第4节 核裂变与核聚变
第5节 “基本”粒子
[学习目标要求] 1.知道重核的裂变和链式反应。2.会计算核裂变释放的能量，了解原子弹的原理。3.知道核电站的工作模式及核能发电的优缺点。4.知道聚变反应的特点，了解聚变反应的条件。5.知道轻核聚变能够放出很多的能量，若能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。
核裂变的发现
1．核裂变：重核被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反应。
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，其中一种典型的铀核裂变是U＋n→Ba＋Kr＋3n。
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，裂变物质的质量大于临界质量。
[判一判]
(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。(×)
(2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。(√)
(3)铀核裂变时能释放出多个中子。(√)
反应堆与核电站
1．核反应堆：控制链式反应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)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水做慢化剂。
(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。镉棒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，链式反应的速度会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。
2．核电站——利用核能发电的装置
(1)工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高。
(2)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。同时也使反应堆冷却。
(3)核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、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水泥层，用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。
核聚变
1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。
2．核反应方程：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。
3．条件：使轻核的距离达到10－15 m以内。需要加热到很高的温度，因此核聚变又叫热核反应。
4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能。
5．人工热核反应的应用——氢弹
原理：首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
6．核聚变与核裂变的比较
(1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘储量丰富，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁。
(2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。
科学家提出的解决方案：①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器。
②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射参加反应物质，使它们“挤”在一起发生反应。
[想一想]
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？
提示：轻核的聚变反应，是两个轻核结合成质量较大的核，要使得核力发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15 m以内；同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大，因而需要核子有很大的动能才能克服，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。
“基本”粒子
1．“基本”粒子
(1)人们认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，把它们叫作“基本粒子”。
(2)随着科学的发展，科学家们发现很多新粒子不能看作由质子、中子、电子组成，并发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。
2．发现新粒子
(1)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，后来发现了超子等。
(2)实验中发现，存在着这样一类粒子，它们的质量、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，这些粒子叫作反粒子。
3．粒子的分类
(1)强子：是参与强相互作用的粒子。质子和中子都是强子。
(2)轻子：不参与强相互作用。电子、电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已发现的轻子。
(3)规范玻色子：是传递各种相互作用的粒子，如光子、中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子。
(4)希格斯玻色子：是希格斯场的量子激发。
[判一判]
(1)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。(×)
(2)质子和反质子的电荷量相同，电性相反。(√)
(3)按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元。(√)
学习任务一 核裂变和链式反应
[导学探究]
1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1600 m范围内所有动植物全部死亡。巨大的核能是从哪里来的？
提示：铀核的裂变。
[思维深化]
1．铀核的裂变和裂变方程
(1)铀核受激发：当中子进入铀235后，使核处于激发状态，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。
(3)核能的释放：裂变中比结合能变大，因而释放核能。
(4)常见的裂变方程
①U＋n→Xe＋Sr＋2n；
②U＋n→Ba＋Kr＋3n。
2．链式反应的条件
(1)有慢中子轰击。
(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。
3．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。
(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。
核电站利用的是铀核裂变释放的核能，其裂变方程为U＋n→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是( )
A．裂变后粒子的总核子数减少
B．X原子核中含有85个中子
C．裂变反应前后质量没有变化
D．裂变后新核的平均结合能比铀核的小
解析：B 核反应过程中，质量数守恒，所以裂变后粒子的总核子数不变，A错误；设X原子核中有x个质子，质量数为y，则92＝x＋38，235＋1＝y＋95＋1×2，解得x＝54，y＝139，所以X原子核中含有中子数为y－x＝85，B正确；裂变释放核能，所以有质量亏损，C错误；裂变释放核能是因为新核的平均结合能比铀核的大，新核较稳定，D错误。
U受中子轰击时会发生裂变，产生Ba和Kr，同时放出200兆电子伏特的能量。现要建设发电能力为10万千瓦的核电站，用铀235作为燃料。假设核裂变释放的能量的50%转化为电能。
(1)写出核反应方程；
(2)求一天需要纯铀235的质量。(阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023 mol－1)
解析：(1)核反应方程为
U ＋n→Ba＋Kr ＋3n。
(2)每一天的发电量为E＝Pt＝10×104×103×24×3600 J＝8.64×1012 J
消耗的铀235核的个数为
n＝＝个＝5.4×1023个
一天需要的纯铀235的质量为
m＝M＝×235×10－3 kg≈0.21 kg。
答案：(1)U ＋n→Ba＋Kr ＋3n
(2)0.21 kg
[针对训练]
1．用中子(n)轰击铀核(U)发生裂变反应，会产生钡核(Ba)和氪核(Kr)，并释放中子(n)，当达到某些条件时可发生链式反应，一个铀核(U)裂变时，质量亏损为Δm，已知光在真空中的传播速度为c，以下说法正确的是( )
A．U的裂变方程为U→Ba＋Kr＋2n
B．U发生链式反应的条件与铀块的温度有关
C．U发生链式反应的条件与铀块的体积有关
D．一个铀核(U)裂变时，放出的能量为ΔE＝Δmc2
解析：C U的裂变方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n，故A错误；当铀块体积达到临界体积时才能使链式反应不断进行下去，与铀块的温度无关，B错误，C正确；根据爱因斯坦质能方程可知一个U裂变时，放出的能量为ΔE＝Δmc2，D错误。
学习任务二 轻核聚变的理解与计算
[导学探究]
如图为氢弹原理示意图。
(1)核聚变需要满足什么条件？
(2)为什么要用原子弹才能引爆氢弹？
提示：(1)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。
(2)它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。
[思维深化]
1．聚变发生的条件：要使轻核发生聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离10－15 m以内，这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温。
2．轻核聚变是释放能量的反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个释放能量的反应。
3．聚变方程：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。
4．重核裂变与轻核聚变的区别
比较项目 重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
太阳的能量来自下面的反应：四个质子(氢核)聚变成一个α粒子，同时发射两个正电子，已知太阳辐射能量的总功率为P，质子H、氦核He、正电子e的质量分别为mp、mα、me，真空中的光速为c。
(1)写出核反应方程；
(2)求核反应所释放的能量ΔE；
(3)求1 s内参与上述热核反应的质子数目。
解析：(1)根据质量数守恒和电荷数守恒，可得核反应方程为
4H→He＋2e。
(2)质量亏损Δm＝4mp－mα－2me
根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2得核反应释放的能量
ΔE＝(4mp－mα－2me)c2。
(3)设单位时间内参与热核反应的质子数为N，依据能量关系有
P＝
则N＝。
答案：(1)4H→He＋2e (2)(4mp－mα－2me)c2 (3)[针对训练]
2．氘核H可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式6H→2He＋2H＋2n＋43.15 MeV表示。海水中富含氘，已知1 kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等。已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J，1 MeV＝1.6×10－13 J，则M约为( )
A．40 kg B．100 kg
C．400 kg D．1000 kg
解析：C 根据核反应方程式，6个氘核聚变反应可释放出43.15 MeV的能量，1 kg海水中的氘核反应释放的能量为E＝×43.15 MeV≈7.19×1022 MeV≈1.15×1010 J，则相当于标准煤的质量为M＝ kg≈400 kg。
学习任务三 对粒子的认识
[思维深化]
1．新粒子的发现及特点
发现时间 1932年 1937年 1947年 20世纪60年代后
新粒子 反粒子 μ子 K介子与π介子 超子
基本特点 质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反 比质子的质量小 质量介于电子与核子之间 其质量比质子大
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－或＋。例如，上夸克带的电荷量为＋，下夸克带的电荷量为－。
(4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。
某中微子观测站揭示了中微子失踪的原因，即观测到的中微子数目比理论上的少是因为部分中微子在运动过程中转化为一个μ子和一个τ子。关于上述研究有以下说法，正确的是( )
A．若发现μ子和中微子运动方向一致，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相反
B．若发现μ子和中微子运动方向一致，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相同
C．若发现μ子和中微子运动方向相反，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相同
D．若发现μ子和中微子运动方向相反，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相反
解析：C 中微子转化为一个μ子和一个τ子的过程中动量守恒， 设中微子运动方向为正方向，有m中v中＝mμvμ＋mτvτ，若μ子和中微子运动方向一致，则m中v中＝mμvμ＋mτvτ，由v中大于0，vμ大于0可知，vτ可能大于0，也可能小于0，即τ子运动方向与中微子运动方向可能相同，也可能相反，A、B错误；若μ子和中微子运动方向相反，则m中v中＝mμvμ＋mτvτ，由v中大于0，vμ小于0可知，vτ一定大于0，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相同，C正确，D错误。
人们在对宇宙射线的研究中，陆续发现了一些新的粒子，K介子和π介子都是科学家在1947年发现的。K－介子的衰变方程为K－→π0＋π－，其中K－介子和π－介子带负电，电荷量等于元电荷的电荷量，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，其轨迹为图中的圆弧虚线，K－介子衰变后，π0介子和π－介子的轨迹可能是( )
解析：A π0介子不带电，在磁场中不偏转，π－介子带负电，在磁场中洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，再根据动量守恒定律判定知A正确。
[针对训练]
3．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的，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
解析：B 题目中给出的信息是u夸克与d夸克带的电荷量，故应从质子带一个元电荷量，中子不带电荷量的角度考虑，经过分析知B项正确。
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：D 核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A错误，D正确；发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于其临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B错误；重核裂变时，核子数守恒，C错误。
2．(多选)铀核裂变的产物是多样的，其中的一种裂变反应是U＋n→Xe＋Sr＋2n。关于铀核裂变，下列说法正确的是( )
A．上述方程也可以写成U→Xe＋Sr＋n
B．铀块的大小，是链式反应能否进行的重要因素
C．原子弹、核电站都是可控核裂变反应的应用
D．Xe、Sr的比结合能都比U的比结合能大
解析：BD 方程中“→”左侧的中子是反应物，右侧的中子是生成物，铀核在中子轰击下发生裂变，裂变后会生成新的中子，因此核反应方程两侧的中子不能消去，A错误；铀块的体积要大于或等于临界体积，链式反应才能进行，故B正确；原子弹是不可控核裂变反应的应用，核电站是可控核裂变反应的应用，C错误；U是重核，裂变产生的Xe、Sr是两个中等大小的原子核，同时释放出核能，即Xe、Sr比U更稳定，则Xe、Sr的比结合能均比U的比结合能大，故D正确。
3.中国的“人造太阳”，又称东方超环，全称是全超导托卡马克核聚变实验装置，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置。所谓“人造太阳”，就是在地球上模拟太阳内部发生的核聚变反应，为人类提供源源不断的清洁能源。其内部发生的一种核聚变反应方程为H＋H→X＋n，下列说法正确的是( )
A．反应产物X为He
B．核聚变后的产物X的比结合能小于H的比结合能
C．可控的人工轻核聚变与核裂变相比更为安全、清洁
D．要实现核聚变，需要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能克服核力作用而碰撞结合在一起
解析：C 根据核聚变反应方程满足电荷数和质量数守恒，可知反应物X为He，选项A错误；比结合能越大，物质越稳定，所以核聚变后的产物X的比结合能大于H的比结合能，选项B错误；可控的人工轻核聚变产物为氦核，没有辐射和污染，所以与核裂变相比更为安全、清洁，选项C正确；要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15 m以内，核力才能起作用，由于原子核都带正电，要使它们接近这种程度，必须克服巨大的库仑力，而不是核力，选项D错误。
4．为了探究宇宙起源，科学家将利用阿尔法磁谱仪(AMS)在太空中寻找“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的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，则反氢原子是( )
A．由1个带正电荷的质子和1个带负荷的电子构成
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
解析：B 反氢原子由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成。故选B。
[基础对点练]
对点练1 核裂变和链式反应
1.如图是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是( )
A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B．快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
解析：B 快中子容易与铀235“擦肩而过”，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，A错误，B正确；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，C、D错误。
2．(多选)核动力航空母舰是以核反应堆为动力装置的航空母舰，它利用可控制核裂变释放的核能获得动力。有一种核裂变的方程为U＋n→X＋Sr＋10n，关于该核裂变，下列说法正确的是( )
A．核反应方程可以简化为U→X＋Sr＋9n
B．X的核子数为132
C．X的中子数为68
D．X的比结合能比U的比结合能大
解析：BD 核反应方程应表现出中子轰击铀核，故不可简化，A错误；X的核子数为235＋1－94－10＝132，B正确；X的质子数为92－38＝54，则中子数为132－54＝78，C错误；核反应后的原子核更稳定，故X的比结合能比U的比结合能大，D正确。
对点练2 轻核聚变的理解与计算
3．下列关于聚变的说法正确的是( )
A．任何两个原子核都可以发生聚变
B．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小
C．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能减小
D．核聚变比核裂变更为安全、清洁，是目前利用核能的主要方式
解析：B 只有两个质量较小的原子核才可以聚变成一个中等质量的原子核，并不是任何两个原子核都可以发生聚变，A错误；核聚变反应会放出大量的能量，根据质能方程可知反应会发生质量亏损，两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小，比结合能增大，B正确，C错误；核聚变的最终产物是氦，无污染，而核裂变产生的固体核废料具有放射性，因此核聚变更加清洁和安全，但是还不是目前利用核能的主要方式，D错误。
4．两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014 u，氦核质量为4.002 u。
(1)写出相应的核反应方程；
(2)求出1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量。已知：阿伏加德罗常数NA为6.0×1023 mol－1，氘核的摩尔质量为2 g/mol，1 u相当于931.5 MeV的能量(结果保留2位有效数字)。
解析：(1)核聚变反应的方程为H＋H→He。
(2)两个氘核结合成一个氦核时释放的能量为
ΔE＝(2×2.014 u－4.002 u)×931.5 MeV≈24.22 MeV
1 kg氘中含有的氘核数为
n＝×NA＝3.0×1026个
1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量为
E＝ΔE≈3.6×1027 MeV。
答案：(1)H＋H→He (2)3.6×1027 MeV
对点练3 对粒子的认识
5．(多选)关于粒子，下列说法正确的是( )
A．质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B．质子、中子本身也是复合粒子，它们具有复杂的结构
C．质子是带电的强子
D．光子是希格斯玻色子
解析：BC 质子和中子是由不同的夸克组成的，它们不是最基本的粒子，故A错误，B正确；不同的夸克组成的强子，有的带电，有的不带电，质子是带正电的强子，故C正确；光子是规范玻色子，故D错误。
6．(多选)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，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷。
粒子 π＋ π－ u d
带电荷量 ＋e －e ＋ － － ＋
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
解析：AD 因π＋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＋e和反夸克带＋e合成电荷量为＋e，那么π＋介子是由夸克u和反夸克组成的；同理，π－介子由夸克d和反夸克组成，所以A、D正确。
7．(多选)质子和中子属于强子，强子是由更基本的粒子——夸克组成。根据夸克模型，夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。它们的带电荷量分别为－或＋e，电荷量e为元电荷。已知一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。则下列说法正确的是( )
A．上夸克的电荷量为＋
B．下夸克的电荷量为－
C．上夸克的电荷量为－
D．下夸克的电荷量为＋
解析：AB 根据质子带电荷量为＋e和中子不带电，设上、下夸克的电荷量分别为q1、q2，则有2q1＋q2＝＋e，q1＋2q2＝0，解得q1＝＋e，q2＝－，故选A、B。
[能力提升练]
8．太阳内部发生的核反应主要是核聚变，太阳中存在的主要元素是氢，氢核的核聚变反应可以看作是4个氢核(H)结合成1个氦核(He)。表中列出了部分粒子的质量(1 u相当于931.5 MeV的能量)，以下说法中不正确的是( )
粒子名称 质子p α粒子 电子e 中子n
质量/u 1.0073 4.0015 0.000 55 1.0087
A．核反应方程式为4H→He＋2e
B．核反应方程式为4H→He＋2e
C．4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损为0.0266 u
D．聚变反应过程中释放的能量约为24.8 MeV
解析：B 根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒，氢核聚变的核反应方程为4H→He＋2e，故A正确，B错误；质量亏损为Δm＝4mp－mα－2me＝(4×1.0073－4.0015－2×0.000 55)u＝0.0266 u，发生一次核反应释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.0266 u×931.5 MeV/u≈24.8 MeV，故C、D正确。
9．在核电站中，核反应堆释放的核能转化为电能。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。核反应方程式U＋n→Ba＋Kr＋3n是反应堆中发生的许多核反应中的一种，有一座发电能力为P＝1.00×106 kW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是上述核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78 × 10－11 J，U核的质量MU ＝390 × 10－27 kg。则每年(1年＝3.15×107 s)消耗的U的质量为( )
A．1.0×103 kg B．1.10×104 kg
C．1.10×102 kg D．1.10×103 kg
解析：D 设一年消耗的U的质量为x千克， 则消耗的核能为E核＝·ΔE , 一年中产生的电能为E电，则E电＝Pt(t为一年时间)，由题意知E电＝E核·η，则E核＝，故·ΔE＝，所以x＝＝1.10×103kg。故D正确。
10．已知U(质量为235.0439 u)裂变后生成Ba(质量为140.9139 u)和Kr(质量为91.8973 u)，同时放出3个中子(每个中子质量为1.0087 u)，则1 kg铀235全部核裂变所放出的能量相当于多少优质煤完全燃烧时放出的能量？(1 kg优质煤完全燃烧时能产生3.36×107 J的热量，1 u相当于931.5 MeV 的能量，元电荷e＝1.6×10－19 C，阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023 mol－1)
解析：核反应方程为
U＋n→Ba＋Kr＋3n
质量亏损为：
Δm＝(mU＋mn)－(mBa＋mKr＋3mn)＝0.2153 u
释放的核能为ΔE0＝0.2153×931.5 MeV≈201 MeV
已知235 g铀235有6.02×1023个铀235核，那么1 kg铀235内大约有×6.02×1023≈2.56×1024个铀235核，由此可知1 kg 铀235全部核裂变放出的能量为：
ΔE＝2.56×1024×201 MeV≈5.15×1026 MeV＝5.15×1032 eV＝8.24×1013 J
则相当于优质煤的质量为
M＝kg≈2.45×106 kg。
答案：2.45×106 kg
[尖子生选练]
11．一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法中正确的是( )
A．这个反应的核反应方程是H＋H→He＋n＋γ
B．这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应
C．辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2
D．辐射出的γ光子的波长
λ＝
解析：A 核反应方程满足质量数和电荷数守恒，故A正确；该反应为聚变反应，故B错误；聚变反应中释放的能量，以光子的形式放出，故光子能量为E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C错误；根据E＝ 得光子的波长为λ＝，故D错误。(共79张PPT)
第4节 核裂变与核聚变
第5节 “基本”粒子
[学习目标要求] 1.知道重核的裂变和链式反应。2.会计算核裂变释放的能量，了解原子弹的原理。3.知道核电站的工作模式及核能发电的优缺点。4.知道聚变反应的特点，了解聚变反应的条件。5.知道轻核聚变能够放出很多的能量，若能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。
课前预习·夯基固本
核裂变的发现
1．核裂变：重核被_________轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反应。
知识点一
[判一判]
(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。( )
(2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。( )
(3)铀核裂变时能释放出多个中子。( )
×
√
√
反应堆与核电站
1．核反应堆：控制链式反应的核心设施是_______________，它主要由以下几部分组成：
(1)燃料：_________。
(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用________________ ______________做慢化剂。
(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。镉棒_______________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，链式反应的速度会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。
知识点二
普通水
2．核电站——利用核能发电的装置
(1)工作原理：__________________释放的能量，使反应区温度升高。
(2)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_________传输出去，用于发电。同时也使反应堆冷却。
(3)核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、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__________________放出的各种射线，核废料具有很强的____________，需要装入特制的容器，深埋地下。
核聚变
1．定义：两个_________结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。
3．条件：使轻核的距离达到__________________ m以内。需要加热到很高的_________，因此核聚变又叫热核反应。
4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核_________成氦核释放的______能。
5．人工热核反应的应用——氢弹
原理：首先由化学炸药引爆____________，再由____________爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
知识点三
6．核聚变与核裂变的比较
(1)优点：①轻核聚变产能____________；②地球上核聚变燃料氘储量_________，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁。
(2)缺点：核聚变需要的温度太______，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。
科学家提出的解决方案：①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是____________。
②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的_________或X射线从各个方向照射参加反应物质，使它们“挤”在一起发生反应。
[想一想]
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？
提示：轻核的聚变反应，是两个轻核结合成质量较大的核，要使得核力发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15 m以内；同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大，因而需要核子有很大的动能才能克服，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。
“基本”粒子
1．“基本”粒子
(1)人们认为光子、电子、_________和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，把它们叫作“基本粒子”。
(2)随着科学的发展，科学家们发现很多新粒子不能看作由质子、_________、电子组成，并发现_________、中子等本身也有自己的复杂的结构。
知识点四
2．发现新粒子
(1)1932年发现了____________，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子，后来发现了超子等。
(2)实验中发现，存在着这样一类粒子，它们的质量、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，这些粒子叫作____________。
3．粒子的分类
(1)强子：是_________强相互作用的粒子。_________和_________都是强子。
(2)轻子：____________强相互作用。_________、电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已发现的轻子。
(3)规范玻色子：是_________各种相互作用的粒子，如_________、中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子。
(4)希格斯玻色子：是希格斯场的量子激发。
[判一判]
(1)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。( )
(2)质子和反质子的电荷量相同，电性相反。( )
(3)按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元。( )
×
√
√
课堂探究·拓展思维
学习任务一 核裂变和链式反应
[导学探究]
1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1600 m范围内所有动植物全部死亡。巨大的核能是从哪里来的？
提示：铀核的裂变。
[思维深化]
1．铀核的裂变和裂变方程
(1)铀核受激发：当中子进入铀235后，使核处于激发状态，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。
(3)核能的释放：裂变中比结合能变大，因而释放核能。
(4)常见的裂变方程
2．链式反应的条件
(1)有慢中子轰击。
(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。
3．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。
(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。
例 1
B
B 核反应过程中，质量数守恒，所以裂变后粒子的总核子数不变，A错误；设X原子核中有x个质子，质量数为y，则92＝x＋38，235＋1＝y＋95＋1×2，解得x＝54，y＝139，所以X原子核中含有中子数为y－x＝85，B正确；裂变释放核能，所以有质量亏损，C错误；裂变释放核能是因为新核的平均结合能比铀核的大，新核较稳定，D错误。
例 2
[针对训练]
C
学习任务二 轻核聚变的理解与计算
[导学探究]
如图为氢弹原理示意图。
(1)核聚变需要满足什么条件？
(2)为什么要用原子弹才能引爆氢弹？
提示：(1)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。
(2)它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。
[思维深化]
1．聚变发生的条件：要使轻核发生聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离10－15 m以内，这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温。
2．轻核聚变是释放能量的反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个释放能量的反应。
4．重核裂变与轻核聚变的区别
比较项目 重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
例 3
[针对训练]
C
学习任务三 对粒子的认识
[思维深化]
1．新粒子的发现及特点
发现时间 1932年 1937年 1947年 20世纪
60年代后
新粒子 反粒子 μ子 K介子与π介子 超子
基本
特点 质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反 比质子
的质量
小 质量介于电子
与核子之间 其质量比
质子大
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)。
某中微子观测站揭示了中微子失踪的原因，即观测到的中微子数目比理论上的少是因为部分中微子在运动过程中转化为一个μ子和一个τ子。关于上述研究有以下说法，正确的是( )
A．若发现μ子和中微子运动方向一致，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相反
B．若发现μ子和中微子运动方向一致，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相同
C．若发现μ子和中微子运动方向相反，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相同
D．若发现μ子和中微子运动方向相反，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相反
例 4
C
C 中微子转化为一个μ子和一个τ子的过程中动量守恒， 设中微子运动方向为正方向，有m中v中＝mμvμ＋mτvτ，若μ子和中微子运动方向一致，则m中v中＝mμvμ＋mτvτ，由v中大于0，vμ大于0可知，vτ可能大于0，也可能小于0，即τ子运动方向与中微子运动方向可能相同，也可能相反，A、B错误；若μ子和中微子运动方向相反，则m中v中＝mμvμ＋mτvτ，由v中大于0，vμ小于0可知，vτ一定大于0，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相同，C正确，D错误。
人们在对宇宙射线的研究中，陆续发现了一些新的粒子，K介子和π介子都是科学家在1947年发现的。K－介子的衰变方程为K－→π0＋π－，其中K－介子和π－介子带负电，电荷量等于元电荷的电荷量，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，其轨迹为图中的圆弧虚线，K－介子衰变后，π0介子和π－介子的轨迹可能是( )
例 5
A
A π0介子不带电，在磁场中不偏转，π－介子带负电，在磁场中洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，再根据动量守恒定律判定知A正确。
[针对训练]
B
B 题目中给出的信息是u夸克与d夸克带的电荷量，故应从质子带一个元电荷量，中子不带电荷量的角度考虑，经过分析知B项正确。
随堂练习·培养能力
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
D
D 核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A错误，D正确；发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于其临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B错误；重核裂变时，核子数守恒，C错误。
BD
4．为了探究宇宙起源，科学家将利用阿尔法磁谱仪(AMS)在太空中寻找“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的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，则反氢原子是( )
A．由1个带正电荷的质子和1个带负荷的电子构成
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
B
B 反氢原子由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成。故选B。
课后训练·凝练素养
[基础对点练]
对点练1 核裂变和链式反应
1.如图是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是
( )
A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B．快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成
慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
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B
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B 快中子容易与铀235“擦肩而过”，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，A错误，B正确；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，C、D错误。
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BD
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1
对点练2 轻核聚变的理解与计算
3．下列关于聚变的说法正确的是( )
A．任何两个原子核都可以发生聚变
B．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小
C．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能减小
D．核聚变比核裂变更为安全、清洁，是目前利用核能的主要方式
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B
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B 只有两个质量较小的原子核才可以聚变成一个中等质量的原子核，并不是任何两个原子核都可以发生聚变，A错误；核聚变反应会放出大量的能量，根据质能方程可知反应会发生质量亏损，两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小，比结合能增大，B正确，C错误；核聚变的最终产物是氦，无污染，而核裂变产生的固体核废料具有放射性，因此核聚变更加清洁和安全，但是还不是目前利用核能的主要方式，D错误。
2
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1
4．两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014 u，氦核质量为4.002 u。
(1)写出相应的核反应方程；
(2)求出1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量。已知：阿伏加德罗常数NA为6.0×1023 mol－1，氘核的摩尔质量为2 g/mol，1 u相当于931.5 MeV的能量(结果保留2位有效数字)。
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对点练3 对粒子的认识
5．(多选)关于粒子，下列说法正确的是( )
A．质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B．质子、中子本身也是复合粒子，它们具有复杂的结构
C．质子是带电的强子
D．光子是希格斯玻色子
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BC
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BC 质子和中子是由不同的夸克组成的，它们不是最基本的粒子，故A错误，B正确；不同的夸克组成的强子，有的带电，有的不带电，质子是带正电的强子，故C正确；光子是规范玻色子，故D错误。
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答案：2.45×106 kg
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[尖子生选练]
11．一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法中正确的是
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课时规范训练(二十五)
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