物理选择性必修 第三册5 “基本”粒子课文内容ppt课件

这是一份物理选择性必修 第三册5 “基本”粒子课文内容ppt课件，共54页。PPT课件主要包含了可控制，水泥层，放射性，深埋地下，知识点三核聚变，库仑斥，正电子，Z玻色子，反粒子，反质子等内容，欢迎下载使用。

4　核裂变与核聚变5 “基本”例子
知识点一 　核裂变的发现
4.链式反应:由重核裂变产生的 使核裂变反应一代接一代继续下去的过程,如下图所示.
5.链式反应的条件.(1)铀块的体积 或等于临界体积或铀块的质量 .或等于临界质量.(2)有足够数量的 中子.
知识点二　反应堆与核电站
1.核反应堆:通过 的链式反应实现核能释放的装置.2.反应堆的组成.(1)铀棒:由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%~4%)制成,它是核反应堆的燃料.(2)慢化剂:反应堆中,为了使裂变产生的快中子减速,便于铀235吸收,发生裂变,在铀棒周围要放“慢化剂”,常用的慢化剂有 、重水和普通水.(3)控制棒:主要作用是 中子,控制反应速度.
3.核电站.(1)能量输出:核燃料裂变释放的能量使反应区温度 ,水或液态的金属钠等物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.(2)核污染的处理:在反应堆的外面需要修建很厚的 ,用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线.核废料具有很强的 ,需要装入特制的容器, .
4.受控热核反应.(1)核聚变相比核裂变的优点:轻核聚变产能效率 ;核聚变燃料储量 ;轻核聚变更为安全、清洁.(2)控制热核反应的难点:任何容器都不能承受反应物需的 .(3)控制方法.①磁约束:利用 来约束参加反应的带电粒子.②惯性约束:利用核聚变物质的 进行约束.
知识点四　 “基本”粒子
1.发现新粒子.(1)1932年发现了 ,1937年发现了 ,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)20世纪30年代至今物理学家通过实验发现了一部分新粒子,如τ子、 、J/Ψ 介子、W和 、τ子中微子、希格斯玻色子等.(3)实验中发现,存在着这样一类粒子,它们的质量、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 .例如,电子的反粒子是 ,质子的反粒子是 .
2.粒子的分类.(1)强子:强子是参与强相互作用的粒子.质子和 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 ,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.每种轻子都有对应的反粒子.(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 相互作用,中间玻色子传递 相互作用,胶子传递 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.3.夸克模型的提出:许多实验事实表明,强子是有 结构的.1964年,美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型,认为强子由更基本的成分组成,这种成分叫作夸克.
1.铀核裂变的产物是钡和氪,且固定不变.( )2.核反应堆通过调节中子数目以控制反应速度.( )3.核聚变平均每个核子放出的能量,比裂变反应中平均每个核子放出的能量大.( )4.实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受热核反应所需的温度.( )5.质子、中子、电子都是不可再分的“基本”粒子.( )6.强子是参与强相互作用的粒子,质子是最早发现的强子.( )
探究一　核裂变及链式反应
阅读教材,观察铀核裂变示意图.
1.铀核裂变是如何发生的?
答案: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.核子间的距离增大,核力迅速减弱,原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块,同时放出中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变反应一代接一代继续下去,形成链式反应.
2.只要有中子轰击铀块就可以发生链式反应吗?
答案:发生链式反应是有条件的,只有铀块体积(质量)大于或等于临界体积(临界质量),才能发生链式反应.
3.铀核裂变在自然界中能自发进行吗?
4.重核裂变为什么能释放核能?人们获得核能的途径有哪些?
答案:重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中,在自然界中不会自发地发生.要使铀核裂变,首先要利用中子轰击铀核,使铀核分裂,分裂产生更多的中子,这些中子继续与其他铀核发生反应,再引起新的核裂变,这样就形成了链式反应.
答案:中等质量的原子核的核子平均质量较小,重核和轻核的核子平均质量较大.如果原子序数较大的重核A分裂成原子序数小一些的核B和C,会有质量亏损,放出巨大的核能.获得核能的主要途径:一是重核裂变,二是轻核聚变.
3.核裂变的特点.(1)能放出巨大的能量.(2)能同时放出2至3个(或更多个)中子.(3)产物不唯一.注意:核裂变反应的依据是实验事实,不能仅凭核反应前后质量数守恒和电荷数守恒,杜撰核裂变反应.4.链式反应发生的条件.(1)铀块的体积大于或等于临界体积.体积超过临界体积能保证中子能够碰到铀核.(2)有足够数量的热中子.
【典例1】铀核裂变时,对于发生链式反应的重要因素,下列说法正确的是(　　)A.铀块的质量是重要因素,与体积无关B.为了使核裂变的链式反应容易发生,最好直接利用核裂变时产生的中子C.若铀235的体积超过它的临界体积,核裂变的链式反应就能够发生D.能否发生链式反应与铀的质量无关
解析:要使铀核裂变发生链式反应,铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量.核裂变反应中产生的中子,数目有多有少,中子的速度也有快有慢,实际上,中子的速度不能太快.由此知选项A、B、D错误,选项C正确.
探究二　反应堆与核电站
右图为核反应堆示意图.
1.核反应堆中各部件的作用是什么?
答案:(1)镉棒:吸收中子,控制反应速度.(2)慢化剂:通常采用石墨、重水和普通水,其作用是降低中子速度,便于铀235“捕捉”.(3)铀棒:发生链式反应,产生能量.(4)防护层:很厚的水泥外壳,屏蔽射线,防止放射性污染.
2.核电站发电有什么优点?
答案:消耗的核燃料少,所提供的能量大;对环境的污染要比火力发电小.
1.核电站的主要组成及作用.核电站的核心设施是核反应堆,反应堆用的核燃料是铀235,核反应堆的主要部件列表如下.
2.反应堆的工作原理.(1)热源:在核电站中,核反应堆是热源,下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、重水等为慢化剂,使反应生成的快中子变为热中子,便于铀235“捕捉”,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,通过水、液态钠等冷却剂,在反应堆内外循环流动,把热量传输出去,用于推动汽轮机带动发电机发电.(4)防护层:发生核裂变反应时,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.
【典例3】下图是核反应堆的示意图,对于该反应堆,下列说法正确的是(　　)
A.铀235容易吸收快中子后发生核裂变反应B.快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后能量减少,变成热中子,热中子容易被铀235俘获而引起核裂变反应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.要使核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:在核反应堆中,慢中子容易被铀235俘获发生核裂变反应,选项A错误.快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后能量减少,变成热中子,热中子容易被铀235俘获而引起核裂变反应,选项B正确.在核电站中,通过控制棒(镉棒)吸收中子多少来控制反应速度,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错误.要使核裂变反应更激烈一些,应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快一些,选项D错误.
核聚变是较轻的原子核聚合成较重的原子核的反应.要使核子的强相互作用发挥作用,必须使核子间的距离达到10-15 m以内;同时由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大,核子要有很大的动能才能“撞”到一起.1.什么办法能使大量原子核获得足够的动能而发生核聚变呢?
答案:轻核聚变需要的动能,表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度.把核聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温,剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能,可以克服库仑斥力,碰撞时十分接近,发生核聚变.
2.目前,人们实现的核聚变是什么?
答案:目前,人们能实现的核聚变是氢弹的爆炸,是由化学炸药引爆原子弹,再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸,但这是不可控制的.
3.实现核聚变必须要有较高的温度,故核聚变又称热核反应.实现热核反应存在的困难是什么?可能实现对热核反应的控制的方法是什么?
答案:实现热核反应存在的困难是地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温.可能实现对热核反应的控制方法:一是磁约束:利用磁场来约束参加反应的物质,环流器是目前性能最好的一种磁约束装置.二是惯性约束:利用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射参加反应的物质,使它们“挤”在一起发生反应,由于核聚变反应的时间非常短,被“挤”在一起的核聚变物质由于惯性还来不及扩散就完成了核反应.
1.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能释放更多的能量.(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继续下去.(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.核聚变的应用.(1)核武器——氢弹:一种不需要人工控制反应速度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爆炸.(2)可控热核反应:目前处于探索阶段.
3.重核裂变与轻核聚变的比较.
【典例5】(多选)下列关于核聚变的说法正确的是(　　)A.要使核聚变发生,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,因此核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.不存在天然的热核反应
解析:轻核聚变时,必须使轻核之间距离达到10-15 m以内,所以必须克服库仑斥力做功,选项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摄氏度下才有这样的能量,这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得,选项B、C正确.在太阳内部或其他恒星内部都时刻进行着热核反应,选项D错误.
解析:该核反应的质量亏损Δm=4×1.007 8 u-4.002 6 u=0.028 6 u,释放的能量ΔE=0.028 6×931 MeV=26.6 MeV,选项C正确.
探究四　 “基本”粒子
右图是目前世界上最大的粒子加速器,可使粒子获得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.
答案:正电子、μ子、K介子、π介子、超子等.
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”?
答案:一方面,科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子,它们并不能看作由质子、中子、电子组成的;另一方面,科学家们又发现质子、中子等本身也有自己复杂的结构.
【典例7】关于粒子,下列说法正确的是(　　)A.质子的反粒子的电荷量与质子的相同,但带的是负电荷B.强子都是带电的粒子C.目前发现的轻子只有8种D.光子属于轻子
解析:有的强子带电,有的强子不带电,选项B错误.目前发现的轻子只有6种,选项C错误.光子属规范玻色子,选项D错误.
1.关于重核的裂变,下列说法正确的是(　　)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的能量,产生明显的质量亏损,所以核子数减少D.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:核裂变释放的能量来源于核裂变过程的质量亏损,其能量远大于俘获中子时吸收的能量,选项A错误,选项D正确.发生链式反应是有条件的,铀块的体积必须大于或等于临界体积,否则中子从铀块中穿过时,若碰不到原子核,则不会发生链式反应,选项B错误.重核裂变时,核子数守恒,选项C错误.
2.推理是研究和学习物理的一种重要方法,正电子、反质子、反中子都是反粒子,它们跟通常所说的电子、质子、中子相比较,质量相等,电荷量相等,但电性相反(中子和反中子都不带电).科学家已经发现反氦原子(已知氦原子核中有两个质子和两个中子),你推测反氦原子的结构可能是 (　　)A.由两个带负电的质子和两个带正电的电子构成B.由两个带负电的质子、两个电子和两个中子构成C.由两个质子、两个电子和两个中子构成D.由两个带负电的质子、两个带正电的电子和两个不带电的中子构成
解析:组成反氦原子的粒子与组成氦原子的粒子应具有相同的质量,相等的电荷量,但电性相反,据此分析可知反氦原子可能由两个带负电的质子(反质子)、两个带正电的电子(正电子)和两个不带电的中子构成,选项D正确.
情境　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mD=2.014 1 u,氚原子的质量mT=3.016 2 u,氦原子的质量mHe=4.002 6 u,中子的质量mn=1.008 7 u,1 u=1.66×10-27 kg,光速c=3.0×108 m/s,结果保留两位有效数字.问题　(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P=3.0×105 kW的核聚变电站,假设核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.