人教版高中物理选择性必修第三册第五章原子核第4节核裂变与核聚变第5节“基本”粒子课件（62页PPT）

(共62张PPT)
[学习目标]
1.知道什么是核裂变、核聚变和链式反应，知道链式反应和核聚变的条件。
2.会书写核裂变和核聚变方程，会利用质量亏损计算核裂变和核聚变产生的核能。
3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度。
4.了解粒子的发现史，知道粒子的分类及特点，了解夸克模型。
1.核裂变：铀核在被____轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。
2.铀核裂变
中子
3.链式反应
由重核裂变产生的中子使核裂变反应____________继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。
一代接一代
4.临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生____反应的____体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
5.核裂变的能量：重核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以_____能量。
如果一个铀235核裂变时释放的能量按200 MeV估算，1 kg铀235全部发生核裂变时放出的能量就相当于______标准煤完全燃烧时释放的化学能。
链式
最小
放出
2 800 t
[思考探究]
如图所示为核裂变示意图。
(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)重核裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，所以重核裂变不是一种天然现象。
(2)不是。有中子轰击铀块且铀块的体积大于等于临界体积，才会发生链式反应。
A
[总结提升]
重核裂变的理解
(1)重核裂变是中子轰击质量较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。
(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后有质量亏损，根本原因是重核的平均结合能比中等质量的核的平均结合能小。所以在重核裂变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。
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)核燃料：____。
(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_________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。
核反应堆
铀棒
石墨、重水或普通水(轻水)
吸收中子
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。
核燃料发生核裂变
热量
水泥层
核裂变产物
放射性
[思考探究]
如图所示为核电站工作流程示意图。
(1)核电站的核心设施是什么？
(2)核电站发电有什么优点？
提示　(1)核反应堆是核电站的核心设施，原子核的链式反应在此进行。
(2)消耗原料少；作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大；对环境的污染要比火力发电小。
[例3]　如图为普通核反应堆的结构示意图，通过铀235链式反应实现核能的可控释放。下列关于核反应堆工作中的说法正确的是(　　)
C
A.正常运行的反应堆，水泥防护层外能检测到大量α粒子
B.中子速度越快越容易发生链式反应
C.通过改变镉棒的插入深度来控制反应速度
D.铀核裂变时释放能量的多少与生成物种类无关
解析　正常运行的核反应堆主要的辐射有γ辐射和中子辐射，所以水泥防护层外不可能检测到大量α粒子，故A错误；中子速度越快越不容易使链式反应发生，故B错误；利用镉棒对中子吸收能力强的特点，通过改变镉棒的插入深度，从而改变中子的数量来控制反应速度，故C正确；核裂变释放的能量与反应前后质量亏损有关，铀核裂变时会因产物种类不同导致质量亏损不同，释放能量不同，故D错误。
D
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。
轻核
3.条件：使轻核的距离达到____ m以内。
方法：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。
10-15
温度
聚变
核
原子弹
原子弹
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：利用磁场来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：利用核聚变物质的惯性进行约束。在惯性约束下，可以用高能量密度的____或X射线从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。由于核聚变反应的时间非常短，被“挤”在一起的核聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。
效率高
丰富
高
环流器
激光
[思考探究]
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。
[例5]　 (多选)下列关于核聚变的说法中，正确的是(　　)
A.要使核聚变发生，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，因此轻核聚变又叫热核反应
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
解析　轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10-15 m以内，所以必须克服库仑斥力做功，故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的高温下才有这样的能量，这样高的温度能够通过原子弹爆炸获得，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，故D错误。
ABC
C
[总结提升]
核聚变的特点
(1)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放能反应。
(2)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放出的能量多。
(3)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它提供能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
(4)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。
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。
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______。
质子
中子
质子
正电子
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。
[易错辨析]
(1)目前，人们认为粒子界由夸克、强子、轻子构成。( )
(2)质子、中子本身也是复合粒子，它们具有复杂的结构。( )
(3)强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子。( )
×
√
√
[例7]　 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.现代实验发现强子、轻子都有内部结构
D.τ子质量比核子质量大，τ子不属于轻子
解析　最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，A错误；强子有内部结构，由夸克组成，现代实验还没有发现轻子的内部结构，C错误；质子、中子、介子、超子都属于强子，τ子质量比核子质量大，但仍属于轻子，D错误，B正确。
B
[例8]　(多选)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基本粒子
B.强子都是带电粒子
C.反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象
D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单元
CD
D
2.(反应堆与核电站)如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法正确的是(　　)
B
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的能量减少，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　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，故选项B正确，A错误；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，故选项C、D错误。
C
4.(粒子及其分类)(多选)关于人们发现的新粒子，下列说法正确的是(　　)
A.许多粒子都有自己的反粒子
B.把粒子分为强子、轻子、媒介子，依据是粒子与各种相互作用的关系
C.质子属于强子
D.光子属于轻子
解析　许多粒子都有自己的反粒子，“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，故A正确；粒子分为三大类：媒介子、轻子和强子，依据是其与相互作用的关系，质子和中子属于强子，光子属于媒介子，故B、C正确，D错误。
ABC
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[基础巩固练]
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，裂变时因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，链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于或等于其临界体积，在裂变反应中核子数是不会减少的，故选D。
D
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2.(多选)下列说法正确的是(　　)
A.目前还未发现轻子的内部结构
B.自然界存在着的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律，对粒子不适用
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
解析　现代实验中还没有发现轻子的内部结构，故A正确；能量守恒定律等对粒子也适用，故B错误；反粒子与其相应的粒子带等量异种电荷，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。
ACD
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6.(多选)如图所示，核反应堆通过可控的链式反应实现核能的释放。核燃料是铀棒，在铀棒周围放慢化剂，快中子和慢化剂中的碳原子核碰撞后，中子能量减少变为慢中子。下列说法正确的是(　　)
BCD
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[拓展培优练]
13.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相当于931.5 MeV的能量，真空中的光速c＝3×108 m/s。
(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？
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