2017_2018学年高中物理第四章原子核第六节核能利用第七节小粒子与大宇宙同步备课教学案粤教版选修3

第六节 核能利用 第七节 小粒子与大宇宙

[学习目标]　1.了解裂变反应堆的工作原理.2.了解核电站和核能利用的优缺点.3.了解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时间跨度．

一、核反应堆及核电站

1．核电站是利用核能发电，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、重水或普通水作减速剂；

(3)控制棒：采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子的能力很强的特性，控制链式反应的速度．

2．工作原理

核燃料裂变释放能量，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

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．核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，埋入深地层来处理．

[即学即用]　判断下列说法的正误．

(1)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度．(　√　)

(2)核反应堆用过的核废料无毒无害．(　×　)

二、小粒子和大宇宙

1．“基本粒子”不基本

(1)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，后来人们发现了光子、电子、质子、中子，并把它们叫做“基本粒子”．

(2)随着科学的发展，科学们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子组成的，并发现质子、中子等本身也有复杂结构．

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介子及以后的超子等．

(2)粒子的分类：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．

4．从小粒子到大宇宙——空间跨度

(1)大爆炸宇宙模型：大约150亿年前突然发生一次大爆炸，其后逐渐诞生出恒星、星团、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150亿年演化成今天的宇宙世界．

(2)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从10－15_m到1027_m，共跨越了约42个数量级．

5．从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度

(1)宇宙的年龄的数量级：1018_s.

(2)微观粒子的最短寿命：10－25_s.

(3)物质世界的时间尺度：约从10－25_s到1018_s，跨越了将近43个数量级.

一、核反应堆与核电站

1．核反应堆的主要部件及作用如下表：

2.核电站发电的优点

(1)消耗的核燃料少．

(2)作为核燃料的铀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．

例1　如图1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(　　)

图1

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的能量减少，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

答案　B

解析　快中子容易与铀235擦肩而过，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，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．

二、粒子的分类和夸克模型

1．粒子的分类

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

答案　B

解析　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.

1．(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是(　　)

A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能

B．镉棒的作用是控制反应堆的功率

C．石墨的作用是吸收中子

D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能

答案　ABD

解析　铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确；慢中子最容易引发核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故C错误；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，同时也使反应堆冷却，控制温度，故D正确．

2．链式反应中，重核裂变时放出的可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

答案　B

解析　在重核的裂变中，铀235需要吸收一个慢中子后才可以发生裂变，所以重核裂变时放出的可使裂变反应不断进行下去的粒子是中子．

3．若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，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷．

(1)按最简单的组成，π＋介子由谁和谁组成？

(2)按最简单的组成，π－介子由谁和谁组成？

答案　(1)π＋介子是由夸克u和反夸克组成的

(2)π－介子由夸克d和反夸克组成

解析　(1)π＋介子带有＋e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克u带＋e和反夸克带＋e合成电荷量为e.

(2)π－介子带有－e的电荷量，是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克d带－e和反夸克带－e合成电荷量为－e.

4．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　＋　3n

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931.5 MeV，此裂变反应释放出的能量是________ MeV.

答案　180

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，

由于1 u的质量对应的能量为931.5 MeV，

ΔE＝931.5×0.193 3 MeV≈180 MeV.

一、选择题(1～5题为单选题，6～7题为多选题)

1．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．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位

答案　D

解析　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．

2．中国承诺到2020年碳排放量下降40%～45%，为了实现负责任大国的承诺，我们将新建核电站项目．目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是(　　)

A.U＋n→Sr＋Xe＋10n

B.Na―→Mg＋e

C.N＋He―→O＋H

D.U―→Th＋He

答案　A

解析　重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变．

3．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．聚变反应中粒子的平均结合能变小

D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增大

答案　B

4．现在科学家们正在设法探寻“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量，但电荷符号相反．据此，若有反α粒子，它的质量数和电荷数分别为(　　)

A．－4，－2   B．4，－2

C．－4,2   D．4,2

答案　B

解析　因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量、相同的电荷量，但电荷的符号相反．所以，反α粒子质量数为4，电荷数为－2.

5．K－介子衰变的方程为K－―→π－＋π0.其中K－介子和π－介子是带负电的基元电荷，π0介子不带电．如图1所示的1个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径RK－与Rπ－之比为2∶1.π0介子的轨迹未画出．由此可知π－的动量大小与π0的动量的大小之比为(　　)

图1

A．1∶1   B．1∶2

C．1∶3   D．1∶6

答案　C

解析　带电粒子K－与π－在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力Bqv＝得R＝＝，K－介子与π－介子带电量相同，故运动的半径之比等于动量之比pK－∶pπ－＝RK－∶Rπ－＝2∶1，在衰变后π－介子与π0介子动量方向相反，设K－介子的动量为正，则π－介子动量为负值，由动量守恒pK－＝－pπ－＋pπ0，则pπ－∶pπ0＝1∶3故A、B、D错，C对．

6．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

答案　AC

解析　两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应，故A对，B错；重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应，故C对；原子核放出α或β粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变．原子核的衰变的反应物只有一种，故D错．

7．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，但大量的被污染的海水外泄，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

答案　ABD

解析　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，大量的被污染的海水外泄，泄漏中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．

二、非选择题

8．一个原来静止的锂核(Li)俘获一个速度为7.7×104 m/s的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103 m/s，方向与中子的运动方向相反．

(1)试写出核反应方程；

(2)求出氦核的速度大小．

答案　(1)Li＋n―→H＋He　(2)2×104 m/s

解析　(1)Li＋n―→H＋He.

(2)取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得

mnv0＝－mTv1＋mHev2

v2＝＝2×104 m/s.

9．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＋310n是反应堆中发生的许多核反应中的一种，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速度，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＝390×10－27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的U的质量．

答案　(1)(mU－mBa－mKr－2mn)c2　(2)1 104 kg

解析　(1)释放的能量为

ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.

(2)因核电站发电效率为40%，

故核电站消耗U的功率为

P′＝＝ kW＝2.5×106 kW.

核电站每年消耗U的能量为

W＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J

产生这些能量消耗的铀核的数目：

n＝＝≈2.83×1027(个)

每年消耗U的质量为

M＝nmU＝2.83×1027×390×10－27 kg≈1 104 kg.