4.6、7 核能利用 小粒子与大宇宙 课件

课件40张PPT。第六节　核能利用
第七节　小粒子与大宇宙1．了解核电站的工作原理．
2．了解核能利用的优缺点．
3．知道小粒子和大宇宙间的跨度．一、反应堆
?核反应堆是人们控制链式反应的装置．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 、 和 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．铀棒石墨重水普通水吸收中子强?工作原理：核燃料 释放的能量，使反应区温度升高．
?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．
?核污染的处理：为防止 对人体的伤害和 对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的 ，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的 ，需要装入特制的容器， ．裂变循环流动射线放射性物质水泥层放射性深埋地下二、核电站、核能利用
?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．
?核能利用：(1) ，(2) ，(3)原子核物理实验制造各种放射性同位素．
?核能发电的优点、缺点
优点：①污染小；②可采储量大；③比较经济．
缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染；②核废料处理困难．核力发电核动力三、小粒子与大宇宙
?空间跨度
(1)大爆炸宇宙模型：大约150亿年前突然发生一次 ，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，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：约为 到 ，共跨越了约42个数量级．大爆炸10－15 m1027 m?时间跨度
(1)宇宙的年龄的数量级： ．
(2)微观粒子的最短寿命： ．
(3)物质世界的时间尺度：约从10－25 s到1018 s，跨越了将近 个数量级. 1018 s10－25 s43一、核反应堆
?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作用，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，使物质达到几百万开尔文的高温．
?核反应堆——核电站的心脏
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：二、原子弹和核电站的工作原理
原子弹和核电站都是重核裂变，一方面核武器严重的威胁着人类的安全；另一方面，人们积极的把核能应用到为人类造福的研究中．怎样能够引起重核裂变呢？又怎样进行控制呢？
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4－6、7－1为简化的核反应堆的示意图：
图4－6、7－1
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，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，反应速度变快．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． 三、小粒子和大宇宙
宏观世界和微观世界之间存在着巨大的差异，从空间范围来讲，宏观世界已扩展到现代天文学观测所能探及的约1027 m之外的宇宙深处；微观世界则已深入到约10－19 m之外的夸克和轻子，从时间范围来讲，宏观世界的“寿命”至少不少于150亿年；微观世界中的粒子寿命有的长10亿年，而有的却短到仅10－23 s．这两个在空间上和时间上有“天壤之别”的世界之间，却存在着千丝万缕的联系．
要真正理解我们的宇宙，就必须从研究极微小的粒子开始，看看那里都发生了些什么情况，然后再来遥望整个宇宙，因为宏观世界的许多基本问题往往可在对微观世界的研究中得到解决．其实，任何关于其中一个世界的新知识，都可以促进人们对另一个世界的了解.
核反应堆 答案　见解析
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，故只有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为零．
【变式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
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．
答案　C【典例2】 在其他能源中，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．核电站 答案　(1)中子　3　[mU－(mBa＋mKr＋2mn)]c2
(2)1 105 kg【变式2】 1964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：
②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)【典例3】 下列说法中不正确的是 (　　)．
A．目前还未发现媒介子、轻子和夸克三类粒子的内部
结构
B．自然界存在的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷
守恒定律，对基本粒子不适用
C．反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象
D．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的
强子对粒子的认识
解析　媒介子、轻子和夸克在现代实验中还没有发现其内部结构，故A正确．反粒子与其对应的正粒子带等量异种电荷，反粒子与其对应的正粒子相遇时会发生湮灭现象，故C正确．质子是最早发现的强子，故D正确．
答案　B【变式3】 根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是 (　　)．
A．夸克、轻子、胶子等粒子
B．质子和中子等强子
C．光子、中微子和电子等轻子
D．氦核、氚核、氦子等轻核
解析　由大爆炸理论可知，大爆炸之后最早产生的粒子是夸克、轻子、胶子等粒子，故A选项正确．
答案　A
1．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核反应解析　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，所以快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨作用是使中子减速，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．
答案　C核电站答案　B对粒子的认识
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、电荷量均相等，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
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
答案　B