课时素养评价
十八 核裂变与核聚变 “基本”粒子
(25分钟·60分)
一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)
1.核潜艇是以核反应堆为动力来源的潜艇,有一种核裂变方程为n→
XSr+1n。关于裂变反应及上述裂变反应产物,下列说法正确的是
( )
A.裂变反应中亏损的质量变成了能量
B.裂变反应出现质量亏损导致质量数不守恒
C.X原子核中有54个中子
D.X原子核比铀核的比结合能大
【解析】选D。在裂变反应中亏损的质量以能量的形式释放出来,不是亏损的质量变成了能量,故A错误;裂变反应中,电荷数守恒、质量数守恒,故B错误;根据电荷数守恒知X的电荷数为92-38=54,即质子数为54,根据质量数守恒X的质量数为235+1-94-10×1=132,故其中子数为132-54=78,故C错误;中等核的比结合能较大,知X原子核比铀核的平均结合能大,故D正确。
2.在众多的裂变反应中,有一种反应方程为UnBa+Kr+aX,其中X为某种粒子,a为X的个数,则
( )
A.X为中子,a=2 B.X为中子,a=3
C.X为质子,a=2
D.X为质子,a=3
【解析】选B。由质量数、核电荷数守恒得UnBa+Kr+n,所以X为中子,a=3,故B正确。
3.(2020·全国Ⅱ卷)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
HHe+H+n+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.1
000
kg
【解析】选C。6个氘核聚变可释放43.15
MeV能量,故1
kg海水中的氘核全部发生聚变释放的能量为Q1=43.15×1.6×10-13×J,质量为M的标准煤燃烧释放的热量为Q2=M×2.9×107
J,因Q1=Q2,解得M≈400
kg,C正确,A、B、D错误。
4.铀核裂变是核电站核能的重要来源,其一种裂变反应是,下列说法正确的有
( )
A.上述裂变反应中伴随着α粒子放出
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C。由铀核反应方程知,没有α粒子产生,故A错误;铀块的体积必须达到临界体积才能发生链式反应,故B错误;核反应堆的铀核链式反应的速度可人工控制,故C正确;放射性元素的半衰期由核本身的因素决定,与环境温度无关,故D错误。
5.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。
6.中国科学家吴宜灿获得2018年欧洲聚变核能创新奖,获奖理由:开发了一种新的基于CAD的粒子传输软件,用于核设计和辐射安全计算。下列关于聚变的说法中,正确的是
( )
A.同样质量的物质裂变时释放的能量比同样质量的物质聚变时释放的能量大很多
B.裂变过程有质量亏损,聚变过程质量有所增加
C.核反应堆产生的能量来自轻核聚变
D.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大
【解析】选D。根据聚变与裂变的特点可知,同样质量的物质聚变时释放的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大很多,故A错误;裂变过程有质量亏损,聚变过程质量也亏损,故B错误;核反应堆产生的能量来自重核裂变,故C错误;在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多,但平均每个核子释放的能量一定大,故D正确。
二、非选择题(本题共2小题,共24分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
7.(12分)裂变反应是目前核能利用中常用的反应,以原子核U为燃料的反应堆中,当U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式,其中一种可表示为
U + n
→
Xe +Sr + n
235.043
9 1.008
7
138.917
8 93.915
4
反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u为单位),已知1
u的质量对应的能量为9.3×102
MeV,此裂变反应释放出的能量是多少MeV?
【解析】此裂变反应的质量亏损为:
(235.043
9+1.008
7)u-(138.917
8+93.915
4+3×1.008
7)u=0.193
3
u
由1
u的质量对应的能量为9.3×102
MeV
ΔE=9.3×102×0.193
3
MeV≈1.80×102
MeV。
答案:1.80×102
MeV
【总结提升】裂变问题的分析方法
(1)对于裂变问题,要知道是什么原子核发生了裂变,写出原子核的裂变方程,应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒;更应该注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造,并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生。
(2)根据质能方程ΔE=Δmc2,由反应前后原子核的质量亏损,可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。
(3)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量计算,用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931.5
MeV,即ΔE=Δm×931.5
MeV。
(4)由每个铀核反应释放的核能乘以铀核个数求得E=ΔE每个×NA×。
8.(12分)科学家初步估计月球土壤中至少有100万吨“氦3”(即He),它是热核聚变的重要原料。如果月球开发成功,将为地球带来取之不尽的能源。已知氦3核与氘核发生聚变反应有质子流产生。
(1)写出核反应方程。
(2)若该反应中质量亏损为9.0×10-30
kg,且释放的能量全部转化为生成物的总动能。试计算生成物的总动能(聚变前粒子的动能可忽略不计)。
【解析】(1)核反应方程式为:
HeHHHe。
(2)核反应过程中质量亏损为Δm,
根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,
可得释放的能量ΔE=9.0×10-30×(3×108)2
J=8.1×10-13
J。
答案:(1HeHHHe
(2)8.1×10-13
J
(15分钟·40分)
9.(7分)(多选)日本福岛第一核电站在地震后,数秒内就将控制棒插入核反应堆芯,终止了铀的裂变链式反应。但海啸摧毁了机组的冷却系统,因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量,核燃料棒温度不断上升,对周边环境产生了巨大的危害。则下列说法正确的是
( )
A.控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制
B.日本后来向反应堆灌注海水,可以降温,但大量被污染的海水外泄,对周边环境产生了巨大的危害
C.核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大
D.核泄漏中放射性物质对人类是有害的
【解析】选A、B、D。控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制,选项A正确;日本后来向反应堆灌注海水,大量被污染的海水外泄,泄漏的放射性物质对周边环境产生了巨大的危害,选项B、D正确;因为核反应有能量释放,可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小,故C错误。
【补偿训练】
关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理,下列说法正确的是
( )
A.镉棒能释放中子,依靠释放中子的多少控制反应速度
B.用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C.利用镉棒对中子吸收能力强的特点,依靠插入的多少控制中子数量
D.镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用,利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
【解析】选C。镉棒并不能释放中子,也不能使中子减速,对铀核裂变也没有阻碍作用,而是利用其对中子吸收能力强的特点,通过控制中子数量的多少而控制核反应速度,故C正确。
10.(7分)(多选)在某核反应堆中,在铀棒()周围放置重水作为“慢化剂”,已知重水的原子核质量是中子的20倍,中子与重水原子核每次碰撞都可看成是弹性碰撞,且每次碰撞前重水原子核都可以认为是静止的。则下列说法正确的是
( )
A.铀棒周围放置“慢化剂”的目的是使中子减速
B.
裂变产生2～3个中子,这些中子再与其他发生核反应,会形成链式反应
C.中子与重水的原子核碰撞一次后速率为原来的
D.中子与重水的原子核碰撞10次后速率为原来的()10
【解析】选A、B、D。铀235发生裂变的条件是有慢中子轰击,而核反应结束后的中子的速度都比较快,所以铀棒周围放置“慢化剂”的目的是使中子减速,故A正确;根据产生链式反应的条件,结合U裂变的特点可知,
裂变产生2～3个中子,这些中子再与其他发生核反应,会形成链式反应,故B正确;中子与重水原子核每次碰撞都可看成是弹性碰撞,选取中子运动的初速度v0的方向为正方向,设中子的质量为m,则由动量守恒定律得:mv0=mv1+msvs
由动能守恒得:m=m+ms
由于ms=20m
联立可得:v1=v0,故C错误;结合C选项的分析可知,每一次碰撞后,中子的速度都变成碰撞前的,所以中子与重水的原子核碰撞10次后速率为原来的()10,故D正确。
11.(7分)(多选)下列叙述正确的是
( )
A.强子是参与强相互作用的粒子
B.轻子是不参与强相互作用的粒子
C.目前发现的轻子只有8种
D.夸克有6种,它们带的电荷量分别为元电荷的+或-
【解析】选A、B、D。由三类粒子的特性可知A、B正确;而目前发现的轻子只有6种,C错误;夸克模型经过几十年的发展,已知夸克有6种,它们带的电荷分别为元电荷的+或-,D正确。
12.(19分)核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。受控核聚变的科学可行性已得到验证,目前正在突破关键技术,最终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦,并释放一个中子。若已知氘原子的质量为2.014
1
u,氚原子的质量为3.016
2
u,氦原子的质量为4.002
6
u,中子的质量为1.008
7
u,
1
u=1.66×10-27
kg。
(1)写出氘和氚聚变的反应方程。
(2)试计算这个核反应释放出来的能量。
(3)若建一座功率为3.0×105
kW的核聚变电站,假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能,求每年要消耗的氘的质量。(一年按3.2×107
s计算,光速c=3.0×
108
m/s,结果保留两位有效数字)
【解析】(1HHHen
(2)根据爱因斯坦质能方程得ΔE=Δmc2=(2.014
1+3.016
2-4.002
6-1.008
7)×1.66×10-27×(3.0×108)2
J≈2.8×10-12
J
(3)每个氘原子质量
mD=2.0141×1.66×10-27
kg=3.34×10-27
kg
核聚变电站产生的电能Pt=η·ΔE
则m=·mD
代入数据得m≈23
kg。
答案:(1HHHen
(2)2.8×10-12
J (3)23
kg
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4.核裂变与核聚变
5.“基本”粒子
必备知识·素养奠基
一、核裂变及链式反应
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。
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
的裂变是
_____。
3.链式反应:由重核裂变产生的中子使裂变反应___________继续下去的过程叫
核裂变的链式反应。
4.临界体积和临界质量:把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临
界体积,相应的质量叫作临界质量。
中子
一代接一代
5.核裂变的能量:1
kg铀235全部裂变放出的能量相当于__________标准煤完全
燃烧时释放的化学能。?
2
800
t
二、核电站
1.核电站:利用核能发电,它的核心设施是_______,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___________________作慢化
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,链式反应的速度会慢一些,这种镉棒叫作控制棒。
2.工作原理:___________释放的能量,使反应区温度升高。
反应堆
铀棒
石墨、重水或普通水
吸收中子
核燃料裂变
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_____传输出去,用于发电。同时也使反应堆冷却。
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,核反应堆中的核废料具有很强的_______,需要装入特
制的容器,深埋地下。
热量
水泥层
裂
变反应
放射性
三、核聚变
【思考】
提示:需要足够大的能量使轻核间的距离达到10-15
m以内。
1.定义:两个轻核结合成_________的核,并释放出_____的反应。
2.举例:
+17.6
MeV
3.条件:要使轻核发生聚变,必须使它们的距离达到_____
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_______开尔文,因此聚变又叫_________。
4.应用:目前,人工产生的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核爆炸。
质量较大
能量
10-15
库仑斥
力
几百万
热核反应
氢弹
原
子弹
5.太阳能:太阳的主要成分是___,太阳中心温度可达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。
四、受控热核反应
1.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,控制温度,可控制反应,而且生成的废物
数量少、易处理。
2.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。
氢
聚变
3.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_____
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_____从各个方向照射反应物,使它们“挤”在一起发生反
应。
环流
激光
五、“基本”粒子
1.基本粒子不基本:
(1)19世纪末,人们都认为_____、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。
光子
质子
质子、中子
2.发现新粒子:
(1)新粒子:1932年发现了_______,1937年发现了_____,1947年发现了______和
_______及以后的质量比质子的质量大的_____。
(2)粒子的分类:按照___________________的不同关系,可将粒子分为三大类:
_____、_____和_______。
(3)夸克模型的提出:1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型,认为
强子是由更基本的成分组成,这种成分叫作_____。夸克模型指出电子电荷不再
是电荷的最小单位,即存在_________。
正电子
μ子
K介子
π介子
超子
粒子与各种相互作用
强子
轻子
媒介子
夸克
分数电荷
关键能力·素养形成
一 对重核裂变和链式反应的分析
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:
2.链式反应的条件:
(1)由慢中子轰击。
(2)铀块的体积大于临界体积,或铀块的质量大于临界质量。
以上两个条件满足一个,则另一个条件自动满足。
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全部裂变放出的能量相当于2
800
t标准煤完全燃烧时释放的能量,裂变时能产生几百万度的高温。
4.铀的同位素中铀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,且裂变的几率小。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。
【特别提醒】
(1)裂变的中子方面:铀核裂变的产物是多样的,放出的中子数目有多有少,中子的速度也有快有慢。
(2)发生链式反应的条件方面:裂变物的体积必须大于临界体积才能发生链式反应。
【思考·讨论】
如图为核裂变示意图。
(1)试写出一种铀核裂变的核反应方程。
提示:
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗?
提示:有中子轰击铀块,铀块的体积大于临界体积,这样就可以产生链式反应。
【典例示范】
据伊朗新闻电视台2019年9月7日消息,伊朗原子能组织发言人卡迈勒万迪当天宣布,作为第三阶段中止履行伊核协议的措施,伊朗已启动了“先进离心机”,以增加浓缩铀储量。关于铀核的裂变,下列叙述正确的是
( )
A.核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核,并吸收大量能量
B.核反应堆中铀核自发分裂为两个或几个中等质量的原子核,同时释放大量的核能
C.要使核反应堆中铀核发生链式反应,必须要有慢中子的轰击
D.要使核反应堆中铀核发生链式反应,必须要有快中子的轰击
【解析】选C。核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核,同时释放大量的核能,故A、B错误;要使核反应堆中铀核发生链式反应,必须要有慢中子的轰击,快中子不易捕获,故C正确,D错误。
【素养训练】
1.日本东北地区发生的强烈地震引发福岛核电站反应堆泄漏大量放射性物
质。其中
(钍)具有天然放射性,能放出一个β粒子而变为
(镤)。则
下列说法中正确的是
( )
A.
比
质量数少1
B.发生β衰变时所释放出的电子是原子的核外电子发生电离而发射出来的
C.该核反应方程为
D.精确地讲,一个
核的质量比一个
核与一个β粒子的质量和要大
【解析】选D。
和
质量数都是234,故A错误;β衰变的实质:β衰变
时释放的电子是由核内一个中子转变成一个质子的同时释放出来的,故B错误;
该核反应方程为
故C错误;衰变过程中有质量亏损,所以精
确地讲,一个
核的质量比一个
核与一个β粒子的质量和要大,故D
正确。
2.(多选)核电站利用原子核裂变的链式反应获得能量进行发电。已知
是
核电站常用的核燃料,其常见的反应方程式为
则下列说法正确的是
( )
A.X是β粒子
B.两个核反应一定都有质量亏损
C.
的结合能小于
的结合能
D.要使链式反应发生,裂变物质的体积要小于它的临界体积
【解析】选B、C。核反应过程中,质量数和电荷数守恒,故X的质量数为1,电荷
数为零,故为中子,故A错误;裂变反应,一定释放能量,根据爱因斯坦质能方程
可知,一定存在质量亏损,故B正确;核子数越多的原子核,结合能越大,故
的结合能小于
的结合能,故C正确;要使链式反应发生,条件是裂变物质的
体积要大于它的临界体积,故D错误。
【补偿训练】
1.(多选)关于重核的裂变,以下说法正确的是
( )
A.核裂变释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量
B.铀核裂变在自然界中会自发地产生
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】选A、D。根据重核发生裂变的条件和裂变释放能量的原理分析可知,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,因而释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量;重核裂变只能发生在人为核反应中;在裂变反应中核子数是不会减少的,因此A正确,B、C错误。重核裂变为中等质量的原子核时,由于平均质量减小,必然发生质量亏损,从而释放出核能,所以D正确。
2.核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电,
是核电站常用
的核燃料
受一个中子轰击后裂变成
和
两部分,并产生_______
个中子。要使链式反应发生,裂变物质的体积要________(选填“大于”或
“小于”)它的临界体积。?
【解析】由质量数和电荷数守恒可知
可见产生了
3个中子,链式反应的一个条件是铀燃料的体积必须大于或等于临界体积。
答案:3 大于
二 核电站的结构及工作原理
1.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,它的主要部件列表如下:
部件
名称
项目
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
2.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,由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成,石墨(重水)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,用于推动蒸汽机,使发电机发电。
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。
3.核电站发电的优点:
(1)消耗的核燃料少。
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大,所能提供的能量大。
(3)对环境的污染要比火力发电小。
【思考·讨论】
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?
提示: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)核电站发电有什么优点?
提示: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。
【典例示范】
关于核电站的核反应堆,下列说法正确的是
( )
A.利用热中子是因为热中子的速度快,增加反应速度
B.在铀棒的周围放重水或普通水的目的是冷却反应堆
C.控制棒通过使中子减速达到控制反应速度的目的
D.若核反应剧烈,可将控制棒插入深一些,减慢反应速度
【解析】选D。因为核裂变产生的是速度很大的快中子,中子速度不能太快,否则会和铀核擦肩而过,铀核不能“捉”住它,不能发生核裂变,所以必须控制好中子的速度,为了使快中子减速,在铀棒的周围放重水或者普通水,目的就是使中子冷却而减速,故A、B、C错误;根据核反应堆控制棒的作用可知,控制棒插入深一些,让它多吸收中子,中子数减少,反应速率会慢一些,故D正确。
【素养训练】
1.日本大地震曾引发了福岛核电站核泄漏事故,下列关于核电站的说法正确的是
( )
A.核电站利用核聚变反应时释放的能量进行发电
B.核电站利用海洋的潮汐能发电
C.核能是可再生能源
D.核泄漏释放的放射性物质发出的射线对人体是有危害的
【解析】选D。目前核电站均采用重核裂变进行发电的,故A、B错误;核能是利用重核裂变进行的,是不可再生能源,故C错误;长时间接受核辐射会使正常细胞发生癌变,故D正确。
2.近段时间,朝鲜的“核危机”引起了全世界的瞩目,其焦点问题就是朝鲜核
电站采用的是轻水堆还是重水堆。因为重水堆核电站在发电的同时还可以产
出供研制核武器的钚239
这种钚
,可由铀239
经过衰变
而产生,则下列判断正确的是
( )
A.
与
的核内具有相同的中子数
B.
与
的核内具有相同的质子数
C.
经过2次β衰变产生
D.
经过1次α衰变产生
【解析】选C。
的核内中子数为:239-94=145,
的核内中子数为:239-
92=147,故它们中子数不相等,故A错误;
的核内质子数为94,
的核内质
子数为:92,故它们质子数不相等,故B错误;根据质量数与电荷数守恒可知:
故C正确,D错误。
【补偿训练】
1.现已建成的核电站发电的能量来自
( )
A.天然放射性元素衰变放出的能量
B.人工放射性同位素放出的能量
C.重核裂变放出的能量
D.化学反应放出的能量
【解析】选C。现在核电站所用原料主要是铀,利用铀裂变放出的核能发电,故C项正确。
2.(多选)秦山核电站第三期工程的两个6×105
kW发电机组已实现并网发电。
发电站的核能来源于
的裂变,下列说法正确的是
( )
A.反应堆中核反应速度通常是采用调节
的体积来控制的
B.
的一种可能的裂变是
C.
是天然放射性元素,升高温度后它的半衰期会缩短
D.一个
裂变能放出200
MeV的能量,合3.2×10-11
J
【解析】选B、D。反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控
制,A错误;
裂变有多种可能性,这是其中常见的一种,B对;放射性元素的半
衰期由原子核本身决定,与温度、压强等外界条件无关,C错误;200
MeV=200×
106×1.6×10-19
J=3.2×10-11
J,D正确。
三 核聚变的特点及应用
1.聚变发生的条件: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,有一种办法就是把它们加热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.核聚变的应用:
(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:
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
重核裂变
轻核聚变
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
主要原料是氘,氘在地球
上的储量非常丰富
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
【思考·讨论】
如图为氢弹原理示意图。
(1)若要发生核聚变,对原子核间的距离有什么要求?
提示:原子核间的距离达到10-15
m以内。
(2)核聚变为何又叫热核反应?
提示:核聚变需要在几百万开尔文的高温下才能进行,因此核聚变又叫热核反应。
【典例示范】
(2019·全国卷Ⅱ)太阳内部核反应的主要模式之一是质子-质子循环,循环的结
果可表示为
+2ν,已知
和
的质量分别为mp=
1.007
8
u和mα=4.002
6
u,1
u=931
MeV/c2,c为光速。在4个
转变成1个
的过程中,释放的能量约为
( )
A.8
MeV
B.16
MeV
C.26
MeV
D.52
MeV
【解析】选C。根据质能方程ΔE=Δm·c2,得ΔE=(4mp-mα-2me)·c2,因核反应前后质量亏损约为Δm=(1.007
8×4-4.002
6)u=0.028
6
u,故释放的能量约为ΔE=931
MeV/c2×Δm=26.6
MeV,C正确,A、B、D错误。
【素养训练】
1.“人造太阳”实验中的可控热核反应的聚变方程是
反应原料氘
富存于海水中,氚
可以用中子轰击锂核
得到,则关
于中子轰击锂核产生一个氚核和一个新核,下列说法正确的是
( )
A.该核反应方程为
B.核反应生成物中的α粒子具有很强的电离本领,但穿透能力较弱
C.在中子轰击锂核
的核反应生成物中有α粒子,故该核反应属于α衰变
D.核聚变的条件是要达到高温高压的热核反应状态,故核聚变过程不能释放出
核能
【解析】选B。根据质量数和电荷数守恒得该核反应为：
故A错误;α射线的电离本领较强,穿透能力较弱,故B正确;该核反应为人工核反
应,故C错误;在聚变方程式：
中会释放大量的热量,故D错误。
2.关于轻核聚变释放核能,下列说法正确的是
( )
A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大
C.聚变反应中粒子的结合能变大
D.聚变反应中由于形成质量较大的核,故反应后质量增加
【解析】选B。在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多,但平均每个核子释放的能量一定大,故A错误,B正确;由于聚变反应中释放出巨大能量,则比结合能一定增加,质量发生亏损,并非结合能增加,故C、D错误。
【补偿训练】
1.(多选)下列关于聚变的说法,正确的是
( )
A.要使聚变产生,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,所以氢弹可以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A、B、C。轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15
m,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,这样高的温度可以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,D错误。
2.(多选)如图所示,托卡马克(Tokamak)是研究受控核聚变的一种装置,这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnet(磁)的头两个字母以及kotushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词。根据以上信息,下述判断中可能正确的是
( )
A.这种装置的核反应原理是轻核的聚变,同时释放出大量的能量,和太阳发光的原理类似
B.线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出
C.这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同
D.这种装置可以控制热核反应速度,使聚变能缓慢而稳定地进行
【解析】选A、B、D。聚变反应原料在装置中发生聚变,放出能量,故A正确;线圈通电时产生磁场,带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用不飞出,故B正确;核电站的原理是裂变,托卡马克的原理是聚变,故C错误;该装置使人们可以在实验中控制反应速度,平稳释放核能,故D正确。
四 新粒子的发现和夸克模型
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
正电子
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.粒子的分类:
分类
参与的
相互作用
发现的
粒子
备注
强子
参与强相互
作用
质子、中子、介子、
超子
有内部结构,由“夸克”
构成,可分为介子和重子
轻子
不参与强相
互作用
电子、电子中微子、
μ子、μ子中微子、
τ子、τ子中微子
未发现内部结构
分类
参与的
相互作用
发现的
粒子
备注
规范玻色子
传递各种相互作
用
光子、中间玻
色子、胶子
光子传递电磁相互作用,中
间玻色子传递弱相互作用,
胶子传递强相互作用
希格斯玻色子
是希格斯场的量
子激发
3.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。
【思考·讨论】
图为欧洲粒子加速器,能使粒子获得13万亿电子伏特的能量。
(1)高速粒子碰撞能产生一些新的粒子,试说出部分20世纪30年代以来发现的新粒子。
提示:介子、超子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子等。
(2)随着新粒子的发现,质子与中子为什么不再被称为“基本粒子”?
提示:因为质子与中子也有着复杂的内部结构,它们也是由更基本的粒子组成,质子与中子不再被称为“基本粒子”。
【典例示范】
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.强子中都是带电的粒子
C.夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D.夸克模型说明电子电荷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,不同夸克带电不同,分别为+
e和-
,说明电子电荷不再
是电荷的最小单位,C错误,D正确。
【素养训练】
1.(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A、B、C。夸克不能以自由的状态单个出现,D错误,A、B、C正确。
2.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夸克的带电荷量为-
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】选B。质子
带电荷量为2×
e+(-
e)=e,中子
带电荷量为
e
+2×(-
e)=0。可见B正确。
【补偿训练】
1.(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.粒子分为强子、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子四类
C.质子属于强子
D.光子属于轻子
【解析】选A、B、C。“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电量,但电荷的符号相反,故A正确;粒子分为强子、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子四类,B正确;质子属于强子,光子属于规范玻色子,故C正确,D错误。
2.(多选)下列说法中正确的是
( )
A.目前还未发现媒介子、轻子和夸克这三类粒子的内部结构
B.自然界存在着能量守恒定律、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
【解析】选A、C、D。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;自然界存在着能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律,对基本粒子同样适用,故B错误;粒子与其反粒子带等量异种电荷,反粒子与其对应的粒子相遇时会发生湮灭现象,故C正确;强子是参与强相互作用的粒子,质子是最早发现的强子,中子、介子和超子也是强子,故D正确。
【拓展例题】考查内容:裂变过程的核能计算
【典例】用中子轰击铀核
其中的一个可能反应是分裂成钡
和氪
两部分,放出3个中子。各个核和中子的质量如下:
mU=390.313
9×10-27
kg,mn=1.674
9×10-27
kg
mBa=234.001
6×10-27
kg,mKr=152.604
7×10-27
kg
试写出核反应方程,算出反应中释放的核能。
【解析】根据反应前后核的质量数守恒、核电荷数守恒和反应中的能量守恒,
可以写出核反应方程为
核反应前后的质量亏损为
Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=0.357
8×10-27
kg
由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为
ΔE=Δmc2=0.357
8×10-27×(3×108)2
J=3.220
2×10-11
J。
答案:
3.220
2×10-11
J
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.下面列出的是一些核反应方程,针对核反应方程下列说法正确的是
( )
A.核反应方程①是重核裂变,X是α粒子
B.核反应方程②是轻核聚变,Y是中子
C.核反应方程③是太阳内部发生的核聚变,K是正电子
D.核反应方程④是衰变方程,M是中子
【解析】选B。根据质量数守恒和电荷数守恒知,X为
即α粒子,该反应为
α衰变,故A错误;根据质量数守恒和电荷数守恒知,Y为
即中子,该反应为轻
核聚变,故B正确;根据质量数守恒和电荷数守恒知,K为
即中子,该反应为人
工核反应,故C错误;根据质量数守恒和电荷数守恒知,M为
即中子,该反应为
铀核裂变反应,故D错误。
2.据新华网2019年6月24日报道,中国科学院空天信息研究院和中国科学技术大学等单位联合研制出高速高精度激光汤姆孙散射仪,为我国未来磁约束聚变能装置的高精度测量奠定了坚实的基础。下列说法正确的是
( )
A.激光被散射后频率不变
B.激光被散射后频率增大
C.核聚变反应在常温下就可以发生
D.核聚变反应能够释放能量
【解析】选D。根据康普顿效应可知,激光与其他粒子碰撞时,把一部分动量转
移给对方,根据λ=
可知,激光散射后波长λ变长,根据c=λν可知,频率减小,
故A、B错误;核聚变反应又称为热核反应,需要高温条件,在常温下不能发生,故
C错误;核聚变反应发生质量亏损,释放能量,故D正确。
3.(多选)下列说法正确的是
( )
A.目前我国核电事业蓬勃发展,新建核电站的能量来源可以是轻核聚变
B.无论裂变还是聚变都要从比结合能小的原子核向比结合能大的原子核变化
C.半衰期是大量原子核内的核子有统计意义上的半数发生变化的时间,它不随温度或压强变化而变化
D.重核发生α衰变后的产物的总结合能小于原重核的结合能
【解析】选B、D。轻核聚变现在还无法进行控制,新建核电站的能量来源于重核裂变,故A错误;比结合能小的原子核向比结合能大的原子核发生变化时要放出能量,裂变和聚变都是放热反应,所以无论裂变还是聚变都要从比结合能小的原子核向比结合能大的原子核变化,故B正确;半衰期是大量原子核有统计意义上的半数发生变化的时间,它不随温度或压强变化而变化,不是原子核内的核子有半数发生变化所需要的时间,故C错误;重核发生α衰变后,伴随着γ射线产生,即要释放能量,所以重核发生α衰变后的产物的总结合能小于原重核的结合能,故D正确。
【补偿训练】
关于铀核裂变,下列说法正确的是
( )
A.铀核裂变的产物是多种多样的,但只能裂变成两种不同的核
B.铀核裂变还能同时释放2～3个中子
C.为了使裂变的链式反应容易进行,最好用纯铀238
D.铀块的体积对产生链式反应无影响
【解析】选B。铀核裂变的产物是多种多样的,具有极大的偶然性,但裂变成两个核的情况较多,也会分裂成多个核,并放出几个中子。铀235被中子轰击时,裂变的概率大,且可以俘获各种能量的中子引起裂变,而铀238只有俘获能量在1
MeV以上的中子才能发生裂变,且裂变的几率小,而要引起链式反应,必须使铀块的体积大于临界体积。故选项B正确,A、C、D错误。
4.
受中子轰击时会发生裂变,产生
和
同时放出200
MeV
的能
量,现要建设发电能力是50万千瓦的核电站,用铀235作为原子锅炉的燃料,假设
核裂变释放的能量全部被用来发电,那么一天需要纯铀235的质量为多少?(阿伏
加德罗常数取6.02×1023mol-1)
【解析】每天发电的总量
E=24×3.6×103×5×108
J=4.32×1013
J。
要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目
n=
=1.35×1024(个)。
则对应的质量
m=
·μ=
×235×10-3
kg=0.527
kg。
答案:0.527
kg
【新思维·新考向】
情境:能源危机是一个全球性的共同问题,科学家们正在积极探索核能的开发与
和平利用,其中可控热核反应向人类展示了诱人的前景。热核反应比相同数量
的核子发生裂变反应释放的能量要大好几倍,同时所造成的污染也要轻得多,而
且可用于热核反应的氘
在海水中的总含量非常丰富,所以一旦可控热核
反应能够达到实用,便可解决人类所面临的能源危机问题。
问题:(1)热核反应中的一种反应是1个氘核和1个氚核
聚变为一个氦核
请完成这个核反应方程式
+__________+能量。?
(2)若氘核的质量为2.014
1
u,氚核的质量为3.016
1
u,中子的质量为
1.008
7
u,氦核的质量为4.002
6
u。其中u是原子质量单位,已知1
u相当于931
MeV的能量,则上述核反应过程中释放的能量为________MeV。(保留3位有效数字)?
【解析】(1)根据电荷数守恒、质量数守恒,知未知粒子的电荷数为0,质量数为
1,知该粒子为中子,即
(2)根据爱因斯坦质能方程得,
ΔE=Δmc2=(2.014
1+3.016
1-4.002
6-1.008
7)×931
MeV≈17.6
MeV。
答案:(1)
(2)17.6
课时素养评价
十八 核裂变与核聚变 “基本”粒子
【基础达标】(25分钟·60分)
一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)
1.核潜艇是以核反应堆为动力来源的潜艇,有一种核裂变方程为
。关于裂变反应及上述裂变反应产物,下列说法正确的是( )
A.裂变反应中亏损的质量变成了能量
B.裂变反应出现质量亏损导致质量数不守恒
C.X原子核中有54个中子
D.X原子核比铀核的比结合能大
【解析】选D。在裂变反应中亏损的质量以能量的形式释放出来,不是亏损的质量变成了能量,故A错误;裂变反应中,电荷数守恒、质量数守恒,故B错误;根据电荷数守恒知X的电荷数为92-38=54,即质子数为54,根据质量数守恒X的质量数为235+1-94-10×1=132,故其中子数为132-54=78,故C错误;中等核的比结合能较大,知X原子核比铀核的平均结合能大,故D正确。
2.在众多的裂变反应中,有一种反应方程为
,其中X为
某种粒子,a为X的个数,则
( )
A.X为中子,a=2
B.X为中子,a=3
C.X为质子,a=2
D.X为质子,a=3
【解析】选B。由质量数、核电荷数守恒得
所以X为中子,a=3,故B正确。
3.(2020·全国Ⅱ卷)氘核
可通过一系列聚变反应释放能量,其总效果可用
反应式
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.1
000
kg
【解析】选C。6个氘核聚变可释放43.15
MeV能量,故1
kg海水中的氘核全部
发生聚变释放的能量为Q1=43.15×1.6×10-13×
J,质量为M的标准煤燃
烧释放的热量为Q2=M×2.9×107
J,因Q1=Q2,解得M≈400
kg,C正确,A、B、D错
误。
4.铀核裂变是核电站核能的重要来源,其一种裂变反应是
下列说法正确的有
( )
A.上述裂变反应中伴随着α粒子放出
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C。由铀核反应方程知,没有α粒子产生,故A错误;铀块的体积必须
达到临界体积才能发生链式反应,故B错误;核反应堆的铀核链式反应的速度可
人工控制,故C正确;放射性元素的半衰期由核本身的因素决定,与环境温度无
关,故D错误。
5.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。
6.中国科学家吴宜灿获得2018年欧洲聚变核能创新奖,获奖理由:开发了一种新的基于CAD的粒子传输软件,用于核设计和辐射安全计算。下列关于聚变的说法中,正确的是
( )
A.同样质量的物质裂变时释放的能量比同样质量的物质聚变时释放的能量大很多
B.裂变过程有质量亏损,聚变过程质量有所增加
C.核反应堆产生的能量来自轻核聚变
D.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大
【解析】选D。根据聚变与裂变的特点可知,同样质量的物质聚变时释放的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大很多,故A错误;裂变过程有质量亏损,聚变过程质量也亏损,故B错误;核反应堆产生的能量来自重核裂变,故C错误;在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多,但平均每个核子释放的能量一定大,故D正确。
二、非选择题(本题共2小题,共24分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数
值计算的要标明单位)
7.(12分)裂变反应是目前核能利用中常用的反应,以原子核
为燃料的反应
堆中,当
俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式,其中一种可
表示为
235.043
9 1.008
7
138.917
8 93.915
4
反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u为单位),
已知1
u的质量对应的能量为9.3×102
MeV,此裂变反应释放出的能量是多少
MeV?
【解析】此裂变反应的质量亏损为:
(235.043
9+1.008
7)u-(138.917
8+93.915
4+3×1.008
7)u=0.193
3
u
由1
u的质量对应的能量为9.3×102
MeV
ΔE=9.3×102×0.193
3
MeV≈1.80×102
MeV。
答案:1.80×102
MeV
【总结提升】裂变问题的分析方法
(1)对于裂变问题,要知道是什么原子核发生了裂变,写出原子核的裂变方程,应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒;更应该注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造,并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生。
(2)根据质能方程ΔE=Δmc2,由反应前后原子核的质量亏损,可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。
(3)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量计算,用核子结合
成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931.5
MeV,即ΔE=Δm×931.5
MeV。
(4)由每个铀核反应释放的核能乘以铀核个数求得E=ΔE每个×NA×
。
8.(12分)科学家初步估计月球土壤中至少有100万吨“氦3”(即
),它是热
核聚变的重要原料。如果月球开发成功,将为地球带来取之不尽的能源。已知
氦3核与氘核发生聚变反应有质子流产生。
(1)写出核反应方程。
(2)若该反应中质量亏损为9.0×10-30
kg,且释放的能量全部转化为生成物的
总动能。试计算生成物的总动能(聚变前粒子的动能可忽略不计)。
【解析】(1)核反应方程式为:
(2)核反应过程中质量亏损为Δm,
根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,
可得释放的能量ΔE=9.0×10-30×(3×108)2
J=8.1×10-13
J。
答案:(1)
(2)8.1×10-13
J
【能力提升】(15分钟·40分)
9.(7分)(多选)日本福岛第一核电站在地震后,数秒内就将控制棒插入核反应堆芯,终止了铀的裂变链式反应。但海啸摧毁了机组的冷却系统,因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量,核燃料棒温度不断上升,对周边环境产生了巨大的危害。则下列说法正确的是
( )
A.控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制
B.日本后来向反应堆灌注海水,可以降温,但大量被污染的海水外泄,对周边环境产生了巨大的危害
C.核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大
D.核泄漏中放射性物质对人类是有害的
【解析】选A、B、D。控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制,选项A正确;日本后来向反应堆灌注海水,大量被污染的海水外泄,泄漏的放射性物质对周边环境产生了巨大的危害,选项B、D正确;因为核反应有能量释放,可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小,故C错误。
【补偿训练】
关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理,下列说法正确的是( )
A.镉棒能释放中子,依靠释放中子的多少控制反应速度
B.用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C.利用镉棒对中子吸收能力强的特点,依靠插入的多少控制中子数量
D.镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用,利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
【解析】选C。镉棒并不能释放中子,也不能使中子减速,对铀核裂变也没有阻碍作用,而是利用其对中子吸收能力强的特点,通过控制中子数量的多少而控制核反应速度,故C正确。
10.(7分)(多选)在某核反应堆中,在铀棒
周围放置重水作为“慢化剂”,
已知重水的原子核质量是中子的20倍,中子与重水原子核每次碰撞都可看成是
弹性碰撞,且每次碰撞前重水原子核都可以认为是静止的。则下列说法正确的
是
( )
A.铀棒周围放置“慢化剂”的目的是使中子减速
B.
裂变产生2～3个中子,这些中子再与其他
发生核反应,会形成链式
反应
C.中子与重水的原子核碰撞一次后速率为原来的
D.中子与重水的原子核碰撞10次后速率为原来的(
)10
【解析】选A、B、D。铀235发生裂变的条件是有慢中子轰击,而核反应结束后
的中子的速度都比较快,所以铀棒周围放置“慢化剂”的目的是使中子减速,
故A正确;根据产生链式反应的条件,结合
裂变的特点可知，
裂变产生
2～3个中子,这些中子再与其他
发生核反应,会形成链式反应,故B正确;中
子与重水原子核每次碰撞都可看成是弹性碰撞,选取中子运动的初速度v0的方
向为正方向,设中子的质量为m,则由动量守恒定律得:mv0=mv1+msvs
由动能守恒得:
由于ms=20m
联立可得:v1=
v0,故C错误;结合C选项的分析可知,每一次碰撞后,中子的速
度都变成碰撞前的
,所以中子与重水的原子核碰撞10次后速率为原来的
(
)10,故D正确。
11.(7分)(多选)下列叙述正确的是
( )
A.强子是参与强相互作用的粒子
B.轻子是不参与强相互作用的粒子
C.目前发现的轻子只有8种
D.夸克有6种,它们带的电荷量分别为元电荷的
【解析】选A、B、D。由三类粒子的特性可知A、B正确;而目前发现的轻子只
有6种,C错误;夸克模型经过几十年的发展,已知夸克有6种,它们带的电荷分别
为元电荷的
,D正确。
12.(19分)核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。受控核聚变的科学可行性已得到验证,目前正在突破关键技术,最终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦,并释放一个中子。若已知氘原子的质量为2.014
1
u,氚原子的质量为3.016
2
u,氦原子的质量为4.002
6
u,中子的质量为1.008
7
u,1
u=1.66×10-27
kg。
(1)写出氘和氚聚变的反应方程。
(2)试计算这个核反应释放出来的能量。
(3)若建一座功率为3.0×105
kW的核聚变电站,假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能,求每年要消耗的氘的质量。(一年按3.2×107
s计算,光速c=3.0×108
m/s,结果保留两位有效数字)
【解析】
(2)根据爱因斯坦质能方程得ΔE=Δmc2=(2.014
1+3.016
2-4.002
6-
1.008
7)×1.66×10-27×(3.0×108)2
J≈2.8×10-12
J
(3)每个氘原子质量
mD=2.0141×1.66×10-27
kg=3.34×10-27
kg
核聚变电站产生的电能Pt=η
·ΔE
则m=
·mD
代入数据得m≈23
kg。
答案:
(2)2.8×10-12
J (3)23
kg4.核裂变与核聚变
5.“基本”粒子
必备知识·素养奠基
一、核裂变及链式反应
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,其中一种典型的裂变是UnBaKr+n。
3.链式反应:由重核裂变产生的中子使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.临界体积和临界质量:把裂变物质能够发生链式反应的最小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:1
kg铀235全部裂变放出的能量相当于2__800__t标准煤完全燃烧时释放的化学能。?
二、核电站
1.核电站:利用核能发电,它的核心设施是反应堆,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、重水或普通水作慢化剂。
(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.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。同时也使反应堆冷却。
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,用来屏蔽裂变反应放出的各种射线,核反应堆中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。
三、核聚变
【思考】
提示:需要足够大的能量使轻核间的距离达到10-15
m以内。
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.举例:
HHHen+17.6
MeV
3.条件: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,因此聚变又叫热核反应。
4.应用:目前,人工产生的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核爆炸。
5.太阳能:太阳的主要成分是氢,太阳中心温度可达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聚变释放的核能。
四、受控热核反应
1.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,控制温度,可控制反应,而且生成的废物数量少、易处理。
2.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。
3.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,用激光从各个方向照射反应物,使它们“挤”在一起发生反应。
五、“基本”粒子
1.基本粒子不基本:
(1)19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:
(1)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。
(2)粒子的分类:按照粒子与各种相互作用的不同关系,可将粒子分为三大类:强子、轻子和媒介子。
(3)夸克模型的提出: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。
关键能力·素养形成
一 对重核裂变和链式反应的分析
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:
UnXeSr+n。
UnBaKr+n。
2.链式反应的条件:
(1)由慢中子轰击。
(2)铀块的体积大于临界体积,或铀块的质量大于临界质量。
以上两个条件满足一个,则另一个条件自动满足。
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全部裂变放出的能量相当于2
800
t标准煤完全燃烧时释放的能量,裂变时能产生几百万度的高温。
4.铀的同位素中铀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,且裂变的几率小。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。
(1)裂变的中子方面:铀核裂变的产物是多样的,放出的中子数目有多有少,中子的速度也有快有慢。
(2)发生链式反应的条件方面:裂变物的体积必须大于临界体积才能发生链式反应。
【思考·讨论】
如图为核裂变示意图。
(1)试写出一种铀核裂变的核反应方程。
提示UnBaKr+n。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗?
提示:有中子轰击铀块,铀块的体积大于临界体积,这样就可以产生链式反应。
【典例示范】
据伊朗新闻电视台2019年9月7日消息,伊朗原子能组织发言人卡迈勒万迪当天宣布,作为第三阶段中止履行伊核协议的措施,伊朗已启动了“先进离心机”,以增加浓缩铀储量。关于铀核的裂变,下列叙述正确的是
( )
A.核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核,并吸收大量能量
B.核反应堆中铀核自发分裂为两个或几个中等质量的原子核,同时释放大量的核能
C.要使核反应堆中铀核发生链式反应,必须要有慢中子的轰击
D.要使核反应堆中铀核发生链式反应,必须要有快中子的轰击
【解析】选C。核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核,同时释放大量的核能,故A、B错误;要使核反应堆中铀核发生链式反应,必须要有慢中子的轰击,快中子不易捕获,故C正确,D错误。
【素养训练】
1.日本东北地区发生的强烈地震引发福岛核电站反应堆泄漏大量放射性物质。其中Th(钍)具有天然放射性,能放出一个β粒子而变为Th(镤)。则下列说法中正确的是
( )
A.Th比Th质量数少1
B.发生β衰变时所释放出的电子是原子的核外电子发生电离而发射出来的
C.该核反应方程为ThThβ
D.精确地讲,一个Th核的质量比一个Th核与一个β粒子的质量和要大
【解析】选DTh和Th质量数都是234,故A错误;β衰变的实质:β衰变时释放的电子是由核内一个中子转变成一个质子的同时释放出来的,故B错误;该核反应方程为ThThe,故C错误;衰变过程中有质量亏损,所以精确地讲,一个Th核的质量比一个Th核与一个β粒子的质量和要大,故D正确。
2.(多选)核电站利用原子核裂变的链式反应获得能量进行发电。已知U是核电站常用的核燃料,其常见的反应方程式为UnBaKr+
3XUnXeSr+2X。则下列说法正确的是
( )
A.X是β粒子
B.两个核反应一定都有质量亏损
CBa的结合能小于U的结合能
D.要使链式反应发生,裂变物质的体积要小于它的临界体积
【解析】选B、C。核反应过程中,质量数和电荷数守恒,故X的质量数为1,电荷数为零,故为中子,故A错误;裂变反应,一定释放能量,根据爱因斯坦质能方程可知,一定存在质量亏损,故B正确;核子数越多的原子核,结合能越大,故Ba的结合能小于U的结合能,故C正确;要使链式反应发生,条件是裂变物质的体积要大于它的临界体积,故D错误。
【补偿训练】
1.(多选)关于重核的裂变,以下说法正确的是
( )
A.核裂变释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量
B.铀核裂变在自然界中会自发地产生
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】选A、D。根据重核发生裂变的条件和裂变释放能量的原理分析可知,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,因而释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量;重核裂变只能发生在人为核反应中;在裂变反应中核子数是不会减少的,因此A正确,B、C错误。重核裂变为中等质量的原子核时,由于平均质量减小,必然发生质量亏损,从而释放出核能,所以D正确。
2.核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电,U
是核电站常用的核燃料U受一个中子轰击后裂变成Ba和Kr两部分,并产生________个中子。要使链式反应发生,裂变物质的体积要________(选填“大于”或“小于”)它的临界体积。?
【解析】由质量数和电荷数守恒可知UnBaKr+n,可见产生了3个中子,链式反应的一个条件是铀燃料的体积必须大于或等于临界体积。
答案:3 大于
二 核电站的结构及工作原理
1.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,它的主要部件列表如下:
部件
名称项目
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
2.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,由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成,石墨(重水)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,用于推动蒸汽机,使发电机发电。
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。
3.核电站发电的优点:
(1)消耗的核燃料少。
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大,所能提供的能量大。
(3)对环境的污染要比火力发电小。
【思考·讨论】
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?
提示: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)核电站发电有什么优点?
提示: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。
【典例示范】
关于核电站的核反应堆,下列说法正确的是
( )
A.利用热中子是因为热中子的速度快,增加反应速度
B.在铀棒的周围放重水或普通水的目的是冷却反应堆
C.控制棒通过使中子减速达到控制反应速度的目的
D.若核反应剧烈,可将控制棒插入深一些,减慢反应速度
【解析】选D。因为核裂变产生的是速度很大的快中子,中子速度不能太快,否则会和铀核擦肩而过,铀核不能“捉”住它,不能发生核裂变,所以必须控制好中子的速度,为了使快中子减速,在铀棒的周围放重水或者普通水,目的就是使中子冷却而减速,故A、B、C错误;根据核反应堆控制棒的作用可知,控制棒插入深一些,让它多吸收中子,中子数减少,反应速率会慢一些,故D正确。
【素养训练】
1.日本大地震曾引发了福岛核电站核泄漏事故,下列关于核电站的说法正确的是
( )
A.核电站利用核聚变反应时释放的能量进行发电
B.核电站利用海洋的潮汐能发电
C.核能是可再生能源
D.核泄漏释放的放射性物质发出的射线对人体是有危害的
【解析】选D。目前核电站均采用重核裂变进行发电的,故A、B错误;核能是利用重核裂变进行的,是不可再生能源,故C错误;长时间接受核辐射会使正常细胞发生癌变,故D正确。
2.近段时间,朝鲜的“核危机”引起了全世界的瞩目,其焦点问题就是朝鲜核电站采用的是轻水堆还是重水堆。因为重水堆核电站在发电的同时还可以产出供研制核武器的钚239Pu)。这种钚Pu),可由铀239U)经过衰变而产生,则下列判断正确的是
( )
APu与U的核内具有相同的中子数
BPu与U的核内具有相同的质子数
CU经过2次β衰变产生Pu
DU经过1次α衰变产生Pu
【解析】选CPu的核内中子数为:239-94=145U的核内中子数为:239-92=147,故它们中子数不相等,故A错误;Pu
的核内质子数为94U的核内质子数为:92,故它们质子数不相等,故B错误;根据质量数与电荷数守恒可知UPu+e,故C正确,D错误。
【补偿训练】
1.现已建成的核电站发电的能量来自
( )
A.天然放射性元素衰变放出的能量
B.人工放射性同位素放出的能量
C.重核裂变放出的能量
D.化学反应放出的能量
【解析】选C。现在核电站所用原料主要是铀,利用铀裂变放出的核能发电,故C项正确。
2.(多选)秦山核电站第三期工程的两个6×105
kW发电机组已实现并网发电。发电站的核能来源于U的裂变,下列说法正确的是
( )
A.反应堆中核反应速度通常是采用调节U的体积来控制的
BU的一种可能的裂变是UnXeSr+n
CU是天然放射性元素,升高温度后它的半衰期会缩短
D.一个U裂变能放出200
MeV的能量,合3.2×10-11
J
【解析】选B、D。反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制,A错误U裂变有多种可能性,这是其中常见的一种,B对;放射性元素的半衰期由原子核本身决定,与温度、压强等外界条件无关,C错误;200
MeV=200×106
×1.6×10-19
J=3.2×10-11
J,D正确。
三 核聚变的特点及应用
1.聚变发生的条件: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,有一种办法就是把它们加热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.核聚变的应用:
(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:
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
主要原料是氘,氘在地球上的储量非常丰富
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
【思考·讨论】
如图为氢弹原理示意图。
(1)若要发生核聚变,对原子核间的距离有什么要求?
提示:原子核间的距离达到10-15
m以内。
(2)核聚变为何又叫热核反应?
提示:核聚变需要在几百万开尔文的高温下才能进行,因此核聚变又叫热核反应。
【典例示范】
(2019·全国卷Ⅱ)太阳内部核反应的主要模式之一是质子-质子循环,循环的结果可表示为HHe+e+2ν,已知H和He的质量分别为mp=1.007
8
u和mα=4.002
6
u,1
u=931
MeV/c2,c为光速。在4个H转变成1个He的过程中,释放的能量约为
( )
A.8
MeV
B.16
MeV
C.26
MeV
D.52
MeV
【解析】选C。根据质能方程ΔE=Δm·c2,得ΔE=(4mp-mα-2me)·c2,因核反应前后质量亏损约为Δm=(1.007
8×4-4.002
6)u=0.028
6
u,故释放的能量约为ΔE=931
MeV/c2×Δm=26.6
MeV,C正确,A、B、D错误。
【素养训练】
1.“人造太阳”实验中的可控热核反应的聚变方程是HHHen,反应原料氘H)富存于海水中,氚H)可以用中子轰击锂核Li)得到,则关于中子轰击锂核产生一个氚核和一个新核,下列说法正确的是
( )
A.该核反应方程为LinHeH
B.核反应生成物中的α粒子具有很强的电离本领,但穿透能力较弱
C.在中子轰击锂核Li)的核反应生成物中有α粒子,故该核反应属于α衰变
D.核聚变的条件是要达到高温高压的热核反应状态,故核聚变过程不能释放出核能
【解析】选B。根据质量数和电荷数守恒得该核反应为LinHeH,故A错误;α射线的电离本领较强,穿透能力较弱,故B正确;该核反应为人工核反应,故C错误;在聚变方程式HHHen中会释放大量的热量,故D错误。
2.关于轻核聚变释放核能,下列说法正确的是
( )
A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大
C.聚变反应中粒子的结合能变大
D.聚变反应中由于形成质量较大的核,故反应后质量增加
【解析】选B。在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多,但平均每个核子释放的能量一定大,故A错误,B正确;由于聚变反应中释放出巨大能量,则比结合能一定增加,质量发生亏损,并非结合能增加,故C、D错误。
【补偿训练】
1.(多选)下列关于聚变的说法,正确的是
( )
A.要使聚变产生,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,所以氢弹可以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A、B、C。轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15
m,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,这样高的温度可以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,D错误。
2.(多选)如图所示,托卡马克(Tokamak)是研究受控核聚变的一种装置,这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnet(磁)的头两个字母以及kotushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词。根据以上信息,下述判断中可能正确的是
( )
A.这种装置的核反应原理是轻核的聚变,同时释放出大量的能量,和太阳发光的原理类似
B.线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出
C.这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同
D.这种装置可以控制热核反应速度,使聚变能缓慢而稳定地进行
【解析】选A、B、D。聚变反应原料在装置中发生聚变,放出能量,故A正确;线圈通电时产生磁场,带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用不飞出,故B正确;核电站的原理是裂变,托卡马克的原理是聚变,故C错误;该装置使人们可以在实验中控制反应速度,平稳释放核能,故D正确。
四 新粒子的发现和夸克模型
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
正电子
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.粒子的分类:
分类
参与的相互作用
发现的粒子
备注
强子
参与强相互作用
质子、中子、介子、超子
有内部结构,由“夸克”构成,可分为介子和重子
轻子
不参与强相互作用
电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子
未发现内部结构
规范玻色子
传递各种相互作用
光子、中间玻色子、胶子
光子传递电磁相互作用,中间玻色子传递弱相互作用,胶子传递强相互作用
希格斯玻色子
是希格斯场的量子激发
3.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。
【思考·讨论】
图为欧洲粒子加速器,能使粒子获得13万亿电子伏特的能量。
(1)高速粒子碰撞能产生一些新的粒子,试说出部分20世纪30年代以来发现的新粒子。
提示:介子、超子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子等。
(2)随着新粒子的发现,质子与中子为什么不再被称为“基本粒子”?
提示:因为质子与中子也有着复杂的内部结构,它们也是由更基本的粒子组成,质子与中子不再被称为“基本粒子”。
【典例示范】
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.强子中都是带电的粒子
C.夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D.夸克模型说明电子电荷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,不同夸克带电不同,分别为+e和-,说明电子电荷不再是电荷的最小单位,C错误,D正确。
【素养训练】
1.(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A、B、C。夸克不能以自由的状态单个出现,D错误,A、B、C正确。
2.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夸克的带电荷量为-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】选B。质子H带电荷量为2×e+(-e)=e,中子n带电荷量为e+2×(-e)=0。可见B正确。
【补偿训练】
1.(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.粒子分为强子、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子四类
C.质子属于强子
D.光子属于轻子
【解析】选A、B、C。“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电量,但电荷的符号相反,故A正确;粒子分为强子、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子四类,B正确;质子属于强子,光子属于规范玻色子,故C正确,D错误。
2.(多选)下列说法中正确的是
( )
A.目前还未发现媒介子、轻子和夸克这三类粒子的内部结构
B.自然界存在着能量守恒定律、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
【解析】选A、C、D。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;自然界存在着能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律,对基本粒子同样适用,故B错误;粒子与其反粒子带等量异种电荷,反粒子与其对应的粒子相遇时会发生湮灭现象,故C正确;强子是参与强相互作用的粒子,质子是最早发现的强子,中子、介子和超子也是强子,故D正确。
【拓展例题】考查内容:裂变过程的核能计算
【典例】用中子轰击铀核U),其中的一个可能反应是分裂成钡Ba)和氪Kr)两部分,放出3个中子。各个核和中子的质量如下:
mU=390.313
9×10-27
kg,mn=1.674
9×10-27
kg
mBa=234.001
6×10-27
kg,mKr=152.604
7×10-27
kg
试写出核反应方程,算出反应中释放的核能。
【解析】根据反应前后核的质量数守恒、核电荷数守恒和反应中的能量守恒,可以写出核反应方程为
nUBaKr+n
核反应前后的质量亏损为
Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=0.357
8×10-27
kg
由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为
ΔE=Δmc2=0.357
8×10-27×(3×108)2
J=3.220
2×10-11
J。
答案nUBaKr+n 3.220
2×10-11
J
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.下面列出的是一些核反应方程,针对核反应方程下列说法正确的是
( )
UTh+X
HHHe+Y
BeHB+K
UnSrXe+10M
A.核反应方程①是重核裂变,X是α粒子
B.核反应方程②是轻核聚变,Y是中子
C.核反应方程③是太阳内部发生的核聚变,K是正电子
D.核反应方程④是衰变方程,M是中子
【解析】选B。根据质量数守恒和电荷数守恒知,X为He,即α粒子,该反应为α衰变,故A错误;根据质量数守恒和电荷数守恒知,Y为n,即中子,该反应为轻核聚变,故B正确;根据质量数守恒和电荷数守恒知,K为n,即中子,该反应为人工核反应,故C错误;根据质量数守恒和电荷数守恒知,M为n,即中子,该反应为铀核裂变反应,故D错误。
2.据新华网2019年6月24日报道,中国科学院空天信息研究院和中国科学技术大学等单位联合研制出高速高精度激光汤姆孙散射仪,为我国未来磁约束聚变能装置的高精度测量奠定了坚实的基础。下列说法正确的是
( )
A.激光被散射后频率不变
B.激光被散射后频率增大
C.核聚变反应在常温下就可以发生
D.核聚变反应能够释放能量
【解析】选D。根据康普顿效应可知,激光与其他粒子碰撞时,把一部分动量转移给对方,根据λ=可知,激光散射后波长λ变长,根据c=λν可知,频率减小,故A、B错误;核聚变反应又称为热核反应,需要高温条件,在常温下不能发生,故C错误;核聚变反应发生质量亏损,释放能量,故D正确。
3.(多选)下列说法正确的是
( )
A.目前我国核电事业蓬勃发展,新建核电站的能量来源可以是轻核聚变
B.无论裂变还是聚变都要从比结合能小的原子核向比结合能大的原子核变化
C.半衰期是大量原子核内的核子有统计意义上的半数发生变化的时间,它不随温度或压强变化而变化
D.重核发生α衰变后的产物的总结合能小于原重核的结合能
【解析】选B、D。轻核聚变现在还无法进行控制,新建核电站的能量来源于重核裂变,故A错误;比结合能小的原子核向比结合能大的原子核发生变化时要放出能量,裂变和聚变都是放热反应,所以无论裂变还是聚变都要从比结合能小的原子核向比结合能大的原子核变化,故B正确;半衰期是大量原子核有统计意义上的半数发生变化的时间,它不随温度或压强变化而变化,不是原子核内的核子有半数发生变化所需要的时间,故C错误;重核发生α衰变后,伴随着γ射线产生,即要释放能量,所以重核发生α衰变后的产物的总结合能小于原重核的结合能,故D正确。
【补偿训练】
关于铀核裂变,下列说法正确的是
( )
A.铀核裂变的产物是多种多样的,但只能裂变成两种不同的核
B.铀核裂变还能同时释放2～3个中子
C.为了使裂变的链式反应容易进行,最好用纯铀238
D.铀块的体积对产生链式反应无影响
【解析】选B。铀核裂变的产物是多种多样的,具有极大的偶然性,但裂变成两个核的情况较多,也会分裂成多个核,并放出几个中子。铀235被中子轰击时,裂变的概率大,且可以俘获各种能量的中子引起裂变,而铀238只有俘获能量在1
MeV以上的中子才能发生裂变,且裂变的几率小,而要引起链式反应,必须使铀块的体积大于临界体积。故选项B正确,A、C、D错误。
4.U受中子轰击时会发生裂变,产生Ba和Kr,同时放出200
MeV
的能量,现要建设发电能力是50万千瓦的核电站,用铀235作为原子锅炉的燃料,假设核裂变释放的能量全部被用来发电,那么一天需要纯铀235的质量为多少?(阿伏加德罗常数取6.02×1023mol-1)
【解析】每天发电的总量
E=24×3.6×103×5×108
J=4.32×1013
J。
要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目
n==1.35×1024(个)。
则对应的质量
m=·μ=×235×10-3
kg=0.527
kg。
答案:0.527
kg
情境:能源危机是一个全球性的共同问题,科学家们正在积极探索核能的开发与和平利用,其中可控热核反应向人类展示了诱人的前景。热核反应比相同数量的核子发生裂变反应释放的能量要大好几倍,同时所造成的污染也要轻得多,而且可用于热核反应的氘H)在海水中的总含量非常丰富,所以一旦可控热核反应能够达到实用,便可解决人类所面临的能源危机问题。
问题:(1)热核反应中的一种反应是1个氘核和1个氚核H)聚变为一个氦核He),请完成这个核反应方程式HHHe+__________+能量。?
(2)若氘核的质量为2.014
1
u,氚核的质量为3.016
1
u,中子的质量为1.008
7
u,氦核的质量为4.002
6
u。其中u是原子质量单位,已知1
u相当于931
MeV的能量,则上述核反应过程中释放的能量为________MeV。(保留3位有效数字)?
【解析】(1)根据电荷数守恒、质量数守恒,知未知粒子的电荷数为0,质量数为1,知该粒子为中子,即n。
(2)根据爱因斯坦质能方程得,
ΔE=Δmc2=(2.014
1+3.016
1-4.002
6-1.008
7)×931
MeV≈17.6
MeV。
答案:(1n (2)17.6
