4.核裂变与核聚变
5.“基本”粒子
课后训练 巩固提升
基础巩固
1.(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源,其一种裂变反应为nBaKr+n,下列说法正确的有( )
A.上述裂变反应中伴随着中子放出
B.铀块体积对链式反应的发生无影响
C.铀核的链式反应可人工控制
D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响
答案：AC
解析：从裂变反应方程可以看出裂变反应中伴随着中子放出,A对。铀块体积对链式反应的发生有影响,B错。铀核的链式反应可人工控制,C对。铀核的半衰期不会受到环境温度的影响,D错。
2.(多选)当一个重核裂变时,它所产生的两个核( )
A.含有的总质子数比裂变前重核的质子数少
B.含有的总中子数比裂变前重核的中子数少
C.裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量
D.可能是多种形式的两个核的组合
答案：BD
解析：一个重核裂变时,在产生两个核的同时,也放出中子,所以新产生的两个核的总中子数比裂变前重核的要少,两个核的总质子数与裂变前重核的质子数相等,选项A错误,选项B正确。裂变时放出的能量主要是反应前后质量亏损而产生的能量,要远大于俘获中子时得到的能量,C项错误。重核裂变的产物是多种多样的,D项正确。
3.下列说法正确的是( )
A.聚变是裂变的逆反应
B.如果裂变释放能量,则聚变反应必定吸收能量
C.聚变需将反应物加热至数百万度以上的高温,显然是吸收能量
D.裂变与聚变均可释放巨大的能量
答案：D
解析：从形式上看,裂变与聚变似乎是互为逆反应,但其实不然,因为二者的反应物和生成物完全不同。裂变是重核分裂成中等核,而聚变则是轻核聚合成为次轻核,无直接关联,并非互为逆反应,A选项错误。裂变与聚变不是互为逆反应,则在能量流向上也不必相反,B选项错误。要实现聚变反应,必须使参加反应的轻核充分接近,需要数百万度的高温提供能量,但聚变反应一旦实现,所释放的能量远大于所吸收的能量,因此,总的来说,聚变反应还是释放能量,C选项错误,D选项正确。
4.(多选)已知氘核的比结合能是1.09 MeV,氚核的比结合能是2.78 MeV,氦核的比结合能是7.03 MeV。某次核反应中,1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核,则下列说法正确的是( )
A.这是一个裂变反应
B.核反应方程为HHen
C.核反应过程中释放的核能是17.6 MeV
D.目前核电站都采用上述核反应发电
答案：BC
解析：1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核,这是两个比较轻的核转化成中等质量的核,所以属于聚变反应,A错误。根据质量数和质子数守恒,可以知道当1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核时会有一个中子生成,B正确。原子核的结合能与核子数之比,称作比结合能,根据题意可知,核反应过程中释放的核能是ΔE=(7.03×4-2.78×3-1.09×2) MeV=17.6 MeV,C正确。目前核电站都是采用核裂变技术,D错误。
5.在各种能源中,核能具有能量密度大、地区适应性强的优势。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。核反应方程nBaKr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种,n为中子,X为待求粒子,a为X的个数,则X为 ,a= 。以mU、mBa、mKr分别表示U、BaKr核的质量,mn、mp分别表示中子、质子的质量,c为光在真空中的传播速度,则在上述核反应过程中放出的核能ΔE= 。
答案：中子 3 (mU-mBa-mKr-2mn)c2
解析：铀235裂变除生成Ba和Kr外,还产生适当数目的中子,即式中的X为中子。
由电荷数和质量数守恒得产生的中子的个数为a=235+1-141-92=3。
反应过程中的质量亏损Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=mU-mBa-mKr-2mn
故放出的核能ΔE=Δmc2=(mU-mBa-mKr-2mn)c2。
6.用中子轰击铀核U),其中的一个可能反应是分裂成钡Ba)和氪Kr)两部分,放出3个中子。各个核和中子的质量如下:
mU=390.313 9×10-27 kg,
mn=1.674 9×10-27 kg,
mBa=234.001 6×10-27 kg,
mKr=152.604 7×10-27 kg。
试写出核反应方程,求出反应中释放的核能。
答案：UBaKr+n 3.220 2×10-11 J
解析：铀核裂变方程为UBa+Kr+n,
核反应前后的质量亏损为Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=3.578×10-28 kg
由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为
ΔE=Δmc2=3.578×10-28×(3×108)2 J=3.220 2×10-11 J。
能力提升
1.U吸收一个慢中子后分裂成Kr和Ba,还放出( )
A.1个α粒子
B.3个中子
C.10个中子
D.10个质子
答案：B
解析：根据质量数守恒、电荷数守恒可得还放出3个中子,B项正确。
2.一个U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nX+Sr+n,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：由质量数和电荷数守恒可知,X原子核的质量数(即核子数)为140,电荷数(即质子数)为54,由中子数=核子数-质子数,可知其中子数为86,故A选项正确,B选项错误。核裂变时释放能量,有质量亏损,但总质量数不变,故C、D选项错误。
3.U吸收一个慢中子后,分裂成Xe和Sr,同时还放出( )
A.三个α粒子
B.一个氘核
C.三个中子
D.两个中子
答案：C
解析：该裂变反应的方程为nXe+Sr+Y,放出的粒子Y只能是3个中子,故C正确。
4.目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是( )
A.nSrXe+1n
BNaMge
CHeOH
DUThHe
答案：A
解析：重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核,A是裂变反应,A正确。B为β衰变,C是发现质子的反应,D是α衰变。
5.氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量,该反应方程为HHe+X,式中X是某种粒子。已知He和粒子X的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u;1 u=,c是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知,粒子X是 ,该反应释放出的能量为 MeV(结果保留3位有效数字)。
答案：n(或中子) 17.6
解析：根据质量数和电荷数守恒可得X是n(中子)。
该反应中的质量亏损为Δm=2.014 1 u+3.016 1 u-4.002 6 u-1.008 7 u=0.018 9 u
所以该反应释放出的能量为ΔE=Δm·c2=17.6 MeV。
6.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。
已知质子质量为mH=1.007 3 u,氦核质量为mHe=4.001 5 u,电子质量为me=0.000 55 u,
1 u=。
(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3.8×1026 J,则太阳每秒减少的质量为多少千克
答案：(1)HHe+e
(2)24.78 MeV
(3)4.22×109 kg
解析：(1)由题意可得核反应方程应为HHe+e。
(2)反应前的质量m1=4mH=4×1.007 3 u=4.029 2 u
反应后的质量m2=mHe+2me=4.001 5 u+2×0.000 55 u=4.002 6 u
Δm=m1-m2=0.026 6 u,由质能方程得,
释放的能量ΔE=Δmc2=0.026 6×931.5 MeV=24.78 MeV。
(3)由质能方程ΔE=Δmc2得太阳每秒减少的质量
Δm= kg=4.22×109 kg。(共31张PPT)
4.核裂变与核聚变
5.“基本”粒子
第五章
2022
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
04
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.知道什么是核裂变、链式反应以及裂变反应堆的工作原理。
2.知道核聚变及其特点和条件。
3.了解基本粒子的分类及其作用。
通过学习核裂变、链式反应以及核聚变,形成物理观念,培养科学思维和科学探究精神。
自主预习 新知导学
一、核裂变的发现
1.核裂变:铀核在被 中子 轰击后分裂成两块质量差不多的碎块,把这类核反应称为核裂变。
2.铀核裂变:用中子轰击铀核时,铀核发生裂变,其产物是多样的,其中一种典型的反应方程是
3.链式反应:由重核裂变产生的 中子 使核裂变反应一代接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:铀块的体积大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量。
5.原子弹爆炸时发生了什么样的核反应
答案：重核裂变的链式反应。原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的,在极短时间内能够释放大量核能,发生猛烈爆炸。
二、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 。
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。镉吸收 中子 的能力很强,当反应过于激烈时,将镉棒插入 深 一些,让它多吸收一些 中子 ,链式反应的速度就会慢一些。这种镉棒叫作 控制棒 。
4.能量输出。
核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高,水或液态的金属钠等物体在反应堆内外 循环流动 ,把反应堆内的 热量 传输出去,用于 发电 。
5.核污染的处理。
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。核反应堆中的核废料具有很强的 放射性 ,需要装入特制的容器, 深埋地下 。
三、核聚变
1.核聚变: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.核反应方程
3.聚变发生的条件:要使轻核聚变,必须使它们的距离达到 10-15 m以内,这要克服电荷间巨大的库仑斥力。也就是说,原子核要有很大的动能。有一种方法,就是把它们加热到很高的温度,使物质的温度达到几百万开尔文。
四、“基本”粒子
1.发现新粒子: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。利用加速器和对撞机,人们发现了更多的粒子。
2.粒子的分类:现在已经发现的粒子达400多种。它们大体可被分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类别。
3.“夸克模型”的提出有什么物理意义
答案：夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破,它指出电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。( )
(2)铀块的质量大于或等于临界质量时,链式反应才能不停地进行下去。
( )
(3)核聚变时吸收能量。( )
(4)核聚变平均每个核子放出的能量,比裂变反应中平均每个核子放出的能量大。( )
(5)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。( )
(6)轻核聚变比裂变更安全、清洁。( )
(7)质子、中子不能再分。( )
×
×
×
√
√
√
√
2.(1)重核裂变时释放的能量来源于哪里
(2)裂变反应遵循什么规律
答案：(1)重核裂变时存在质量亏损,会释放出核能。
(2)遵循质量数和电荷数守恒的规律。
3.可控热核反应目前处于探索阶段,科学家们设想了哪些方法解决这个难题
答案：科学家们设想了两种方案,一种是磁约束,另一种是惯性约束。
合作探究 释疑解惑
知识点一
重核裂变和链式反应
【问题引领】
1.重核裂变是一种天然现象吗
2.只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗
提示：1.重核裂变是在中子撞击下发生的裂变现象,不是一种天然现象。
2.铀块体积(质量)应大于或等于临界体积(临界质量)才能发生链式反应。
【归纳提升】
1.裂变核反应方程
2.链式反应发生的条件:
(1)铀块的体积大于临界体积。体积超过临界体积时,保证中子能够碰到铀核。
(2)有足够浓度的铀235。
(3)有足够数量的慢中子。
3.裂变反应的能量:铀核裂变为中等质量的原子核,发生质量亏损,所以放出能量。
【典型例题】
【例题1】 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,所以核子数要减少
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,裂变时铀核俘获中子发生核反应,是核能转化为其他形式能的过程,其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量,选项A错误。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,碰不到原子核,则链式反应不会发生,选项B错误。在裂变反应中核子数是不会减少的,选项C错误。
D
科学思维 重核的裂变是放能核反应,原因是核反应前后质量有亏损,根本原因是重核的比结合能比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量,而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。
【变式训练1】 铀核裂变时,对于产生链式反应的重要因素,下列说法正确的是( )
A.铀块的质量是重要因素,与体积无关
B.为了使裂变的链式反应容易发生,最好直接利用裂变时产生的中子
C.若铀235的体积超过它的临界体积,裂变的链式反应就能够发生
D.能否发生链式反应与铀块的质量无关
解析：要使铀核裂变产生链式反应,铀块的体积必须大于临界体积,故A错误。裂变反应中产生的中子为快中子,这些快中子不能直接引发新的裂变,故B错误。如果铀块的质量大,则其体积大,若超过临界体积则发生链式反应,故D错误,C正确。
C
【问题引领】
知识点二
轻核聚变
为什么实现核聚变要把聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温 目前人们实现的核聚变是什么
提示：轻核的聚变反应,是较轻的核子聚合成较重的核子,要使得核子的强相互作用发挥作用,必须使核子间的距离达到10-15 m以内;同时由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大,因而需要核子有很大的动能,表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸,是由普通炸药引爆原子弹,再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核反应,但这是不可控制的。
【归纳提升】
1.核聚变发生的条件:要使轻核聚变,必须克服电荷间强大的库仑斥力作用,有一种办法就是把它们加热到几百万开尔文的高温。
2.核聚变的特点:
(1)在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。
(2)热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应继续下去。
(3)普遍性:热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆。
3.聚变方程:
【典型例题】
C
解析：根据核反应方程质量数和核电荷数守恒,可知x的电荷数是0,质量数是1,所以x是中子,故A、B错误。由质能方程可知,这个反应释放的核能为ΔE=(m1+m2-m3-m4)c2,C正确。 只有在极高温度下才能够发生聚变反应,故D错误。
科学思维 (1)核聚变反应和一般的核反应一样,也遵循电荷数和质量数守恒,这是书写核反应方程的重要依据。
(2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损,然后代入ΔE=Δmc2进行计算。
【变式训练2】 (多选)下列说法正确的是( )
A.聚变反应中有质量亏损,所以必向外界放出能量
B.要使核发生聚变反应,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
解析：由质能方程可知,选项A正确。轻核结合成质量较大的核,必须使轻核间的距离达到核力能发生作用的范围,才能使它们紧密地结合起来,选项B正确,C错误。热核反应必须在很高的温度下才能发生,不一定要人工控制,选项D错误。
AB
课堂小结
随堂练习
1.(核裂变)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
解析：控制核反应堆中核反应的速度是靠调节中子数来实现的。
C
B
解析：核聚变反应中产生新的原子核,同时由于发生了质量亏损,会有核能的释放,B正确,A、C错误。目前核电站大多采用重核裂变的方法来利用核能发电,D错误。
3.(核反应堆)(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
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。
ABD
C
本 课 结 束
