人教版物理选择性必修第三册
第五章 原子核
第4、5节 核裂变与核聚变 “基本”粒子
课标要求
1．知道重核裂变及链式反应的条件；了解核电站及其工作原理。
2．知道核聚变，了解受控热核反应及控制方法。
3.会判断和书写核裂变、核聚变方程，会计算核反应过程释放的能量。
4．了解粒子的分类及夸克模型。
1．填一填
(1)核裂变的发现
①发现：1938年底，德国物理学家 和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现了 的裂变。
②定义：重核被中子轰击后分裂成两个质量 的新原子核，并放出核能的过程。
③铀核裂变：用 轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是
U＋ →Ba＋Kr＋3 。
④链式反应：当一个 引起一个重核裂变后，裂变释放的 再引起其他重核裂变，且能不断继续下去的核裂变反应。
⑤链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于 或裂变物质的质量大于等于 。
(2)反应堆：可以控制 释放核能的装置。
(3)核电站
①组成
核电站是利用核能发电，它的核心设施是 ，它主要由以下几部分组成：
a．燃料： 。
b．慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用 、重水或普通水作慢化剂。
c．控制棒：由吸收 能力很强的镉制成，用以控制链式反应的速度。
②工作原理：核燃料 释放的能量使反应区温度升高。
③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。
④核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和 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 ，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，核反应堆用过的核废料具有很强的 ，需要装入特制的容器，深埋地下。
2．判一判
(1)铀核裂变的产物是固定的，就是生成钡和氪，同时放出3个中子。( )
(2)只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应。( )
(3)核反应堆用过的核废料无毒无害。( )
3．想一想
原子弹应用的是什么核反应，它是根据什么原理制成的，它是如何实现链式反应的？
1．填一填
(1)定义：两个轻核结合成 的核，并释放出能量的反应。
(2)H＋H→He＋n＋17.6 MeV。
(3)条件：要使轻核聚变，必须使轻核间距达到核力发生作用的距离 m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的 ，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达几百万开尔文，因此核聚变又叫 。
(4)太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳的中心温度可达1.6×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部 释放的核能。
(5)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是 ，需要用 爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
(6)聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高。第二：地球上聚变燃料的储量丰富。第三：轻核聚变更为安全、清洁。
(7)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。
(8)控制方法
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，用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。
2．判一判
(1)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。( )
(2)热核反应除用在核武器上外，还用于核电站发电。( )
(3)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量。( )
3．选一选
[多选]关于轻核聚变，下列说法正确的是( )
A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时要吸收能量
B．同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大很多
C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积
D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能
1．填一填
(1)“基本”粒子不基本
①19世纪末，人们都认为光子、电子、 和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子。
②随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的，又发现 、 等本身也有自己的复杂结构。
(2)发现新粒子
①20世纪50年代前发现的新粒子：1932年发现了 ，1937年发现了 μ子,1947年发现了 和 ，及以后的质量比质子的质量大的 。
②20世纪，70年代以后发现的新粒子
1971～1980年间发现τ子、胶子、J/Ψ介子
1981～1990年间发现W和Z玻色子
1991～2000年间发现τ子中微子
2001～至今发现希格斯玻色子
③反粒子：质量、寿命、自旋等物理性质与过去已发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反。例如，电子的反粒子是正电子，质子的反粒子是反质子。
(3)粒子的分类
现在发现的粒子达400多种，它们可大体分为 、 、规范玻色子和希格斯玻色子四大类。
(4)夸克模型
1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克，夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。
2．判一判
(1)电子的反粒子带一个单位的正电荷，质量数为0。( )
(2)质子、中子不能再分。( )
(3)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍。( )
3．选一选
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最基本的粒子
B．强子都是带电的粒子
C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D．夸克模型说明电子不再是电荷的最小单位
核裂变和核能计算
[学透用活]
1．铀核的裂变和裂变方程
(1)核子受激发：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。
(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或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。
(3)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．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。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变时放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的化学能，裂变时能产生几百万摄氏度的高温。
4．铀235比铀238更易发生链式反应
在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是铀238，0.7%的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同。
(1)铀235：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大。
(2)铀238：只有俘获能量大于1 MeV的中子才能发生裂变，且裂变的概率小。能量低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变。因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235。
现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：U＋n―→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ν
(1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零。试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；
(2)已知铀( 92235U)核的质量为235.049 3 u，中子质量为1.008 7 u，钕(143Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u。又知1 u＝1.660 6×10－27 kg，试计算，1 kg铀235大约能产生的能量是多少？
[对点练清]
1．下列核反应中，表示核裂变的是( )
A.U→Th＋He
B.C→N＋e
C.U＋n→Ba＋Kr＋3n
D.Be＋He→C＋n
2．(2024·嘉兴高二阶段练习)(多选)浙江秦山核电站第三期工程有两个70万千瓦发电机组已并网发电。发电站的核能来源于U的裂变，下列说法正确的是( )
A.U裂变时释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小
B.U的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为U＋n―→Ba＋Kr＋3n
C.U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短
D．一个U核裂变能放出约200 MeV的能量，约3.2×10－11 J
3．一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程式为U＋n→X＋Sr＋2n，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
反应堆的工作原理和核电站主要组成
[学透用活]
1．反应堆工作原理
(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图。铀棒是燃料，由天然铀或者浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，常用石墨、重水和普通水(也叫轻水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围。
(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。
(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态的金属钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去 ，用于推动汽轮发电机发电。发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。
2．核电站的主要组成
核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要组成如表格：
部件名称 慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层
采用的 材料 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 镉 水或液态的金属钠 很厚的水泥外壳
作用 降低中子速度，便于铀235吸收 吸收中子，控制反应速度 把反应堆内的热量传输出去 屏蔽射线，防止放射性污染
如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆，下列说法中正确的是( )
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
[对点练清]
1．核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成( )
A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统
B．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统
C．原子燃料、减速剂、碰撞系统和传热系统
D．原子燃料、中子源、原子能储存系统和输送系统
2．[多选]目前我国已经建成秦山和大亚湾核电站并投入使用，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是( )
A．核能发电对环境的污染比火力发电要小
B．核能发电对环境的污染比火力发电要大
C．都只利用核裂变释放大量的原子能
D．既有核裂变，又有核聚变释放大量的原子能
3．铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应式是U＋n―→Ba＋Kr＋3n。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．铀核的链式反应不可人工控制
D．铀核的半衰期会受到环境温度的影响
核聚变的特点及应用
[学透用活]
1．核聚变发生的条件
要使轻核聚变，必须使轻核间距达到核力发生作用的距离10－15 m以内，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。
2．轻核聚变是放能反应
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放能反应。
3．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进行下去。
(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。
4．核聚变的作用
(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。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。
(2)可控热核反应：目前处于探索阶段。
5．重核裂变与轻核聚变的区别
对比项目 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
核废料处 理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
原料的 蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富，1 L海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当
可控性 速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前，除氢弹以外，人们还不能控制它
一个质子和两个中子可聚变为一个氚核，已知质子质量为mH＝1.007 3 u，中子质量为mn＝1.008 7 u，氚核质量为m＝3.018 0 u。
(1)写出聚变方程；
(2)释放出的核能多大？
(3)平均每个核子释放的能量是多大？
[对点练清]
1．[多选]下列关于核聚变的说法中正确的是( )
A．要使聚变发生，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，因此核聚变又叫作热核反应
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
2．[多选]能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一。下列释放核能的核反应方程，表述正确的有( )
A.H＋H→He＋n是核聚变反应
B.H＋H→He＋n是β衰变
C.U＋n→Ba＋Kr＋3n是核裂变反应
D.U＋n→Xe＋Sr＋2n是α衰变
3．(2024·浙江1月选考)已知氘核质量为2.014 1 u，氚核质量为3.016 1 u，氦核质量为4.002 6 u，中子质量为1.008 7 u，阿伏加德罗常数NA取6.0×1023 mol－1，氘核摩尔质量为2 g·mol－1,1 u相当于931.5 MeV。关于氘与氚聚变成氦，下列说法正确的是( )
A．核反应方程式为H＋H―→He＋n
B．氘核的比结合能比氦核的大
C．氘核与氚核的间距达到10－10 m就能发生核聚变
D．4 g氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025 MeV
对粒子的认识
[学透用活]
1．粒子与反粒子
随着科学技术的发展，人们发现了更多的粒子，一方面是“基本粒子”不基本，另一方面是发现了反粒子。
2．对各类粒子的认识
(1)强子参与强相互作用，有内部结构，由“夸克”构成。
(2)轻子不参与强相互作用，且没发现内部结构。如电子、电子中微子等。
(3)玻色子传递各种相互作用，如光子传递电磁相互作用，中间坡色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用。
3．对夸克模型的认识
(1)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)。
(2)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－。
(3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。
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夸克所带的电荷量为e，d夸克所带的电荷量为－e，e为元电荷，下列论断中可能正确的是( )
A．质子由1个u夸克和2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2个u夸克和1个d夸克组成
[对点练清]
1．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．氢核、氘核、氦核等轻核
2．[多选]下列关于夸克模型的说法正确的是( )
A．强子是由更基本的夸克组成的
B．夸克的电荷量分别为元电荷的＋或－
C．每种夸克都有对应的反夸克
D．夸克能以自由的状态单个出现
3.[多选]由中国提供永磁体的阿尔法磁谱仪如图所示，它曾由航天飞机携带升空，将其安装在阿尔法国际空间站中，主要使命之一是探索宇宙中的反物质。所谓的反物质即质量与正粒子相等，带电荷量与正粒子相等但电性相反，例如反质子即为H。假若使一束质子、反质子、α粒子和反α粒子组成的射线，通过OO′进入匀强磁场B2而形成图中的4条径迹，则( )
A．1、2是反粒子径迹 B．3、4为反粒子径迹
C．2为反α粒子径迹 D．4为反α粒子径迹
一、估算太阳的寿命(科学探究)
太阳中发生的氢核聚变成氦核的反应，是太阳辐射能量的来源。假定地球表面1 m2接受能量的功率为1.4 kW，地球到太阳的距离为1.5×1011 m，太阳的质量为2×1030 kg，请估算太阳的寿命。
二、典题好题发掘，练典题做一当十
4个氢核(质子)聚变成1个氦核，同时放出2个正电子10e。写出这个过程的核反应方程，并计算释放了多少能量。若1 g氢完全聚变，能释放多少能量？(氢核的质量为1.007 3 u，氦核的质量为4.002 6 u,1 u相当于931.5 MeV)
[课时跟踪训练]
A级—双基达标
1．链式反应中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是( )
A．质子 B．中子
C．β粒子 D．α粒子
2．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．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
3．1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线。下列关于这个实验的说法中正确的是( )
A．这个实验的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋n
B．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和
C．这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算
D．实验中产生的γ射线穿透能力极强
4．1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏加德罗常数)( )
A．NA×196 MeV B．235NA×196 MeV
C．235×196 MeV D.×196 MeV
5．可控核反应堆是驱动航空母舰的理想设备。其工作原理是利用重核裂变反应释放出大量核能获得动力，U＋n→Ba＋Kr＋yX是若干核反应的一种，其中n为中子，X为待求粒子，y为X的个数，则( )
A．X是中子，y＝4 B．X是电子，y＝3
C．X是质子，y＝2 D．X是中子，y＝3
6．[多选]
我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是( )
A．核聚变比核裂变更为安全、清洁
B．任何两个原子核都可以发生聚变
C．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加
D．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
7．[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，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷。
粒子 π＋ π－ u d
带电量 ＋e －e ＋e －e －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
8．我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(俗称“人造太阳”)。设可控热核实验反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4，光速为c，下列有关说法正确的是( )
A．这种装置中发生的核反应方程式是H＋H→He＋n
B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4
C．核反应放出的能量等于(m1－m2－m3－m4)c2
D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同
9．假设有一种放射线是由铀核U衰变成Th，并释放一种粒子产生的。
(1)写出U衰变为Th的方程式；
(2)已知铀核质量为3.853 131×10－25 kg，钍核的质量为3.786 567×10－25 kg，α粒子的质量为6.646 72×10－27 kg，求衰变释放的能量。
B级—选考提能
10．关于热核反应是一种理想能源的原因，以下说法不正确的是( )
A．就平均每一个核子来说，热核反应比重核裂变时释放的能量多
B．对环境的放射性污染较重核裂变轻，且较容易处理
C．热核反应的原料在地球上储量丰富
D．热核反应的速度容易控制
11．[多选]一种典型的铀核裂变是生成钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是U＋X→Ba＋Kr＋3n。已知部分原子核的比结合能与核子数的关系如图所示，下列说法正确的是( )
A．核反应方程中，X粒子是中子
B．核反应方程中，X粒子是质子
C.U、Ba和Kr相比，Ba核的比结合能最大，它最稳定
D.U、Ba和Kr相比，U核的核子数最多，它的结合能最大
12．两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)。已知氘核质量m0＝2.013 6 u，氦核质量mHe＝3.015 0 u，中子质量mn＝1.008 7 u。
(1)写出聚变方程并算出释放的核能(已知1 u相当于931.5 MeV)；
(2)若反应前两氘核的动能均为Ek0＝0.35 MeV，它们正面对撞发生核聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？
7 / 7人教版物理选择性必修第三册
第五章 原子核
第4、5节 核裂变与核聚变 “基本”粒子
课标要求
1．知道重核裂变及链式反应的条件；了解核电站及其工作原理。
2．知道核聚变，了解受控热核反应及控制方法。
3.会判断和书写核裂变、核聚变方程，会计算核反应过程释放的能量。
4．了解粒子的分类及夸克模型。
1．填一填
(1)核裂变的发现
①发现：1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现了铀核的裂变。
②定义：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程。
③铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是
U＋n→Ba＋Kr＋3n。
④链式反应：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去的核裂变反应。
⑤链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于临界体积或裂变物质的质量大于等于临界质量。
(2)反应堆：可以控制链式反应释放核能的装置。
(3)核电站
①组成
核电站是利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成：
a．燃料：铀棒。
b．慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水作慢化剂。
c．控制棒：由吸收中子能力很强的镉制成，用以控制链式反应的速度。
②工作原理：核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高。
③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。
④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水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，核反应堆用过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。
2．判一判
(1)铀核裂变的产物是固定的，就是生成钡和氪，同时放出3个中子。(×)
(2)只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应。(√)
(3)核反应堆用过的核废料无毒无害。(×)
3．想一想
原子弹应用的是什么核反应，它是根据什么原理制成的，它是如何实现链式反应的？
提示：原子弹是根据重核的裂变原理制成的，是铀核裂变的链式反应，制成时是由两块或几块小于临界体积分离的铀块构成，引爆时，可通过普通炸药使原来分离的几块铀块相互靠近挤压形成一块大于临界体积的铀块而发生链式反应，从而瞬间释放巨大的能量即核爆炸。
1．填一填
(1)定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应。
(2)H＋H→He＋n＋17.6 MeV。
(3)条件：要使轻核聚变，必须使轻核间距达到核力发生作用的距离10－15 m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达几百万开尔文，因此核聚变又叫热核反应。
(4)太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳的中心温度可达1.6×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部核聚变释放的核能。
(5)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹，需要用原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
(6)聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高。第二：地球上聚变燃料的储量丰富。第三：轻核聚变更为安全、清洁。
(7)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。
(8)控制方法
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反应物，使它们“挤”在一起发生反应。
2．判一判
(1)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。(√)
(2)热核反应除用在核武器上外，还用于核电站发电。(×)
(3)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量。(√)
3．选一选
[多选]关于轻核聚变，下列说法正确的是( )
A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时要吸收能量
B．同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大很多
C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积
D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能
解析：选BD 根据比结合能图线可知，聚变后比结合能增加，因此聚变反应中会释放能量，故A错误；聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变反应中每个核子放出的能量大3～4倍，故B正确；裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积，而聚变反应时，要使轻核之间的距离达到10－15 m以内，这需要原子核有很大的动能才可以实现聚变反应，故C错误，D正确。
1．填一填
(1)“基本”粒子不基本
①19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子。
②随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。
(2)发现新粒子
①20世纪50年代前发现的新粒子：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，及以后的质量比质子的质量大的超子。
②20世纪，70年代以后发现的新粒子
1971～1980年间发现τ子、胶子、J/Ψ介子
1981～1990年间发现W和Z玻色子
1991～2000年间发现τ子中微子
2001～至今发现希格斯玻色子
③反粒子：质量、寿命、自旋等物理性质与过去已发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反。例如，电子的反粒子是正电子，质子的反粒子是反质子。
(3)粒子的分类
现在发现的粒子达400多种，它们可大体分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子四大类。
(4)夸克模型
1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克，夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。
2．判一判
(1)电子的反粒子带一个单位的正电荷，质量数为0。(√)
(2)质子、中子不能再分。(×)
(3)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍。(×)
3．选一选
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最基本的粒子
B．强子都是带电的粒子
C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D．夸克模型说明电子不再是电荷的最小单位
解析：选D 由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A、B错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电荷不同，分别为＋e和－e，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，故C错误，D正确。
核裂变和核能计算
[学透用活]
1．铀核的裂变和裂变方程
(1)核子受激发：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。
(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或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。
(3)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．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。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变时放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的化学能，裂变时能产生几百万摄氏度的高温。
4．铀235比铀238更易发生链式反应
在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是铀238，0.7%的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同。
(1)铀235：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大。
(2)铀238：只有俘获能量大于1 MeV的中子才能发生裂变，且裂变的概率小。能量低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变。因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235。
现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：U＋n―→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ν
(1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零。试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；
(2)已知铀( 92235U)核的质量为235.049 3 u，中子质量为1.008 7 u，钕(143Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u。又知1 u＝1.660 6×10－27 kg，试计算，1 kg铀235大约能产生的能量是多少？
[解析] (1)根据电荷数和质量数守恒，可得
Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40，
质量数A＝236－143－3×1＝90。
(2)Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)
＝0.217 4 u＝0.217 4×1.660 6×10－27 kg
≈3.6×10－28 kg
ΔE＝Δmc2＝3.6×10－28×(3×108)2 J
＝3.24×10－11 J
n＝×6.02×1023个≈2.562×1024个
E总＝nΔE＝2.562×1024×3.24×10－11 J
≈8.3×1013 J。
[答案] (1)40 90 (2)8.3×1013 J
[规律方法]
重核裂变释放的核能的计算方法
(1)根据爱因斯坦质能方程，用裂变反应中质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中的光速(c＝3×108 m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2。
(2)根据1个原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量计算，用裂变反应中质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm(u)×931.5 MeV。
(3)由核能的转化量计算。
[对点练清]
1．下列核反应中，表示核裂变的是( )
A.U→Th＋He
B.C→N＋e
C.U＋n→Ba＋Kr＋3n
D.Be＋He→C＋n
解析：选C U→Th＋He是α衰变，C→N＋e是β衰变，Be＋He→C＋n是原子核的人工转变，只有C选项是重核裂变。
2．(2024·嘉兴高二阶段练习)(多选)浙江秦山核电站第三期工程有两个70万千瓦发电机组已并网发电。发电站的核能来源于U的裂变，下列说法正确的是( )
A.U裂变时释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小
B.U的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为U＋n―→Ba＋Kr＋3n
C.U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短
D．一个U核裂变能放出约200 MeV的能量，约3.2×10－11 J
解析：选BD U裂变时，核子数、质量数守恒，只是重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，产生质量亏损，释放核能，故A错误；根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒可知，B正确；U的半衰期由核内部自身的因素决定，不会随环境温度的变化而改变，故C错误；200 MeV＝200×106×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J，故D正确。
3．一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程式为U＋n→X＋Sr＋2n，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
解析：选A 根据电荷数守恒、质量数守恒可知，X原子核质量数为140，电荷数为54，其中子数为140－54＝86，核子数为140，故A正确，B错误；裂变过程中释放核能，反应前后总质量不同，但质量数守恒，故C、D均错误。
反应堆的工作原理和核电站主要组成
[学透用活]
1．反应堆工作原理
(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图。铀棒是燃料，由天然铀或者浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，常用石墨、重水和普通水(也叫轻水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围。
(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。
(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态的金属钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去 ，用于推动汽轮发电机发电。发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。
2．核电站的主要组成
核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要组成如表格：
部件名称 慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层
采用的 材料 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 镉 水或液态的金属钠 很厚的水泥外壳
作用 降低中子速度，便于铀235吸收 吸收中子，控制反应速度 把反应堆内的热量传输出去 屏蔽射线，防止放射性污染
如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆，下列说法中正确的是( )
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] 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，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，选项C、D错误。
[答案] B
[对点练清]
1．核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成( )
A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统
B．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统
C．原子燃料、减速剂、碰撞系统和传热系统
D．原子燃料、中子源、原子能储存系统和输送系统
解析：选A 核反应堆里用的核燃料是用浓缩铀(铀235占2%～4%)制成的铀棒；铀235易俘获慢中子，不易俘获快中子，必须使用减速剂(如石墨、重水、普通水)，让快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子；控制调节系统是用于调节中子的数目以控制反应速度，它是由镉做成的置放在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组成；冷却系统靠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，同时使反应堆冷却，保证安全。
2．[多选]目前我国已经建成秦山和大亚湾核电站并投入使用，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是( )
A．核能发电对环境的污染比火力发电要小
B．核能发电对环境的污染比火力发电要大
C．都只利用核裂变释放大量的原子能
D．既有核裂变，又有核聚变释放大量的原子能
解析：选AC 目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且污染程度小，核燃料是一种比较清洁的能源，A、C正确，B、D错误。
3．铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应式是U＋n―→Ba＋Kr＋3n。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．铀核的链式反应不可人工控制
D．铀核的半衰期会受到环境温度的影响
解析：选A 从铀核裂变方程可以看出，反应中伴随着中子放出，A项正确；铀块的体积必须大于临界体积才能发生链式反应，B项错误；通过控制中子数可以控制链式反应，C项错误；铀核的半衰期与物理、化学状态无关，因此不受环境温度的影响，D项错误。
核聚变的特点及应用
[学透用活]
1．核聚变发生的条件
要使轻核聚变，必须使轻核间距达到核力发生作用的距离10－15 m以内，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。
2．轻核聚变是放能反应
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放能反应。
3．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进行下去。
(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。
4．核聚变的作用
(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。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。
(2)可控热核反应：目前处于探索阶段。
5．重核裂变与轻核聚变的区别
对比项目 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
核废料处 理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
原料的 蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富，1 L海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当
可控性 速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前，除氢弹以外，人们还不能控制它
一个质子和两个中子可聚变为一个氚核，已知质子质量为mH＝1.007 3 u，中子质量为mn＝1.008 7 u，氚核质量为m＝3.018 0 u。
(1)写出聚变方程；
(2)释放出的核能多大？
(3)平均每个核子释放的能量是多大？
[解析] (1)聚变方程：11H＋201n→13H。
(2)质量亏损Δm＝mH＋2mn－m
＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0)u
＝0.006 7 u
释放的核能
ΔE＝Δmc2＝0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV。
(3)平均每个核子放出的能量为
MeV＝2.08 MeV。
[答案] (1)11H＋201n→13H (2)6.24 MeV
(3)2.08 MeV
[规律方法]
(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式的重要依据。
(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。
[对点练清]
1．[多选]下列关于核聚变的说法中正确的是( )
A．要使聚变发生，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，因此核聚变又叫作热核反应
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：选ABC 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，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，这样高的温度可通过原子弹爆炸获得，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，D错误。
2．[多选]能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一。下列释放核能的核反应方程，表述正确的有( )
A.H＋H→He＋n是核聚变反应
B.H＋H→He＋n是β衰变
C.U＋n→Ba＋Kr＋3n是核裂变反应
D.U＋n→Xe＋Sr＋2n是α衰变
解析：选AC H＋H→He＋n是核聚变反应，而不是β衰变，A正确，B错误；C、D选项都是核裂变反应，C正确，D错误。
3．(2024·浙江1月选考)已知氘核质量为2.014 1 u，氚核质量为3.016 1 u，氦核质量为4.002 6 u，中子质量为1.008 7 u，阿伏加德罗常数NA取6.0×1023 mol－1，氘核摩尔质量为2 g·mol－1,1 u相当于931.5 MeV。关于氘与氚聚变成氦，下列说法正确的是( )
A．核反应方程式为H＋H―→He＋n
B．氘核的比结合能比氦核的大
C．氘核与氚核的间距达到10－10 m就能发生核聚变
D．4 g氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025 MeV
解析：选D 核反应方程式为H＋H―→He＋n，故A错误；氘核的比结合能比氦核的小，故B错误；要使氘核与氚核发生核聚变，必须使它们间的距离达到10－15 m以内，故C错误；一个氘核与一个氚核聚变反应质量亏损Δm＝(2.014 1＋3.016 1－4.002 6－1.008 7)u＝0.018 9 u，聚变反应释放的能量为ΔE＝Δm·931.5 MeV≈17.6 MeV,4 g氘完全参与聚变释放出能量E＝×6×1023×ΔE≈2.11×1025 MeV，数量级为1025 MeV，故D正确。
对粒子的认识
[学透用活]
1．粒子与反粒子
随着科学技术的发展，人们发现了更多的粒子，一方面是“基本粒子”不基本，另一方面是发现了反粒子。
2．对各类粒子的认识
(1)强子参与强相互作用，有内部结构，由“夸克”构成。
(2)轻子不参与强相互作用，且没发现内部结构。如电子、电子中微子等。
(3)玻色子传递各种相互作用，如光子传递电磁相互作用，中间坡色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用。
3．对夸克模型的认识
(1)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)。
(2)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－。
(3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。
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夸克所带的电荷量为e，d夸克所带的电荷量为－e，e为元电荷，下列论断中可能正确的是( )
A．质子由1个u夸克和2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2个u夸克和1个d夸克组成
[解析] 质子 11H所带的电荷量为2×e＋＝e，中子 01n所带的电荷量为e＋2×＝0，结合不同夸克的带电荷量可知，B正确。
[答案] B
[规律方法]
质子和中子的组成
(1)质子带一个元电荷e的电荷量，两个u夸克和1个d夸克可以组成一个质子。
(2)中子不带电，1个u夸克和两个d夸克可以组成一个中子。
[对点练清]
1．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．氢核、氘核、氦核等轻核
解析：选A 宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核合成时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此A正确，B、C、D错误。
2．[多选]下列关于夸克模型的说法正确的是( )
A．强子是由更基本的夸克组成的
B．夸克的电荷量分别为元电荷的＋或－
C．每种夸克都有对应的反夸克
D．夸克能以自由的状态单个出现
解析：选ABC 夸克不能以自由的状态单个出现，D错误，A、B、C正确。
3.[多选]由中国提供永磁体的阿尔法磁谱仪如图所示，它曾由航天飞机携带升空，将其安装在阿尔法国际空间站中，主要使命之一是探索宇宙中的反物质。所谓的反物质即质量与正粒子相等，带电荷量与正粒子相等但电性相反，例如反质子即为H。假若使一束质子、反质子、α粒子和反α粒子组成的射线，通过OO′进入匀强磁场B2而形成图中的4条径迹，则( )
A．1、2是反粒子径迹 B．3、4为反粒子径迹
C．2为反α粒子径迹 D．4为反α粒子径迹
解析：选AC 由左手定则判定质子、α粒子受到洛伦兹力向右偏转；反质子、反α粒子向左偏转，故选项A正确。进入匀强磁场B2的粒子具有相同的速度，由偏转半径R＝ 知，反α粒子、α粒子在磁场中的半径大，C正确。
一、估算太阳的寿命(科学探究)
太阳中发生的氢核聚变成氦核的反应，是太阳辐射能量的来源。假定地球表面1 m2接受能量的功率为1.4 kW，地球到太阳的距离为1.5×1011 m，太阳的质量为2×1030 kg，请估算太阳的寿命。
[解析] 太阳每秒辐射的能量
E0＝4πr2×P0
＝4×3.14×(1.5×1011)2×1.4×103 J
＝4.0×1026 J
太阳每秒钟减少的质量
Δm＝＝ kg
＝4.44×109 kg
所以太阳的寿命为
n＝＝(年)
＝1.43×1013(年)
[答案] 1.43×1013年
二、典题好题发掘，练典题做一当十
4个氢核(质子)聚变成1个氦核，同时放出2个正电子10e。写出这个过程的核反应方程，并计算释放了多少能量。若1 g氢完全聚变，能释放多少能量？(氢核的质量为1.007 3 u，氦核的质量为4.002 6 u,1 u相当于931.5 MeV)
[解析] 核反应方程为：4H→He＋2e
由Δm＝4×1.007 3 u－4.002 6 u＝0.026 6 u
释放的核能
ΔE＝Δmc2＝0.026 6×931.5 MeV＝24.778 MeV
1 g氢含有6.02×1023个氢核，完全聚变放出的能量
E＝×ΔE＝×24.778 MeV
＝3.729×1024 MeV
[答案] 4H→He＋2e 24.778 MeV
3．729×1024 MeV
[课时跟踪训练]
A级—双基达标
1．链式反应中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是( )
A．质子 B．中子
C．β粒子 D．α粒子
解析：选B 重核裂变链式反应发生依靠中子不断地轰击原子核使得裂变不断进行下去，故选项B正确。
2．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．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：选B 最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，故选项A错误；强子有内部结构，由夸克组成，轻子没有内部结构，所以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，B正确、D不正确。
3．1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线。下列关于这个实验的说法中正确的是( )
A．这个实验的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋n
B．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和
C．这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算
D．实验中产生的γ射线穿透能力极强
解析：选D 根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：U＋n―→Ba＋Kr＋3n，选项A不正确；铀核裂变过程中产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B、C不正确；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项D正确。
4．1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏加德罗常数)( )
A．NA×196 MeV B．235NA×196 MeV
C．235×196 MeV D.×196 MeV
解析：选D 由于1 mol的铀核质量为235 g,1 g铀235的物质的量为 mol，因此1 g铀235释放的能量E＝×196 MeV，故D正确。
5．可控核反应堆是驱动航空母舰的理想设备。其工作原理是利用重核裂变反应释放出大量核能获得动力，U＋n→Ba＋Kr＋yX是若干核反应的一种，其中n为中子，X为待求粒子，y为X的个数，则( )
A．X是中子，y＝4 B．X是电子，y＝3
C．X是质子，y＝2 D．X是中子，y＝3
解析：选A 核反应过程中电荷数守恒，质量数守恒，y个X粒子的总电荷数为92－56－36＝0，总质量数为235＋1－143－89＝4，分析可知X为中子，y为4，B、C、D选项错误，A选项正确。
6．[多选]
我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是( )
A．核聚变比核裂变更为安全、清洁
B．任何两个原子核都可以发生聚变
C．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加
D．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
解析：选AD 与核裂变相比，轻核聚变没有放射性污染，安全、清洁，A正确；只有原子序数小的轻核才能发生聚变，B错误；轻核聚变成质量较大的原子核，比结合能增加、总质量减小，故C错误，D正确。
7．[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，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷。
粒子 π＋ π－ u d
带电量 ＋e －e ＋e －e －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：选AD 根据电荷量关系可知由于π＋介子带有＋e的电荷量，又由于π＋介子是由一个夸克和一个反夸克组成，根据题意可知π＋介子(＋e)应由一个夸克u(＋e) 和一个反夸克(＋e)组成，故A对，B错；同理π－介子由夸克d和反夸克组成，故C错，D正确。
8．我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(俗称“人造太阳”)。设可控热核实验反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4，光速为c，下列有关说法正确的是( )
A．这种装置中发生的核反应方程式是H＋H→He＋n
B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4
C．核反应放出的能量等于(m1－m2－m3－m4)c2
D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同
解析：选A 核反应方程为H＋H→He＋n，选项A正确；反应过程中向外释放能量，故质量有亏损，且释放的能量ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，选项B、C错误；可控热核反应原理为核聚变，大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变，选项D错误。
9．假设有一种放射线是由铀核U衰变成Th，并释放一种粒子产生的。
(1)写出U衰变为Th的方程式；
(2)已知铀核质量为3.853 131×10－25 kg，钍核的质量为3.786 567×10－25 kg，α粒子的质量为6.646 72×10－27 kg，求衰变释放的能量。
解析：(1)反应方程式为U→Th＋He。
(2)核反应中质量亏损Δm＝mU－mTh－mα，
由质能方程得，释放的能量ΔE＝Δmc2＝(mU－mTh－mα)c2，
代入数据得ΔE＝8.7×10－13 J。
答案：(1)U→Th＋ He (2)8.7×10－13 J
B级—选考提能
10．关于热核反应是一种理想能源的原因，以下说法不正确的是( )
A．就平均每一个核子来说，热核反应比重核裂变时释放的能量多
B．对环境的放射性污染较重核裂变轻，且较容易处理
C．热核反应的原料在地球上储量丰富
D．热核反应的速度容易控制
解析：选D 由热核反应的优势可知，选项A、B、C正确，热核反应的速度不容易人为控制，故D项错误。
11．[多选]一种典型的铀核裂变是生成钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是U＋X→Ba＋Kr＋3n。已知部分原子核的比结合能与核子数的关系如图所示，下列说法正确的是( )
A．核反应方程中，X粒子是中子
B．核反应方程中，X粒子是质子
C.U、Ba和Kr相比，Ba核的比结合能最大，它最稳定
D.U、Ba和Kr相比，U核的核子数最多，它的结合能最大
解析：选AD 根据核反应质量数守恒和电荷数守恒可知题中的核反应方程中X粒子是中子，选项A正确，B错误；根据题图，核子数为80左右的原子核的比结合能最大，最稳定，所以U、Ba和Kr相比，Kr核的比结合能最大，最稳定，选项C错误；U、Ba和Kr相比，U的核子数最多，它的结合能最大，选项D正确。
12．两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)。已知氘核质量m0＝2.013 6 u，氦核质量mHe＝3.015 0 u，中子质量mn＝1.008 7 u。
(1)写出聚变方程并算出释放的核能(已知1 u相当于931.5 MeV)；
(2)若反应前两氘核的动能均为Ek0＝0.35 MeV，它们正面对撞发生核聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？
解析：(1)聚变的核反应方程为2H→He＋n。
这个核反应中的质量亏损为：
Δm＝2m0－(mHe＋mn)
＝(2×2.013 6－3.015 0－1.008 7)u＝0.003 5 u。
释放的核能为ΔE＝0.003 5×931.5 MeV＝3.26 MeV。
(2)把两个氘核作为一个系统，对撞过程中动量守恒，由于反应前两核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的总动量恒为零，即：
0＝mHevHe＋mnvn①
又由于反应前后能量守恒，故反应后氦核和中子的总动能为：mHevHe2＋mnvn2＝ΔE＋2Ek0②
因为mHe∶mn＝3∶1，
所以氦核和中子的速率之比为：＝
把这两个关系式代入②式得：
ΔE＋2Ek0＝4×mHevHe2＝4EkHe。
解得氦核的动能和中子的动能分别为：
EkHe＝×(3.26＋2×0.35)MeV＝0.99 MeV，
Ekn＝3EkHe＝2.97 MeV。
答案：(1)2H→He＋n 3.26 MeV
(2)0.99 MeV 2.97 MeV
7 / 7
