2020-2021学年高二下学期物理人教版(2019)选择性必修第三册课件：5.4核裂变与核聚变5.5“基本”粒子17张PPT

4　核裂变与核聚变
5　“基本”粒子
1.知道什么是核裂变、链式反应。了解核反应堆的工作原理。知道核能发电的优
缺点。
2.会判断和书写核反应方程,能计算核反应释放的能量。
3.知道核聚变反应的特点。了解核聚变反应的条件、受控热核反应。
4.了解粒子的分类及粒子物理学的基础知识。
1.核裂变的发现
1938年年底,德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击①　铀核????
的实验中发现,生成物中有原子序数为56的元素②　钡????。重核被③　中子????轰
1 | 核裂变的发现
击后分裂成两个质量差不多的新原子核,这类核反应定名为核裂变。
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,其中一种典型的反应是?U?n
?Ba+?Kr+④?????n????。铀核裂变为⑤　中等质量????的原子核,发生质量亏损,
所以⑥　放出????能量。
3.链式反应
由重核裂变产生的⑦　中子????使核裂变反应一代接一代继续下去的过程。
4.发生链式反应的条件
发生核裂变物质的体积大于⑧　临界体积????或物质的质量大于⑨　临界质量????。
1.核能释放的控制
通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为⑩　核反应堆????。
2.慢化剂
反应堆中,为了使核裂变产生的快中子减速,在铀棒周围要放“慢化剂”。常用的
慢化剂有?　石墨????、?　重水????和普通水。
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,它?　吸收
中子????的能力很强,当反应过于激烈时,可将其插入?　深????一些,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。
2 | 反应堆与核电站
4.能量输出
核燃料发生?　核裂变????释放的能量使反应区温度升高,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????。
5.核污染的处理
在反应堆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????。
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.经典反应
?H?H→??He?????n+17.6 MeV
3.发生核聚变的条件
要使轻核发生核聚变,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,当物质的温度高达几百万开尔文时,一部分原子核发生核聚变,因此核聚
变又叫?　热核反应????。
3 | 核聚变
4.实例
(1)太阳能:太阳的主要成分是?　氢????。太阳的中心温度达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,太阳能就来自太阳内部?　核聚变????释放
的核能。
(2)氢弹: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????引发热核爆炸。
5.核聚变的优点
(1)轻核聚变产能?　效率高????。
(2)地球上核聚变燃料的储量?　丰富????。
(3)轻核聚变更为安全、清洁。
6.实现可控热核反应的方案
(1)磁约束:利用磁场约束参加反应的物质。目前性能最好的一种磁约束装置是?
　环流器????。
(2)惯性约束:核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。
1.“基本粒子”不“基本”
到19世纪末,人们认为?　原子????是组成物质的不可再分的最小微粒。后来,认为
光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的“?　基本粒子????”。随后,
科学家们发现了数以百计的不同种类的新粒子,又发现质子、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。
后来还发现了一些粒子,质量比?　质子????的质量大很多,叫作超子。
(2)粒子的质量、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????。例如,电子的反粒子是?　正电子????,它
的电荷量与电子相同,但带的是?　正电荷????。质子的反粒子是?　反质子????,它
4 | “基本”粒子
的电荷量与质子相同,但带的是?　负电荷????。
3.粒子的分类
(1)强子: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:轻子不参与强相互作用。最早发现的轻子是?　电子????,后来发现的轻子
有电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子。
(3)规范玻色子: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。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????。
(4)希格斯玻色子:希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。基本粒子因与希格斯场
耦合而获得?　质量????。
1.铀核的裂变是一种天然放射现象。?(?????　)
提示:用中子轰击铀核才发生裂变。
2.在核电站,核裂变释放的大量核能直接用于发电。?(?????　)
提示:在核电站,核裂变释放的大量核能先通过在反应堆内外循环流动的液体传输
出去,再用于发电。
3.现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的核聚变反应释放的核能。?
(????√　)
4.铀核裂变时只能释放出3个中子。?(?????　)
提示:铀核裂变的产物是多样的,释放出中子的数目有多有少。
5.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。?(　√　)
判断正误，正确的画“ √” ，错误的画“ ?” 。
6.控制棒吸收的中子多,则链式反应速度就快。?(?????　)
提示:控制棒吸收的中子多,则链式反应速度就慢。
7.核聚变反应中平均每个核子放出的能量比核裂变反应中小一些。?(?????　)
提示:核聚变反应中平均每个核子放出的能量比核裂变反应中大得多。
8.轻核的聚变只要达到临界质量就可以发生。?(?????　)
提示:轻核的聚变达到极高温度才能发生。
9.质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。?(?????　)
提示:质子、中子都有内部结构。
10.质子和反质子的电荷量相同,电性相反。?(　√　)
?
1 | 核裂变和链式反应
情境????秦山核电站是我国自行设计、建造和运营管理的第一座30万千瓦压水堆核
电站,地处浙江省海盐县。秦山核电站工程建设自1985年3月开工,1991年12月并网
发电。
秦山核电站的建成发电,使我国成为世界上第7个能够自行设计、建造核电站的国家。
问题
1.与火力发电所用的煤相比,核原料的运输和储存有什么优势?
提示:核原料的运输和储存方便。
2.核裂变反应发生后,反应物的质量增加还是减小?为什么?
提示:减小。核裂变反应释放大量的能量,发生质量亏损,反应物的质量减小。
铀核的裂变和裂变方程
(1)原子核受激发: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)原子核分裂:核子间的距离增大,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:
?U?n?Xe?Sr+?n
?U?n?Ba?Kr+?n
发生链式反应的条件
(1)铀块的体积大于临界体积。
(2)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。
导师点睛
(1)铀核的裂变只能发生在人为的核反应中,自然界中不会自发地产生裂变,而是会
发生衰变。
(2)链式反应速度很快,如不加以控制,能量在瞬间急剧释放会引起剧烈爆炸(如原子
弹)。如果运用一定办法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核
潜艇等)。
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大,因此核聚变反应是一个放能反
应。
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。
2 | 核聚变