高中物理 19_6 重核的裂变 核聚变 粒子和宇宙学案 新人教版选修3-5

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课时19. 6　重核的裂变　核聚变 粒子和宇宙 　　1. 知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量。 2. 知道什么是链式反应。会计算重核裂变过程中释放出的能量。 3. 知道什么是核反应堆。了解常用裂变反应堆的类型，了解核电站及核能发电的优缺点。 4. 了解聚变反应的特点及其条件。了解可控热核反应及其研究和发展。 5. 知道轻核的聚变能够释放出很多的能量，如果能加以控制，将为人类提供广阔的能源前景。 6. 了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史，初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一。 　　1. 核裂变 (1)重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为①裂变。 (2)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，叫作核裂变的②链式反应　　　。 (3)通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的③临界体积，相应的质量叫作④临界质量　　　。 2. 核电站 (1)核燃料——⑤铀棒，由浓缩铀制成。 (2)控制棒——由镉做成，用来控制⑥反应速度。 (3)减速剂由石墨、重水或普通水(有时叫轻水)做成，用来跟快中子碰撞，使快中子能量减少，变成⑦慢中子，以便让U235俘获。 (4)冷却剂：用水或液态钠等流体将反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却。 (5)水泥防护层用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，防止核辐射。 3. 核聚变 两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫作⑧聚变。聚变的条件：要加热到几百万摄氏度的高温。 4. 受控热核反应 聚变与裂变相比有很多优点：轻核聚变产能效率高；地球上聚变燃料的⑨储量丰富；轻核聚变反应更为⑩安全、清洁。 5. 粒子和宇宙 (1)“基本粒子”不基本：科学家发现数以百计的新粒子，它们不是由中子、质子、电子组成，还发现中子、质子本身有复杂的结构。 (2)发现新粒子：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。 (3)夸克模型：1964年提出的夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克。 　　主题1：探究核裂变 情景：第二次世界大战结束前夕，美国于1945年8月6日、9日先后在日本的广岛、长崎上空投下了两颗原子弹，刹那间，这两座曾经十分美丽的城市变成一片废墟。阅读教材相关内容，回答下面的问题。 问题：(1)什么是核裂变? (2)什么是链式反应? (3)为什么核裂变会释放巨大的能量? 　　主题2：核电站 核电站使原子核的链式反应在人工控制下进行，使核能转化为内能，再转化为电能。其主要部件和作用如表格所示。 名称 减速剂 控制棒 热循环介质 保护层 材料 石墨、重水或普通水(有时叫轻水) 镉 水或液态的金属钠 很厚的水泥层 作用 使快中子变成慢中子，以便让U235俘获 吸收中子，控制反应速度 在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去 屏蔽裂变产物放出的各种射线，防止核辐射 问题：减速剂是为了让核反应速度加快还是让核反应速度减慢? 　　主题3：探究核聚变 情景：1967年6月17日，我国第一颗氢弹爆炸成功，这是继1964年我国成功爆炸第一颗原子弹之后，在核工业领域取得的又一个震惊世界的壮举，它标志着中国核武器的发展进入了一个新阶段。阅读教材相关内容，回答下面的问题。 问题：(1)什么是核聚变?为什么核聚变能释放巨大的能量? (2)相对于核裂变的应用，核聚变的应用有哪些优点? (3)为什么要使热核反应受控更难? 　　主题4：粒子和宇宙 　　情景：宇宙的起源一直是天文学中非常有意义的话题，宇宙学中大爆炸理论被很多科学家认可，其基本观点是宇宙正在膨胀。要研究宇宙更早期的情况，就必须从研究组成物质的基本粒子开始。阅读教材相关内容，回答下面的问题。 问题：现在发现的粒子分为哪几类? 1. (考查核反应类型)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有(　　) AUThHe是α衰变　　　　　　　　 BNHeOH是β衰变 CHHHen是轻核聚变 DSeKr+e是重核裂变 2. (考查核聚变规律)关于聚变，以下说法正确的是(　　) A. 两个轻核聚合为质量较大的原子核放出的能量比裂变物质的一个原子核裂变时放出的能量大很多倍 B. 同样质量的聚变物质发生聚变时放出的能量比同样质量的裂变物质裂变时释放的能量大很多倍 C. 聚变反应的条件是聚变物质的体积要大于临界体积 D. 发生裂变反应时原子核必须有足够大的动能 3. (考查粒子)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。u夸克带电荷量为e，d夸克带电荷量为-e，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 4. (考查核聚变)一个氘核和一个氚核发生聚变，其核反应方程是H+H→He+n，其中氘核的质量mD=2. 014102 u、氚核的质量mT=3. 016050 u、氦核的质量mα=4. 002603 u、中子的质量mn=1. 008665 u，1 u=1. 660610-27 kg，e=1. 602210-19 C，求该核反应所释放的能量。 　　拓展一：核裂变 1. 裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核U为燃料的反应堆中，U俘获一个慢中子后发生裂变反应可以有多种方式，其中一种方式可表示为：Un→Xe+Sr+n。已知mU=235. 0439 u，mn=1. 0087 u，mXe=138. 9178 u，mSr=93. 9154 u，已知1 u的质量对应的能量为9. 3102 MeV，求放出的能量。 　　拓展二：核聚变 2. 有一种聚变反应：四个氢核聚变成一个氦核，同时放出两个正电子。问： (1)该聚变反应释放多少能量? (2)若1 g氢完全聚变，能释放多少能量? (3)1 g氢完全聚变，释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能?(已知煤的燃烧值q=3. 36107 J/kg，氢核质量为1. 008142 u，氦核质量为4. 001509 u，1 u的质量对应的能量为931. 5 MeV) 　　拓展三：粒子 3. 已经证实，质子、中子都是由上夸克和下夸克两种夸克组成的，上夸克带电为e，下夸克带电为-e，e为电子所带电荷量的大小。如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l=1. 510-15 m，试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力(库仑力)。(静电力常量k=9. 0109 Nm2/c2，e=1. 610-19 C) 参考答案 知识体系梳理 ①裂变　②链式反应　③临界体积　④临界质量　⑤铀棒　⑥反应速度　⑦慢中子　⑧聚变　⑨储量丰富　⑩安全、清洁 复杂的结构　强子　轻子　媒介子　夸克 重点难点探究 主题1：(1)用中子轰击重核，使其分裂为质量较小的原子核的过程叫作原子核的裂变。 (2)重核裂变时会释放更多的中子，这些中子又会轰击其他的重核，使裂变反应不断进行下去的过程叫作链式反应。 (3)由于中等的原子核的比结合能大，重核的比结合能小于裂变后原子核的比结合能，因此重核裂变会出现质量亏损，亏损的质量以能量的形式释放。 主题2：减速剂能将快中子变成慢中子，而只有慢中子才能使轴核产生裂变反应，所以减速剂的作用是为了让核反应速度加快。 主题3：(1)两个轻核结合成质量较大的原子核的核反应叫作核聚变。轻核发生聚变后，结合能会增加，出现质量亏损，因此会释放巨大的能量。 (2)相对于核裂变的应用，核聚变的应用优点明显。第一，相同质量的核材料，聚变反应产生的能量更多。第二，地球上聚变的燃料储量丰富。第三，轻核聚变更安全、清洁，产生的核废料数量少、易处理。 (3)由于聚变时原子核要克服巨大的库仑力结合成新核就需要几百万开尔文的高温，地球上没有任何容器能经受如此高温，更难以使如此高温下的反应速度受到控制，所以要使热核反应受控更难。 主题4：现在发现的粒子多达400多种，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。 基础智能检测 1. AC　2. B　3. B 4. 17. 6 MeV 全新视角拓展 1. 1. 8102 MeV 【解析】裂变前后的质量亏损是：Δm=(235. 0439+1. 0087-93. 9154-138. 9178-31. 0087) u 由质能方程E=mc2，有ΔE=Δmc2 又1 u对应的能量为9. 3102 MeV 即放出的能量ΔE=Δm9. 3102 MeV=1. 8102 MeV。 2. (1)4. 62910-12 J　(2)6. 971011 J　(3)2. 07104 kg 【解析】(1)核反应方程：HHe+e 质量亏损Δm=41. 008142 u-4. 001509 u=0. 031059 u ΔE=Δmc2=0. 031059 uc2=0. 031059931. 5 MeV= 0. 031059931. 51061. 610-19 J=4. 62910-12 J。 (2)1 g氢聚变释放的能量为：E=6. 0210234. 62910-12 J=6. 971011 J。 (3)1 g氢释放的能量相当于煤完全燃烧的质量为： m= kg=2. 07104 kg。 3. 46 N或23 N 【解析】质子带电为+e，所以它是由2个上夸克和1个下夸克组成的。按题意，三个夸克必位于等边三角形的三个顶点处。这时上夸克与上夸克之间的静电力应为F1=k= 代入数值，得F1=46 N，为斥力 上夸克与下夸克之间的静电力为F2=k= 代入数值，得F2=23 N，为吸引力。