第四章 第六、七节+核能利用+小粒子与大宇宙 Word版含解析
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| 名称 | 第四章 第六、七节+核能利用+小粒子与大宇宙 Word版含解析 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 221.2KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 粤教版 | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2019-04-19 14:47:59 | ||
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文档简介
第六、七节核能利用__小粒子与大宇宙
1．核反应堆是人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来。
2．反应堆里用的铀棒是天然铀或浓缩铀；石墨、重水的作用是使快中子变成慢中子，充当减速剂；镉棒的作用是吸收减速后的中子，控制反应速度，充当控制棒。
3．为了防止铀核裂变物放出的射线对人体的危害，在反应堆外面要修建很厚的水泥防护层来屏蔽射线，对放射性的废料也要装入特制的容器，埋入深地层来处理。
4．我国已于广东大亚湾建成两座核电站，还有浙江的秦山核电站。
5．人类目前能够观测到的最大距离约是140亿光年之远。这一距离可以看成是目前观测到的宇宙半径。
6．对宇宙的时空结构、运动形态和物体演化的理论描述，称为宇宙模型。大爆炸宇宙模型是一种被普遍接受的模型，它认为，宇宙起源于大约150亿年前突然发生的一次大爆炸，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150亿年才演化成今天的样子。
7．人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从10－15 m到1027 m，共跨越了大约42个数量级；目前所知的微观粒子中，寿命最短的只有10－25 s，可见，物质世界的时间尺度，从10－25 s到1018 s，也跨越了将近43个数量级。
核 反 应 堆
1.核反应堆的主要组成部分
如图所示为简化的核反应堆示意图。
(1)核燃料：反应堆使用天然铀或浓缩铀(铀235占3%～4%)制成铀棒，作为核燃料，释放核能。
(2)中子减速剂：铀235具有易俘获慢中子，不易俘获快中子的特点。而核反应中释放的中子多数为快中子，应使用减速剂使它们的速度降下来。常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水。
(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法增减中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子能力很强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度。
(4)保护层：核反应堆外层是很厚的水泥壁，可防止射线辐射出去。
(5)热交换器：靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去。
2．核反应堆的用途
(1)核电站利用反应堆发电。
(2)小型反应堆可以使核能作为动力制造核动力潜艇。
(3)进行各种原子核物理实验。
3．核电站、核能利用
(1)核电站：利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电。
(2)特点：消耗燃料少，但经济效益跟火电站大体相同。
反应堆是核电站的核心，是核电站的热源，核电站靠反应堆产生的内能发电。
1．[多选]为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，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．目前所有核电站都只利用重核裂变释放大量的核能
D．目前核电站只利用轻核聚变释放大量的核能
解析：选AC 目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A、C正确，B、D错误。
对粒子的认识
1.“基本粒子”和新粒子
(1)电子、质子和中子：直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来发现了电子、质子和中子，于是很多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子。然而，随着科学的进一步发展，科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也是复合粒子，并且还有着自己的复杂结构，所以电子、质子、中子并不是组成物质世界的基本粒子。
(2)新粒子：1912年奥地利物理学家赫斯对宇宙射线观测时，发现了一些新粒子。宇宙射线中粒子的能量很高，但数量很少。人们用高能加速器进行实验，发现了更多的粒子。如1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K子和π子。
2．三大类粒子
按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子。
3．夸克模型
(1)夸克模型的提出：许多实验事实表明，强子是有内部结构的。1964年提出的夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克(cuark)。
(2)夸克的分类：夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷分别为电荷的＋或－。每种夸克都有对应的反夸克。
(3)夸克模型的意义：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。
(4)夸克的“禁闭”：目前人们对夸克的认识还是很初步的，科学家们直到今天都还未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”。能否解放被禁闭的夸克，是21世纪物理学面临的重大课题之一。
2．为了探究宇宙起源，“阿尔法磁谱仪”(AMS)将在太空中寻找“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个带负电荷的电子构成
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：选B 根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异性电荷。因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且等量的电荷量。所以反氢原子是由H核和e构成的。
核 反 应 堆
[例1] 在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势，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。
(1)核反应方程式U＋n→Ba＋Kr＋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、Ba、Kr的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的光速，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE＝________。
(2)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全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，铀核的质量mU＝390×10－27kg，求每年(1年3.15×107s)消耗的U的质量。
[解析] (1)由铀核裂变的反应方程可知：X为n，根据质量数和电荷数守恒可得：235＋1＝141＋92＋a，解得a＝3。
反应过程中质量亏损Δm＝mU－mBa－mKr－2mn
故释放能量ΔE＝Δmc2＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2。
(2)核电站消耗核能的功率P′为：
P′＝＝ kW＝2.5×106 kW
核电站每年消耗的核能W为：
W＝P′t＝2.5×106×103×3.15×107 J＝7.875×1016 J
产生这些核能消耗的铀核数目n为：
n＝＝个≈2.83×1027个
故每年消耗U的质量m为：
m＝nmU＝2.83×1027×390×10－27 kg＝1 104 kg。
[答案] (1)n 3 (mU－mBa－mKr－2mn)c2
(2)1 104 kg
解决此类题目时要把已知量和所求量联系起来，注意各物理量间的过渡换算，必要时应用阿伏伽德罗常数联系微观量与宏观量。
1.如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的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．快中子跟减速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：选B 快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟减速剂(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都错误。
夸 克 模 型
[例2] 已经证实，质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为e，下夸克带电为－e，e为电子所带电量的大小，如果质子是由3个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l，l＝1.5×10－15 m。试计算质子内相邻2个夸克之间的静电力(库仑力)。
[解析] 质子带电为＋e，所以它是由2个上夸克和1个下夸克组成的。按题意，3个夸克必位于等边三角形的三个顶点处，这时上夸克与上夸克之间的静电力应为
Fuu＝k＝k 。
代入数值，得Fuu≈46 N，为斥力。
上夸克与下夸克之间的静电力为
Fud＝k＝k 。
代入数值，得Fud≈23 N，为引力。
[答案] 上夸克间静电力Fuu＝46 N，为斥力 上、下夸克间静电力Fud＝23 N，为引力。
夸克模型认为强子是由夸克组成的，它指明电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。
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，D错误，B正确。
一、选择题(第1～5题为单选题，第6～8题为多选题)
1．目前核电站利用的核反应是( )
A．裂变，核燃料为铀 B．聚变，核燃料为铀
C．裂变，核燃料为氘 D．聚变，核燃料为氘
解析：选A 目前核电站利用的核反应是重核裂变，主要原料是铀核，故A对。
2．镉棒在核反应堆中的作用是( )
A．使快中子变慢中子
B．使慢中子变快中子
C．使反应速度加快
D．控制反应速度，调节反应速度的快慢
解析：选D 在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，镉棒起吸收中子，控制反应速度，调节功率大小的作用。故D对。
3．某核反应方程为H＋H→He＋X，已知H的质量为2.013 6 u，H的质量为3.018 u，He的质量为4.002 6 u，X的质量为1.008 7 u。则下列说法中正确的是( )
A．X是质子，该反应释放能量
B．X是中子，该反应释放能量
C．X是质子，该反应吸收能量
D．X是中子，该反应吸收能量
解析：选B 由质量数守恒有，X核的核子数A＝2＋3－4＝1。由电荷数守恒有，X核的质子数：Z＝1＋1－2＝0。由此可得X是中子。由题目给出的已知条件，可算出反应后的质量亏损：Δm＝(2.013 6＋3.018－4.002 6－1.008 7)u ＝0.020 3 u＞0。由于反应过程存在质量亏损，因此该反应必定释放能量。故B对。
4．在核反应堆外修建很厚的水泥层是为了防止( )
A．核爆炸 B．放射线外泄
C．核燃料外泄 D．慢中子外泄
解析：选B 核外反应堆的核燃料一般是铀235，它具有很强的放射性，其衰变时放出的射线能对人体造成极大的伤害，在其外修建很厚的水泥层就是为了防止放射线外泄，则B正确。
5．下列说法正确的是( )
A．原子是组成物质的最小微粒
B．宇宙大爆炸之初产生的粒子是夸克、轻子、胶子等
C．目前我们可以断定夸克已不能再分
D．粒子的带电量不可能比元电荷再小
解析：选B 质子、中子、电子、夸克等都是比原子还小的微粒，A选项错误；宇宙大爆炸之初产生的粒子是夸克、轻子、胶子等粒子，B选项正确；目前我们虽然没有发现夸克有内部结构，但不能断定夸克已不能再分，C选项错误；不同夸克带电不同，分别为＋e和－e，D选项错误。
6．我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U的裂变，则下列说法正确的是( )
A.U原子核中有92个质子，有143个中子
B.U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程式为：U＋n→Xe＋Sr＋3n
C.U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期变短
D．一个U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×1011 J
解析：选ABD 由U的质量数和电荷数的关系易知A正确。由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知B正确。半衰期不受外界因素干扰，故C错误。通过计算知D正确。
7．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．恒星内部发生着各种热核反应，其中“氦燃烧”的核反应方程为：He＋X→Be＋γ，其中X表示某种粒子，Be是不稳定的粒子，其半衰期为T，则下列说法正确的是( )
A．X粒子是He
B.Be的衰变需要外部作用激发才能发生
C．经过3个T，剩下的Be占开始时的
D．“氦燃烧”的核反应是裂变反应
解析：选AC 根据质量数与质子数守恒，He＋X→Be＋γ，则X粒子是He，故A正确；衰变是自发的，不需要外部作用激发也能发生，故B错误；经过1个半衰期，有半数发生衰变，即剩下开始的一半，那么经过3个T，剩下的Be占开始时的，故C正确；“氦燃烧”的核反应是聚变反应，不是裂变反应，故D错误。
二、非选择题
9．1964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：
U＋n―→( )Xe＋Sr＋2n＋200 MeV
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，需采取哪些措施？(举2种)
解析：(1)①由质量数和电荷数守恒可得：
235＋1＝A＋94＋2
92＝Z＋38
解得A＝140，Z＝54。
②使重核裂变持续下去的反应叫链式反应，产生链式反应的条件是：浓缩铀235的体积大于或等于临界体积，入射中子为慢中子。
(2)核反应堆外面需要修建很厚的水泥保护层，用来屏蔽射线；放射性废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理。
答案：(1)① ②链式反应，见解析 (2)见解析
10．科学家发现太空中的γ射线一般都是从很远的星体放射出来的。当γ射线爆发时，在数秒钟内所产生的能量相当于太阳在过去100亿年所发生的能量的总和的1 000 倍左右，大致相当于将太阳的全部质量转变为能量的总和。科学家利用超级计算机对γ射线的状态进行了模拟。经模拟发现γ射线爆发是起源于一个垂死的星球的“坍缩”过程，只有星球“坍缩”时，才可以发出这么巨大的能量。已知太阳光照射到地球上大约需要8分20秒时间，由此来估算：在宇宙中，一次γ射线爆发所放出的能量。(万有引力常量G＝6.67×10－11 N·m2·kg－2,1年时间约为3.15×107 s)
解析：r＝ct＝3.0×108×500 m＝1.5×1011 m，
地球做匀速圆周运动，万有引力为向心力：
＝，
太阳的质量为
M＝＝ kg
≈3.14×1030 kg，
γ射线爆发所发出的能量：
E＝Mc2＝3.14×1030×(3×108)2 J≈1.2×1047 J。
答案：1.2×1047 J
1．核反应堆是人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来。
2．反应堆里用的铀棒是天然铀或浓缩铀；石墨、重水的作用是使快中子变成慢中子，充当减速剂；镉棒的作用是吸收减速后的中子，控制反应速度，充当控制棒。
3．为了防止铀核裂变物放出的射线对人体的危害，在反应堆外面要修建很厚的水泥防护层来屏蔽射线，对放射性的废料也要装入特制的容器，埋入深地层来处理。
4．我国已于广东大亚湾建成两座核电站，还有浙江的秦山核电站。
5．人类目前能够观测到的最大距离约是140亿光年之远。这一距离可以看成是目前观测到的宇宙半径。
6．对宇宙的时空结构、运动形态和物体演化的理论描述，称为宇宙模型。大爆炸宇宙模型是一种被普遍接受的模型，它认为，宇宙起源于大约150亿年前突然发生的一次大爆炸，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150亿年才演化成今天的样子。
7．人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从10－15 m到1027 m，共跨越了大约42个数量级；目前所知的微观粒子中，寿命最短的只有10－25 s，可见，物质世界的时间尺度，从10－25 s到1018 s，也跨越了将近43个数量级。
核 反 应 堆
1.核反应堆的主要组成部分
如图所示为简化的核反应堆示意图。
(1)核燃料：反应堆使用天然铀或浓缩铀(铀235占3%～4%)制成铀棒，作为核燃料，释放核能。
(2)中子减速剂：铀235具有易俘获慢中子，不易俘获快中子的特点。而核反应中释放的中子多数为快中子，应使用减速剂使它们的速度降下来。常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水。
(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法增减中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子能力很强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度。
(4)保护层：核反应堆外层是很厚的水泥壁，可防止射线辐射出去。
(5)热交换器：靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去。
2．核反应堆的用途
(1)核电站利用反应堆发电。
(2)小型反应堆可以使核能作为动力制造核动力潜艇。
(3)进行各种原子核物理实验。
3．核电站、核能利用
(1)核电站：利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电。
(2)特点：消耗燃料少，但经济效益跟火电站大体相同。
反应堆是核电站的核心，是核电站的热源，核电站靠反应堆产生的内能发电。
1．[多选]为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，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．目前所有核电站都只利用重核裂变释放大量的核能
D．目前核电站只利用轻核聚变释放大量的核能
解析：选AC 目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A、C正确，B、D错误。
对粒子的认识
1.“基本粒子”和新粒子
(1)电子、质子和中子：直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来发现了电子、质子和中子，于是很多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子。然而，随着科学的进一步发展，科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也是复合粒子，并且还有着自己的复杂结构，所以电子、质子、中子并不是组成物质世界的基本粒子。
(2)新粒子：1912年奥地利物理学家赫斯对宇宙射线观测时，发现了一些新粒子。宇宙射线中粒子的能量很高，但数量很少。人们用高能加速器进行实验，发现了更多的粒子。如1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K子和π子。
2．三大类粒子
按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子。
3．夸克模型
(1)夸克模型的提出：许多实验事实表明，强子是有内部结构的。1964年提出的夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克(cuark)。
(2)夸克的分类：夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷分别为电荷的＋或－。每种夸克都有对应的反夸克。
(3)夸克模型的意义：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。
(4)夸克的“禁闭”：目前人们对夸克的认识还是很初步的，科学家们直到今天都还未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”。能否解放被禁闭的夸克，是21世纪物理学面临的重大课题之一。
2．为了探究宇宙起源，“阿尔法磁谱仪”(AMS)将在太空中寻找“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个带负电荷的电子构成
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：选B 根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异性电荷。因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且等量的电荷量。所以反氢原子是由H核和e构成的。
核 反 应 堆
[例1] 在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势，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。
(1)核反应方程式U＋n→Ba＋Kr＋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、Ba、Kr的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的光速，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE＝________。
(2)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全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，铀核的质量mU＝390×10－27kg，求每年(1年3.15×107s)消耗的U的质量。
[解析] (1)由铀核裂变的反应方程可知：X为n，根据质量数和电荷数守恒可得：235＋1＝141＋92＋a，解得a＝3。
反应过程中质量亏损Δm＝mU－mBa－mKr－2mn
故释放能量ΔE＝Δmc2＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2。
(2)核电站消耗核能的功率P′为：
P′＝＝ kW＝2.5×106 kW
核电站每年消耗的核能W为：
W＝P′t＝2.5×106×103×3.15×107 J＝7.875×1016 J
产生这些核能消耗的铀核数目n为：
n＝＝个≈2.83×1027个
故每年消耗U的质量m为：
m＝nmU＝2.83×1027×390×10－27 kg＝1 104 kg。
[答案] (1)n 3 (mU－mBa－mKr－2mn)c2
(2)1 104 kg
解决此类题目时要把已知量和所求量联系起来，注意各物理量间的过渡换算，必要时应用阿伏伽德罗常数联系微观量与宏观量。
1.如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的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．快中子跟减速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：选B 快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟减速剂(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都错误。
夸 克 模 型
[例2] 已经证实，质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为e，下夸克带电为－e，e为电子所带电量的大小，如果质子是由3个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l，l＝1.5×10－15 m。试计算质子内相邻2个夸克之间的静电力(库仑力)。
[解析] 质子带电为＋e，所以它是由2个上夸克和1个下夸克组成的。按题意，3个夸克必位于等边三角形的三个顶点处，这时上夸克与上夸克之间的静电力应为
Fuu＝k＝k 。
代入数值，得Fuu≈46 N，为斥力。
上夸克与下夸克之间的静电力为
Fud＝k＝k 。
代入数值，得Fud≈23 N，为引力。
[答案] 上夸克间静电力Fuu＝46 N，为斥力 上、下夸克间静电力Fud＝23 N，为引力。
夸克模型认为强子是由夸克组成的，它指明电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。
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，D错误，B正确。
一、选择题(第1～5题为单选题，第6～8题为多选题)
1．目前核电站利用的核反应是( )
A．裂变，核燃料为铀 B．聚变，核燃料为铀
C．裂变，核燃料为氘 D．聚变，核燃料为氘
解析：选A 目前核电站利用的核反应是重核裂变，主要原料是铀核，故A对。
2．镉棒在核反应堆中的作用是( )
A．使快中子变慢中子
B．使慢中子变快中子
C．使反应速度加快
D．控制反应速度，调节反应速度的快慢
解析：选D 在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，镉棒起吸收中子，控制反应速度，调节功率大小的作用。故D对。
3．某核反应方程为H＋H→He＋X，已知H的质量为2.013 6 u，H的质量为3.018 u，He的质量为4.002 6 u，X的质量为1.008 7 u。则下列说法中正确的是( )
A．X是质子，该反应释放能量
B．X是中子，该反应释放能量
C．X是质子，该反应吸收能量
D．X是中子，该反应吸收能量
解析：选B 由质量数守恒有，X核的核子数A＝2＋3－4＝1。由电荷数守恒有，X核的质子数：Z＝1＋1－2＝0。由此可得X是中子。由题目给出的已知条件，可算出反应后的质量亏损：Δm＝(2.013 6＋3.018－4.002 6－1.008 7)u ＝0.020 3 u＞0。由于反应过程存在质量亏损，因此该反应必定释放能量。故B对。
4．在核反应堆外修建很厚的水泥层是为了防止( )
A．核爆炸 B．放射线外泄
C．核燃料外泄 D．慢中子外泄
解析：选B 核外反应堆的核燃料一般是铀235，它具有很强的放射性，其衰变时放出的射线能对人体造成极大的伤害，在其外修建很厚的水泥层就是为了防止放射线外泄，则B正确。
5．下列说法正确的是( )
A．原子是组成物质的最小微粒
B．宇宙大爆炸之初产生的粒子是夸克、轻子、胶子等
C．目前我们可以断定夸克已不能再分
D．粒子的带电量不可能比元电荷再小
解析：选B 质子、中子、电子、夸克等都是比原子还小的微粒，A选项错误；宇宙大爆炸之初产生的粒子是夸克、轻子、胶子等粒子，B选项正确；目前我们虽然没有发现夸克有内部结构，但不能断定夸克已不能再分，C选项错误；不同夸克带电不同，分别为＋e和－e，D选项错误。
6．我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U的裂变，则下列说法正确的是( )
A.U原子核中有92个质子，有143个中子
B.U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程式为：U＋n→Xe＋Sr＋3n
C.U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期变短
D．一个U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×1011 J
解析：选ABD 由U的质量数和电荷数的关系易知A正确。由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知B正确。半衰期不受外界因素干扰，故C错误。通过计算知D正确。
7．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．恒星内部发生着各种热核反应，其中“氦燃烧”的核反应方程为：He＋X→Be＋γ，其中X表示某种粒子，Be是不稳定的粒子，其半衰期为T，则下列说法正确的是( )
A．X粒子是He
B.Be的衰变需要外部作用激发才能发生
C．经过3个T，剩下的Be占开始时的
D．“氦燃烧”的核反应是裂变反应
解析：选AC 根据质量数与质子数守恒，He＋X→Be＋γ，则X粒子是He，故A正确；衰变是自发的，不需要外部作用激发也能发生，故B错误；经过1个半衰期，有半数发生衰变，即剩下开始的一半，那么经过3个T，剩下的Be占开始时的，故C正确；“氦燃烧”的核反应是聚变反应，不是裂变反应，故D错误。
二、非选择题
9．1964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：
U＋n―→( )Xe＋Sr＋2n＋200 MeV
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，需采取哪些措施？(举2种)
解析：(1)①由质量数和电荷数守恒可得：
235＋1＝A＋94＋2
92＝Z＋38
解得A＝140，Z＝54。
②使重核裂变持续下去的反应叫链式反应，产生链式反应的条件是：浓缩铀235的体积大于或等于临界体积，入射中子为慢中子。
(2)核反应堆外面需要修建很厚的水泥保护层，用来屏蔽射线；放射性废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理。
答案：(1)① ②链式反应，见解析 (2)见解析
10．科学家发现太空中的γ射线一般都是从很远的星体放射出来的。当γ射线爆发时，在数秒钟内所产生的能量相当于太阳在过去100亿年所发生的能量的总和的1 000 倍左右，大致相当于将太阳的全部质量转变为能量的总和。科学家利用超级计算机对γ射线的状态进行了模拟。经模拟发现γ射线爆发是起源于一个垂死的星球的“坍缩”过程，只有星球“坍缩”时，才可以发出这么巨大的能量。已知太阳光照射到地球上大约需要8分20秒时间，由此来估算：在宇宙中，一次γ射线爆发所放出的能量。(万有引力常量G＝6.67×10－11 N·m2·kg－2,1年时间约为3.15×107 s)
解析：r＝ct＝3.0×108×500 m＝1.5×1011 m，
地球做匀速圆周运动，万有引力为向心力：
＝，
太阳的质量为
M＝＝ kg
≈3.14×1030 kg，
γ射线爆发所发出的能量：
E＝Mc2＝3.14×1030×(3×108)2 J≈1.2×1047 J。
答案：1.2×1047 J
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