5.4核裂变与核聚变学案-高二物理选择性必修3 Word版无答案

物理导学案 创编人：辛春梅 审核人：孙建国 使用时间：高二下学期 编号：
4.核裂变与核聚变5.“基本”粒子预习案
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【预习目标】知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念，了解原子弹、核反应堆、聚变反应条件、新粒子的内容。　　
【使用说明】
1.先阅读教材，回答第119页和第126页的“问题”并梳理必要的知识点。
教材P119页“问题”提示：重核是裂变释放出巨大的核能，主要应用有原子弹和核电站；轻核聚变释放出巨大能量，现在仅有氢弹应用。
教材P126页“问题”提示：这些新发现的粒子大体可分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类别，它们之间存在着密切的关系。理解课本基础知识，有疑问的用红色笔做好疑难标记。完成教材助读设置问题，依据发现的问题再研读教材或者查阅资料，解决问题。将预习中不能解决的问题填在疑惑卡上。
2.分层完成，A层全部完成并梳理知识结构，标“※”的题目要求B层选做。小组长职责，知道引领小组各层成员按时完成任务，人人达标。
3自主阅读学习法、合作学习法、实验探究
一、核裂变
1．核裂变的发现
(1)核裂变
重核被____轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出____的过程。
(2)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＋____。
(3)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，这种由重核裂变产生的中子使____反应一代一代继续下去的过程，叫作核裂变的____。
(4)链式反应的条件
发生裂变物质的体积大于____或裂变物质的质量大于____。
2．反应堆与核电站
(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____。
(2)慢化剂
反应堆中，为了使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____、____和____(也叫轻水)。
(3)控制棒
为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收____的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入____一些，多吸收一些____，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作____。
(4)能量输出
核燃料____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外____，把反应堆内的____传输出去，用于____。
说明：核裂变是可以控制的，如核电站的建立和应用。
二、核聚变
1．定义
两个轻核结合成____的核，这样的核反应叫作____。
2．举例
H＋H→____＋n＋17.6 MeV。
3．条件
(1)轻核的距离要达到____以内。
(2)需要加热到很高的温度，因此又叫____。
4．优点
(1)轻核聚变____。
(2)地球上____的储量丰富。
(3)轻核聚变更为____。
5．约束方法
____和惯性约束。
三、粒子
1．基本粒子不基本
(1)直到19世纪末，人们都认为____、电子、____和中子是基本粒子。
(2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上____组成的，并发现____等本身也有复杂结构。
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____子和____及以后的超子等。
(2)粒子的分类：大体可分为____、____、规范玻色子和希格斯玻色子几种类型。
(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____构成的。
说明：反粒子最显著的特点是当它们与相应的正粒子相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子。
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。
(2)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。
(3)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些。
(4)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。
2．(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，但核子数不变
D．重核裂变为中等质量的核时，放出核能
3．(多选)下列关于聚变的说法中正确的是(　　)
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摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反应
C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应
D．自然界中不存在天然的热核反应
4.核裂变与核聚变5.“基本”粒子导学案训练案
【学习目标】1．[物理观念]知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念，了解原子弹、核反应堆、聚变反应条件、新粒子的内容。　2.[科学思维]掌握链式反应及核聚变释放能量的计算，理解核电站的工作原理，掌握轻核聚变的条件，提高分析、解决问题的能力。　3.[科学探究]通过对链式反应的探究，理解原子弹、核反应堆的原理，体会热核反应的条件及科学发现新粒子的进步。　4.[科学态度与责任]学习科学家们研究问题的方法，坚持实事求是的科学态度，体验其工作的艰辛，激发探索未来科学的热情。
【情境导学】
对核裂变和链式反应的理解
如图所示为重核裂变的链式反应。
试探究：(1)什么是链式反应？
(2)链式反应中的临界体积指什么？
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：
①n＋U→Ba＋Kr＋3n
②U＋n→Sr＋Xe＋3n。
2．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即可。
【例1】　(多选)2017年11月17日，“中国核潜艇之父”——黄旭华获评全国道德模范。下列有关核反应的说法正确的是(　　)
A．目前核潜艇是利用重核裂变提供动力
B．重核裂变反应前后一定有质量亏损
C．U＋n→U＋Sr＋dn式中d＝1
D．铀核裂变后的新核比铀核的比结合能小
对重核裂变的两点理解
(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，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，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解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。
[跟进训练]
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
核电站与核反应堆
如图是慢中子反应堆的示意图。
试探究：(1)铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？
(2)如何控制裂变反应的激烈程度？
提示：(1)慢中子。
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 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、重水或普通水为慢化剂，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。
反应堆示意图
(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。
(3)对环境的污染要比火力发电小。
【例2】　每昼夜消耗220 g铀235的原子能发电站，如果效率为25%，它能产生的电功率为多大？(每个铀核裂变时放出的能量是200 MeV)
[跟进训练]
2．在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是(　　)
A．使用浓缩铀
B．改变铀块的临界体积
C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制反应速度
D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
对核聚变的理解
据报道，中科院离子物理所经过八年的艰苦奋斗努力，终于率先建成了世界上第一个全超导的托克马克试验装置并调试成功。这种装置被称为“人造太阳”(如图所示)，它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续地输出能量，就像太阳一样为人类提供无限清洁的能源。
问题探究：(1)请写出此核聚变的方程式；(2)请说出核聚变能源的优点。
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。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出更多的能量。
(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
比较项目 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大约要大3～4倍
燃料储量情况 聚变燃料储量丰富
核废料处 理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多
【例3】　氘核(H)和氚核(H)结合成氦核(He)的核反应方程如下：H＋H→He＋n＋17.6 MeV
(1)这个核反应称为________。
(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文。式中17.6 MeV是核反应中________(选填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(选填“增加”或“减少”)了________kg(保留一位有效数字)。
(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。
[跟进训练]
3．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
4H→He＋2e＋2γ
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转变为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
“基本”粒子
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，它们所带电荷量如下表所示，表中e为元电荷。
π＋
π－
u
d
电荷量
＋e
－e
＋e
－e
－e
＋e
试探究：(1)π＋应由哪两个组成？
(2)π－又应由哪两个组成？
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 反粒子 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.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。
【例4】　在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测。1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中H的核反应，间接地证实了中微子的存在。
(1)中微子与水中的H发生核反应，产生中子(n)和正电子(e)，即：中微子＋H→n＋e
可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________。
(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即e＋e→2γ，已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31 kg，反应中产生的每个光子的能量约为________J。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是什么？
对核反应中新生成粒子的认识
新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律。
[跟进训练]
4．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。u夸克带电荷量为＋e，d夸克带电荷量为－e，e为元电荷，下列论断可能正确的是(　　)
A．质子由1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
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1个u夸克和1个d夸克组成
1．物理观念：核裂变、核聚变、链式反应、新粒子。
2．科学思维：对核裂变、核聚变的理解及核能的计算，核反应堆的分析与新粒子的认识。
3．科学方法：实验法、计算法、分析法、比较法。
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．把粒子分为强子、轻子、媒介子，根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
2．(多选)下列说法正确的是(　　)
A．聚变是裂变的逆反应
B．核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温，反应时放出能量
C．轻核聚变比裂变更为安全、清洁
D．强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发现的强子
3．(多选)重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是(　　)
A．裂变过程质量增加
B．裂变过程质量亏损
C．裂变过程和聚变过程都有质量增加
D．聚变过程有质量亏损
4．(多选)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．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子
C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用铀235而不用铀238
D．铀块的体积对产生链式反应无影响
5．(思维拓展)2010年3月31日，欧洲大型强子对撞机实现首次质子束对撞成功。科学家希望以接近光速飞行的质子在发生撞击之后，能模拟宇宙大爆炸的能量，并产生新的粒子，帮助人类理解暗物质、反物质以及其他超对称现象，从根本上加深了解宇宙本质，揭示宇宙形成之谜。欧洲科研机构宣布他们已经制造出9个反氢原子。
问题探究：
(1)什么是反粒子？
(2)请推测反氢原子的结构？
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