④C．①③④ D．①②④解析：由的质量数和电荷数关系易知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰．故③错误；通过计算知④正确．答案：D7．(2012·海南高考)2011年3月11日，日本发生九级大地震，造成福岛第一核电站严重的核泄漏事故．在泄漏的污染物中含有131I和137Cs两种放射性核素，它们通过一系列衰变产生对人体有危害的辐射．在下列四个式子中，有两个能分别反映131I和137Cs的衰变过程，它们分别是______和______(填入正确选项前的字母).131I和137Cs原子核中的中子数分别是______和________．A．X1→137 56Ba＋10nB．X2→131 54Xe＋0－1eC．X3→137 56Ba＋0－1eD．X4→131 54Xe＋11H解析：衰变的种类有α衰变和β衰变两类，衰变中放出的粒子是氦核或电子而不会是质子或中子，故A、D不会是131I和137Cs的衰变．由质量数守恒和电荷数守恒可知X2、X3分别是13153I、13755Cs，而中子数等于质量数与核电荷数的差值，故他们的中子数分别为78、82.答案：B C 78 828．某核反应方程为21H ＋31H→42He ＋X.已知21H 的质量为2.013 6 u.31H 的质量为3.018 u ，42He 的质量为4.002 6 u ，X 的质量为1.008 7 u ．则下列说法中正确的是( )A ．X 是质子，该反应释放能量B ．X 是中子，该反应释放能量C ．X 是质子，该反应吸收能量D ．X 是中子，该反应吸收能量解析：由质量数守恒有，X 核的核子数A ＝2＋3－4＝1.由电荷数守恒有，X 核的质子数：Z ＝1＋1－2＝0.由此可得X 是中子．由题目给出的已知条件，可算出反应后的质量亏损：Δm＝(2.013 6＋3.018－4.002 6－1.008 7) u ＝0.020 3 u ＞0.由于反应过程存在质量亏损，因此该反应必定释放能量．故B 对．答案：B9．(双选)已知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，它们的带电量如下表所示，表中e 为元电荷.π＋π－u d u d 带电量＋e－e＋23e －13e －23e ＋13e A ．π＋由u 和d 组成 B ．π＋由d 和u 组成 C ．π－由u 和d 组成 D ．π－由d 和u 组成解析：根据电荷量关系可知由于π＋介子带有＋e 的电荷量，又由于π＋介子是由一个夸克和一个反夸克组成，根据题意可知π＋介子(＋e )应由一个夸克u(＋23e ) 和一个反夸克d (＋13e )组成，故A 对，B 错；同理π－介子由夸克d 和夸克u 组成，故C 错，D 正确．答案：AD基本粒子的分类所谓基本粒子就是构成物质的最基本的单元．根据作用力的不同，粒子分为强子、轻子和传播子三大类．强子就是所有参与强力作用的粒子的总称．它们由夸克组成，已发现的夸克有五种，它们是：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克．理论预言还有第六种夸克存在，已命名为顶夸克，但目前尚未发现．现有粒子中绝大部分是强子，质子、中子、π介子等都属于强子．轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子的总称．轻子共有六种，包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子．电子、μ子和τ子是带电的，所有的中微子都不带电；τ子是1975年发现的重要粒子，不参与强作用，属于轻子，但是它的质量很重，是电子的3 600倍，质子的1.8倍，因此又叫重轻子．传播子也属于基本粒子．传递强作用的胶子共有8种，1979年在三喷注现象中被间接发现，它们可以组成胶子球，但至今尚未被直接观测到．传递弱作用的是W＋，W－和Z0.中间玻色子是1983年发现的，非常重，是质子的80～90倍．基本粒子要比原子、分子小得多，现有最高倍的电子显微镜也不能观察到．质子、中子的大小，只有原子的十万分之一．而轻子和夸克的尺寸更小，还不到质子、中子的万分之一．粒子的质量是粒子的另外一个主要特征量．按照粒子物理的规范理论，所有规范粒子的质量为零，而规范不变性以某种方式被破坏了，使夸克、带电轻子、中间玻色子获得质量．现有的粒子质量范围很大，从0到90 GeV.光子、胶子是无质量的，电子质量很小，只有0.5 MeV，π介子质量为电子质量的280倍；质子、中子都很重，接近电子质量的2 000倍，约为1 GeV，已知最重的粒子是Z0，其质量为90 GeV.已发现的五种夸克，从下夸克到底夸克，质量从轻到重．下夸克质量只有0.3 GeV，而底夸克重达5 GeV，顶夸克还没有被发现，理论预言它的质量可能超过100 GeV.中微子的质量非常小，目前已测得的电子中微子的质量小于7 eV，即为电子质量的七万分之一，已非常接近零．粒子的寿命是粒子的第三个主要特征量．电子、质子、中微子是稳定的，称为“长寿命”粒子；而其他绝大多数的粒子是不稳定的，即可以衰变．一个自由的中子会衰变成一个质子、一个电子和一个中微子；一个π介子衰变成一个μ子和一个中微子．粒子的寿命以强度衰减到一半的时间来定义．质子是最稳定的粒子，实验已测得的质子寿命大于1033年．粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子.1932年科学家发现了一个与电子质量相同但带一个正电荷的粒子，称为正电子；后来又发现了一个带负电、质量与质子完全相同的粒子，称为反质子；随后各种反夸克和反轻子也相继被发现．一对正、反粒子相碰可以湮灭，变成携带能量的光子，即粒子质量转变为能量；反之，两个高能粒子碰撞时有可能产生一对新的正、反粒子，即能量也可以转变成具有质量的粒子．粒子还有另一种属性——自旋．自旋为半整数的粒子称为费米子，为整数的称为玻色子．物质是不断运动和变化的，在变化中也有些东西不变，即守恒．粒子的产生和衰变过程就要遵循能量守恒定律．此外还有其他的守恒定律，例如轻子数和夸克数守恒，这是基于实验上观察不到单个轻子和夸克的产生和湮灭，必须是粒子、反粒子成对地产生和湮灭而总结出来的．微观世界的粒子具有双重属性粒子性和波动性．描述粒子的粒子性和波动性的双重属性，以及粒子的产生和消灭过程的基本理论是量子场论．量子场论和规范理论十分成功地描述了粒子及其相互作用．。
2020-2021学年高中物理粤教版选修3-5 第四章原子核第六、七节核能利用小粒子与大宇宙教学案
第六、七节核能利用小粒子与大宇宙1．核反应堆是人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来。
2．反应堆里用的铀棒是天然铀或浓缩铀;石墨、重水的作用是使快中子变成慢中子,充当减速剂；镉棒的作用是吸收减速后的中子，控制反应速度，充当控制棒。
3．为了防止铀核裂变物放出的射线对人体的危害，在反应堆外面要修建很厚的水泥防护层来屏蔽射线，对放射性的废料也要装入特制的容器，埋入深地层来处理.4．我国已于广东大亚湾建成两座核电站，还有浙江的秦山核电站。
5．人类目前能够观测到的最大距离约是140亿光年之远。
这一距离可以看成是目前观测到的宇宙半径。
6．对宇宙的时空结构、运动形态和物体演化的理论描述，称为宇宙模型。
大爆炸宇宙模型是一种被普遍接受的模型，它认为，宇宙起源于大约150亿年前突然发生的一次大爆炸,其后逐渐诞生出星球、星系、脉冲星、超新星、黑洞以及被称作类星体的遥远发光体等等，经历150亿年才演化成今天的样子。
7．人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从10－15 m到1027 m，共跨越了大约42个数量级；目前所知的微观粒子中，寿命最短的只有10－25 s，可见,物质世界的时间尺度，约从10－25 s到1018 s,也跨越了将近43个数量级。
核反应堆1如图4－6－1所示为简化的核反应堆示意图图4－6－1(1）核燃料:反应堆使用天然铀或浓缩铀(铀235占3%～4%)制成铀棒，作为核燃料，释放核能。
(2）中子减速剂:铀235具有易俘获慢中子,不易俘获快中子的特点。
而核反应中释放的中子多数为快中子，应使用减速剂使它们的速度降下来。
常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水。
（3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法增减中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子能力很强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度。
（4）保护层:核反应堆外层是很厚的水泥壁。
可防止射线辐射出去。
(5)热交换器:靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动,把产生的热量传输出去.2．核反应堆的用途。
2020粤教版高中物理选修354.64.7核能利用小粒子与大宇宙一课三练
第六节核能利用第七节小粒子与大宇宙1．(1)核电站：是利用核能发电，它的核心设施是________，它主要由以下几部分组成：①燃料：______；②减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用________、________________作减速剂；③控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉____________________________的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．(2)工作原理：核燃料______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______________________，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．(4)核污染的处理：为避免________对人体的伤害，在反应堆的外面需要修建很厚的____________，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，核废料具有很强的________，需要装入特制的容器，__________.2．宇宙模型是指对宇宙的时空结构、运动形态和物体演化的理论描述．________宇宙模型是一种被普通接受的模型．人类目前所能研究的物质世界的空间尺度约从__________到________，共跨越了大约42个数量级．3．常见的粒子，质子、电子、光子等是________的粒子，其余的绝大多数基本粒子都是________，在很短时间内就发生衰变，物质世界的时间尺度约从__________到__________，跨越了将近43个数量级．4．基本粒子的发现和夸克模型(1)基本粒子①新粒子：1932年发现了________，1937年发现________，1947年发现K 介子和±π介子及以后发现的超子、反粒子等．②分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为：强子、轻子和________．(2)夸克模型①夸克模型的提出：1964年美国物理学家提出了强子的夸克模型，认为强子是由________构成的．②分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷分别为元电荷的________或________，每种夸克都有对应的________．③意义：电子电荷不再是电荷的______________，即存在分数电荷．【概念规律练】知识点一核能利用1．目前核电站利用的核反应是()A．裂变，核燃料为铀B．α衰变，核燃料为铀C．裂变，核燃料为氘D．β衰变，核燃料为氘2．原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等．在下列核反应中，属于核裂变反应的是()3．人类认识原子结构和开发利用原子能经历了十分曲折的过程．请按要求回答下列问题．(1)卢瑟福、玻尔、查德威克等科学家在原子结构或原子核的研究方面做出了卓越的贡献．请选择其中的两位，指出他们的主要成绩．①_______________________________________________________________ _________.②_______________________________________________________________ _________.在贝克勒尔发现天然放射现象后，人们对放射线的性质进行了深入研究，图1为三种射线在同一磁场中的运动轨迹，请从三种射线中任选一种，写出它的名称和一种用途．图1(2)在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、重水和石墨等常用作减速剂．中子在重水中可与21H核碰撞减速，在石墨中与12 6C核碰撞减速．上述碰撞可简化为弹性碰撞模型．某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？知识点二对粒子的认识4．正电子是电子的反粒子，它跟普通电子的电荷量相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质.1997年初和年底，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布，他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是() A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成B．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成C．由一个不带电的中子与一个带负电荷的电子构成D．由一带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成5．目前普通认为，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．u夸克带电荷量为23e，d夸克带电荷量为－13e，e为元电荷．下列论断可能正确的是()A．质子由1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1个u夸克和1个d夸克组成【方法技巧练】粒子间相互作用问题的分析方法6．在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中11H的核反应，间接地证实了中微子的存在．(1)中微子与水中的11H发生核反应，产生中子(10n)和正电子(0＋1e)，即中微子＋11H→10n＋0＋1e可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________．(填写选项前的字母) A ．0和0 B ．0和1 C ．1和0D ．1和1(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即0＋1e ＋ 0－1e →2γ已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31 kg ，反应中产生的每个光子的能量约为__________J ．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是________________________________________________________________________．(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小． 1．现已建成的核电站发电的能量主要来自于( ) A ．天然放射性元素衰变放出的能量 B ．人工放射性同位素放出的能量 C ．重核裂变放出的能量 D ．化学反应放出的能量2．(双选)关于铀核裂变，下列说法中正确的是( )A ．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B ．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子C ．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235D ．铀块的体积对产生链式反应无影响3．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，以改变中子数目D ．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度4．(双选)下列关于铀裂变和核电站的说法中正确的是( ) A ．铀235只要俘获中子就能进行链式反应B ．铀235裂变后的生成物是多种多样的，但这些裂变都要发生质量亏损C．核电站中镉棒是起减速剂的作用D．核电站使用后的核废料必须装入特制容器，深埋地下5．我国物理学家钱三强、何泽慧夫妇，1947年在法国巴黎发现了铀的三分裂和四分裂，这是我国科学家在核物理研究中做出的贡献，它是将中子打入铀核后所发生的核反应，它属于()A．人工核转变B．重核的裂变C．铀核的衰变D．轻核的聚变6.235 92U吸收一个慢中子后，分裂成136 54Xe和9038Sr，并生成下列什么粒子()A．一个α粒子B．3个中子C．10个中子D．10个质子7．(双选)已知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(反夸克或反夸克)组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷.π＋π－u d u d带电荷量＋e －e ＋23e －13e －23e ＋13e下列说法正确的是()A．π＋由u和组成B．π＋由d和组成C．π－由u和组成D．π－由d和组成题号 1 2 3 4 5 6 7 答案8.2011年3月11日，日本发生九级大地震，造成福岛核电站严重的核泄漏事故．在泄漏的污染物中含有131I和137Cs两种放射性核素，它们通过一系列衰变产生对人体有危害的辐射．在下列四个式子中，有两个能分别反映131I和137Cs 的衰变过程，它们分别是________和________(填入正确选项前的字母).131I和137Cs原子核中的中子数分别是________和________．9．现在，科学家们正在设法寻找“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同质量和相同电荷量，但电荷的电性相反，据此，若有反α粒子，它的质量数为________，电荷数为________．11.茫茫宇宙空间存在大量的宇宙射线，对宇航员构成了很大的威胁．现有一束射线(含有α、β、γ三种射线)(1)在不影响β和γ射线的情况下，如何用最简单的办法除去α射线？图2(2)余下的这束β和γ射线经过如图2所示的一个使它们分开的磁场区域，请画出β和γ射线进入磁场区域后的轨迹示意图．(画在图5上)(3)用磁场可以区分β和γ射线，但不能把α射线从γ射线束中分离出来，为什么？(已知α粒子的质量约是β粒子质量的8 000倍，α射线速度约为光速的十分之一，β射线速度约为光速)．12．α衰变是指放射性元素的原子核自发地放出α射线的衰变．(1)设元素X是放射性元素，其质量数和核电荷数分别为A、Z，α衰变后的原子核是Y，写出核反应方程．(2)α衰变释放的能量称为α衰变能，用Q表示，设原子核X、Y和α衰变多数发生在核质量数大于209的重核，试证明α衰变能的98%以上表现为α粒子的动能．第六节核能利用第七节小粒子与大宇宙课前预习练1．(1)反应堆①铀棒②石墨重水和普通水③吸收中子(2)裂变(3)循环流动(4)核射线水泥防护层放射性深埋地下2．大爆炸10－15 m1027 m3．稳定不稳定的10－25 s1018 s4．(1)①正电子μ子②媒介子(2)①夸克②＋23－13反夸克③最小单元课堂探究练1．A[目前核电站使用的裂变材料是铀，铀在地壳中的含量较高，铀发生裂变反应产生大量的热量，驱动汽轮机发电．]2．D [裂变是重核俘获中子后变成中等质量的原子核，同时还要放出几个中子的过程，故只有选项D 正确．]3．见解析解析 (1)卢瑟福提出了原子的核式结构模型(或其他成就) 玻尔把量子理论引入原子模型，并成功解释了氢光谱(或其他成就) 查德威克发现了中子(或其他成就)射线2为γ射线，穿透力强，可用于金属探伤(2)设中子质量为mn ，靶核质量为m ，由动量守恒定律： mnv 0＝mnv 1＋mv 2由能量守恒：12mnv 20＝12mnv 21＋12mv 22 解得：v 1＝mn －m mn ＋m v 0在重水中靶核质量：m H ＝2mn 在石墨中靶核质量：m C ＝12mn与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好．4．B [氢原子是由质子和电子构成，那么反氢原子也应由它们的反粒子构成，即反质子和反电子，因此B 正确，A 、C 、D 错．]5．B [质子带电荷量为e ，中子不带电，组成质子的u 夸克和d 夸克带电荷量之和应等于质子的电荷量，组成中子的u 夸克和d 夸克所带电荷量之和应等于中子的电荷量，即为零．]6．(1)A (2)8.2×10－14 碰撞过程中遵循动量守恒 (3)λn <λe解析 (1)在核反应中，由质量数和电荷数守恒可知A 正确． (2)2mc 2＝2EE ＝mc 2＝8.2×10－14 J ，在碰撞过程中遵循动量守恒，如果是产生一个光子，合动量为零，光子的速度为零，与实际光子的运动状况矛盾．(3)粒子的动量p ＝物质波的波长λ＝hp课后巩固练1．C [核电站发电的能量主要来自于重核的裂变放出的能量，正确选项为C.]2．BC [铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，并放出几个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，且可以俘获各种能量的中子而引起裂变，而铀238只有俘获能量在1 MeV 以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小；而要引起链式反应，须使铀块体积超过临界体积．故上述选项B 、C 正确．]3．C [控制核反应的速度是靠调节中子数目来实现，即用镉棒吸收中子改变中子数目．]4．BD 5.B6．C [设放出的粒子的质量数为x ，电荷数为y ，核反应过程满足质量数守恒和电荷数守恒．由题意可得⎩⎨⎧ 235＋1＝136＋90＋x 92＝54＋38＋y 则⎩⎨⎧x ＝10y ＝0由此判定核反应放出的一定是中子，且个数是10，C 选项正确．] 7．AD8．B C 78 82解析 衰变的种类有α衰变和β衰变两类，衰变中放出的粒子是氦核或电子而不会是质子或中子，故他们不会是131I 和137Cs 的衰变．由质量数守恒和电荷数守恒可知X 2、X 3分别是131 53I 、13755Cs ，而中子数等于质量数与核电荷数的差值，故他们的中子数分别为78、82.9．4 －2解析 由于“正α粒子”为42He ，质量数为4，电荷数为2，根据题中对“反粒子”的定义，“反α粒子”质量数也为4，而电荷数则应为－2.10．207 MeV11．(1)用一张纸放在射线前即可除去α射线 (2)见解析图 (3)α射线的圆周运动的半径很大，几乎不偏转．故与γ射线无法分离解析(1)由于α射线贯穿能力很弱，用一张纸放在射线前即可除去α射线．(2)如图所示．。
高中物理第四章原子核4.6核能利用4.7小粒子与大宇宙课件粤教版选修3_5
一二
知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用
【例1】 原子反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置, 它主要由四部分组成( ) A.原子燃料、减速剂、冷却系统、控制调节系统 B.原子燃料、减速剂、发热系统、传热系统 C.原子燃料、减速剂、碰撞系统、传热系统 D.原子燃料、中子源、原子能储存系统、输送系统
一二
一、核电站
知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用
1.核电站的工作原理 原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来.核电站 是利用缓慢释放的核能来发电,这是核能的和平利用.现在世界上 已有不少国家建有核电站,我国已建成使用和正在建设的核电站必 将为现代化的建设提供能源保障. 2.核反应堆——核电站的心脏 裂变反应堆是核电站的“心脏”,这是一种人工控制链式反应的装置, 可以使核能较平缓地释放出来,裂变反应堆的结构和工作原理如下 表.
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一二三
目前世界上各个国家的核电站是利用核裂变还是核聚变获得核 能的?
答案:目前核裂变的和平利用技术已经成熟,但核聚变的控制技 术尚处在试验阶段.所以目前世界上的所有核电站都是利用核裂变 来获得核能的.
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一二三
三、小粒子与大宇宙 1.空间跨度 (1)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
石墨
阻止中子逃逸
层)
热交 换器
水
产生高温高压蒸汽,推 动蒸汽轮机,带动发电 机发电
金属套、
防护 水层 防止射线泄漏对人体
层 和钢筋 及其他生物体的伤害
混凝土
一二
知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用
衰变反应为放热反应,为什么核电站中反应堆采用核裂变放能, 而不采用衰变放能?
高二物理学案 4.6 核能利用、4.7 小粒子与大宇宙 (粤教版选修3-5)
4.6 核能利用、4.7 小粒子与大宇宙学案（粤教版选修3-5）1．(1)核电站：是利用核能发电，它的核心设施是________，它主要由以下几部分组成：①燃料：______；②减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用________、________________作减速剂；③控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉____________________________的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．(2)工作原理：核燃料______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______________________，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．(4)核污染的处理：为避免________对人体的伤害，在反应堆的外面需要修建很厚的____________，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，核废料具有很强的________，需要装入特制的容器，__________.2．宇宙模型是指对宇宙的时空结构、运动形态和物体演化的理论描述．________宇宙模型是一种被普通接受的模型．人类目前所能研究的物质世界的空间尺度约从__________到________，共跨越了大约42个数量级．3．常见的粒子，质子、电子、光子等是________的粒子，其余的绝大多数基本粒子都是________，在很短时间内就发生衰变，物质世界的时间尺度约从__________到__________，跨越了将近43个数量级．4．基本粒子的发现和夸克模型(1)基本粒子①新粒子：1932年发现了________，1937年发现________，1947年发现K介子和±π介子及以后发现的超子、反粒子等．②分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为：强子、轻子和________．(2)夸克模型①夸克模型的提出：1964年美国物理学家提出了强子的夸克模型，认为强子是由________构成的．②分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷分别为元电荷的________或________，每种夸克都有对应的________．③意义：电子电荷不再是电荷的______________，即存在分数电荷．【概念规律练】知识点一核能利用1．目前核电站利用的核反应是( )A．裂变，核燃料为铀B．α衰变，核燃料为铀C．裂变，核燃料为氘D．β衰变，核燃料为氘2．原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等．在下列核反应中，属于核裂变反应的是( )3．人类认识原子结构和开发利用原子能经历了十分曲折的过程．请按要求回答下列问题．(1)卢瑟福、玻尔、查德威克等科学家在原子结构或原子核的研究方面做出了卓越的贡献．请选择其中的两位，指出他们的主要成绩．①________________________________________________________________________.②________________________________________________________________________.在贝克勒尔发现天然放射现象后，人们对放射线的性质进行了深入研究，图1为三种射线在同一磁场中的运动轨迹，请从三种射线中任选一种，写出它的名称和一种用途．图1(2)在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、重水和石墨等常用作减速剂．中子在重水中可与21H核碰撞减速，在石墨中与126C核碰撞减速．上述碰撞可简化为弹性碰撞模型．某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？知识点二 对粒子的认识4．正电子是电子的反粒子，它跟普通电子的电荷量相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质.1997年初和年底，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布，他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是( )A ．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成B ．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成C ．由一个不带电的中子与一个带负电荷的电子构成D ．由一带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成5．目前普通认为，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．u 夸克带电荷量为23e ，d 夸克带电荷量为－13e ，e 为元电荷．下列论断可能正确的是( ) A ．质子由1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1个u 夸克和1个d 夸克组成【方法技巧练】粒子间相互作用问题的分析方法6．在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中11H 的核反应，间接地证实了中微子的存在．(1)中微子与水中的11H 发生核反应，产生中子(10n)和正电子( 0＋1e)，即中微子＋11H →10n ＋ 0＋1e可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________．(填写选项前的字母)A ．0和0B ．0和1C ．1和0D ．1和1(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即0＋1e ＋ 0－1e →2γ已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31 kg ，反应中产生的每个光子的能量约为__________J ．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是________________________________________________________________________．(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小．参考答案课前预习练1．(1)反应堆 ①铀棒 ②石墨 重水和普通水 ③吸收中子 (2)裂变 (3)循环流动 (4)核射线 水泥防护层 放射性 深埋地下2．大爆炸 10－15 m 1027 m3．稳定 不稳定的 10－25 s 1018 s4．(1)①正电子 μ子 ②媒介子 (2)①夸克 ②＋23 －13反夸克 ③最小单元 课堂探究练1．A [目前核电站使用的裂变材料是铀，铀在地壳中的含量较高，铀发生裂变反应产生大量的热量，驱动汽轮机发电．]2．D [裂变是重核俘获中子后变成中等质量的原子核，同时还要放出几个中子的过程，故只有选项D 正确．]3．见解析解析 (1)卢瑟福提出了原子的核式结构模型(或其他成就)玻尔把量子理论引入原子模型，并成功解释了氢光谱(或其他成就)查德威克发现了中子(或其他成就)射线2为γ射线，穿透力强，可用于金属探伤(2)设中子质量为mn ，靶核质量为m ，由动量守恒定律：mnv 0＝mnv 1＋mv 2由能量守恒：12mnv 20＝12mnv 21＋12mv 22解得：v 1＝mn －m mn ＋m v 0在重水中靶核质量：m H ＝2mn在石墨中靶核质量：m C ＝12mn与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好．4．B [氢原子是由质子和电子构成，那么反氢原子也应由它们的反粒子构成，即反质子和反电子，因此B 正确，A 、C 、D 错．]5．B [质子带电荷量为e ，中子不带电，组成质子的u 夸克和d 夸克带电荷量之和应等于质子的电荷量，组成中子的u 夸克和d 夸克所带电荷量之和应等于中子的电荷量，即为零．]6．(1)A (2)8.2×10－14 碰撞过程中遵循动量守恒(3)λn <λe解析 (1)在核反应中，由质量数和电荷数守恒可知A 正确．(2)2mc 2＝2EE ＝mc 2＝8.2×10－14 J ，在碰撞过程中遵循动量守恒，如果是产生一个光子，合动量为零，光子的速度为零，与实际光子的运动状况矛盾．(3)粒子的动量p ＝物质波的波长λ＝h p。
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4.6-4.7 核能利用小粒子与大宇宙学案
（2020年粤教版高中物理选修3-5）
第六节第六节核能利用核能利用
第七节第七节小粒子与大宇宙小粒子与大宇宙学科素养与目标要求物理观念
1.了解反应堆的工作原理.
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.科学态度与责任
1.如何获取更安全.更丰富的能源.
2.了解如何防止核污染.
一.反应堆
1.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减速剂使铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨.重水作减速剂；3控制棒为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度.
2.工作原理核燃料裂变释放的能量，使反应堆的温度升高.
3.能量输出利用水.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.
4.核污染的处理；修建很厚的水泥防护层，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，埋入深地层来处理.
二.核电站.核能利用
1.核电站利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站.
2.核能利用1核能发电；2核动力；3原子核物理实验制造各种放射性同位素.
三.小粒子与大宇宙
1.从小粒子到大宇宙空间跨度1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.2人类所能研究的物质世界的空间尺度约从1015m到1027m，共跨越了大约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1025s.3物质世界的时间尺度约从1025s到1018s，跨越了将近43个数量级.
1.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.3质子.中子不能再分.4夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍.
2.核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，23592U是核电站常用的核燃料.23592U受一个中子轰击后裂变成
14456Ba和8936Kr两部分，并产生个中子.要使链式反应发生，裂变物质的体积不能选填“大于”或“小于”它的临界体积.答案3小于解析由质量数和电荷数守恒可知，裂变的核反应方程为23592U10n14456Ba8936Kr310n，可见产生了3个中子；链式反应的一个条件是裂变物质的体积必须大于或等于它的临界体积.
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部件名称项目减速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的金属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
2.核电站发电的优点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传输热量答案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；冷
却剂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.例2在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水.重水和石墨等常用作减速剂.
中子在重水中可与21H核碰撞减速，在石墨中与126C核碰撞减速.上述碰撞可简化为弹性碰撞模型.某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石
墨作减速剂，哪种减速效果更好答案见解析解析设中子质量为mn，靶核质量为m，由动量守恒定律得mnv0mnv1mv2由能量守恒得12mnv0212mnv1212mv22解得v1mnmmnmv0，在重水中靶核质量
mH2mnv1HmnmHmnmHv013v0，在石墨中靶核质量mC12mn，
v1CmnmCmnmCv01113v0与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好.1中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒.能量守恒.2因
为靶核的质量大于中子的质量，故靶核的质量比中子的质量大得
越少，减速效果越好，如质量相等时可以使中子的速度减为零.
二.粒子的分类和夸克模型
1.粒子的分类分类参与的相互作用发现的粒子备注强子参与
强相互作用质子.中子.介子.超子强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子轻子不参与强相互作用电子.电子中微子.子.子中微子.子.子中微子未发现内部结构媒介子传递各种
相互作用光子.中间玻色子.胶子光子.中间玻色子.胶子分别传递
电磁.弱.强相互作用
2.夸克模型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2e3，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.
3.粒子与反粒子随着科学技术的发展，人们发现了更多的粒子，一方面“基本粒子”不基本，另一方面发现了反粒子.粒子的质量.寿命.自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反，这类粒子叫做反粒子，例如电子的反粒子是正电子，带正电荷，质子的反粒子是反质子，反质子带负电荷.例3多选已知介子.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，它们的带电荷量如下表所示，表中e 为元电荷.粒子udud带电荷量ee2e3e32e3e3下列说法正确的是
A.由u和d组成
B.由d和u组成
C.由u和d组成
D.由d和u组成答案AD解析因介子带有e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克u带23e和反夸克d带13e 合成电荷量为e，那么介子就是由夸克u和反夸克d组成的；同理，介子由夸克d和反夸克u组成，所以
A.D正确.针对训练xx年3月31日，欧洲大型强子对撞机实现首次质子束对撞成功.科学家希望以接近光速飞行的质子在发生撞击之后，能模拟宇宙大爆炸的能量，并产生新的粒子，帮助人类理解暗物质.反物质以及其他超对称现象，从根本上加深了解宇宙本质，揭示宇宙形成之谜.欧洲科研机构宣布他们已经制造出9个反氢原子.请推测反氢原子的结构是
A.由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成
B.由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成
C.由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成
D.由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成答案B 解析根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异种电荷.因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量.相反的电荷符号与等量的电荷量，所以B正确.
1.链式反应的认识链式反应中，重核裂变时放出的可使裂变反应不断进行下去的粒子是
A.质子
B.中子
C.粒子
D.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.
2.对宇宙粒子的理解以下说法正确的是
A.最早发现的轻子是电子，最早发现的强子是中子
B.质子.中子.介子和超子都属于强子
C.强子.轻子都有内部结构
D.子质量比核子质量大，子不属于轻子答案B解析最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，所以A错误；强子有内部结构，由夸克组成，轻子没有内部结构，所以C错误；质子.中子.介子.超子都属于强子，所以B正确；子质量比核子质量大，但子仍属于轻子，所以D错误.
3.核能的计算裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核23592U为燃料的反应堆中，当23592U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为
23592U10n13954Xe9438Sr310n2
35.0439
1.00871
38.9178
93.9154反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量以原子质量单位u为单位，已知1u的质量对应的能量为9
31.5MeV，此裂变反应释放出的能量是MeV.答案180解析此裂变反应的质量亏损为2
35.043
91.0087u1
38.9178
93.9154
31.0087u0.1933u，由于1u的质量对应的能量为9 31.5MeV，E9
31.
50.1933MeV180MeV.。