2019-2020学年高中物理 第三章 原子核 第5节 第6节 第7节 粒子物理学简介（选学）课件

第5节核裂变第6节核聚变第7节粒子物理学简介(选学)学习目标素养提炼1.知道什么是核裂变．2.知道链式反应及链式反应的条件，并能计算裂变释放的核能．3.了解裂变反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度以及如何防止核污染．4.知道什么是聚变反应，会计算核聚变中释放的核能．5.了解可控热核反应及其研究和发展.2个概念——核裂变、核聚变2个反应——链式反应、热核反应1个条件——链式反应的条件01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、核裂变1．核裂变重核被轰击后分裂成两个(或几个)中等质量原子核，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23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋.中子核能310n3．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裂变，且能不断继续下去，这种反应称为链式反应．4．链式反应的条件铀块的体积大于等于．其他重核临界体积二、核电站1．核反应堆：利用核能发电的核心设施是它主要由以下几部分组成：(1)燃料：．(2)减速剂：铀235容易捕获发生反应，可采用、、作减速剂．(3)控制棒：为控制能量释放的速度，需控制中子的数目，需在铀棒之间插入来控制链式反应的速度．制造控制棒的材料是或等能强烈吸收中子的物体．2．工作原理：核燃料释放的能量，使反应区温度升高．核反应堆铀棒慢中子石墨重水普通水控制棒镉硼裂变3．能量输出：利用水或等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆工作时放出的热量传输出去，用于发电．4．核电站的安全：为保证核电站的安全，新建的核电站设有核燃料芯块的密封包壳、回路系统的密封设施以及核电站的安全外壳．液态的金属钠[判断辨析](1)铀核的裂变是一种天然放射现象．()(2)铀块的体积大于或等于临界体积时链式反应才能不停地进行下去．()(3)铀核裂变的产物是钡和氪，且固定不变．()(4)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度的．()×√×√三、核聚变1．聚变把轻原子核聚合成较重原子核的反应．轻核聚变需要在高温下进行，因此聚变反应又称为热核反应．2．聚变方程举例21H＋31H→＋10n.在这个过程要释放17.60MeV的能量．42He3．聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用范围之内，这要克服电荷间巨大的库仑斥力作用，就要使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，温度必须达到108K.4．特点：(1)在消耗相同质量的核燃料时，核聚变比核裂变释放的能量．(2)核聚变反应废料产生．(3)核聚变反应所用的在地球上的储量丰富．更多没有氘[判断辨析](1)核聚变时吸收能量．()(2)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．()(3)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．()(4)太阳目前正处于氢通过热核反应成为氦，以电磁波的形式向外辐射核能的阶段．()×√√√四、可控热核反应与恒星演化中的核反应1．聚变反应堆：情况下释放能量的装置．2．太阳等恒星内部进行的核反应是反应．五、粒子1．“基本粒子”：直到19世纪末，人们认为光子、、质子、中子是“基本粒子”，随着科学的发展，一方面逐渐发现了数以百计的新粒子，它们都不是由中子、质子、电子组成的；另一方面科学家又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构．因此，20世纪后半期，就将“基本”二字去掉，统称粒子．受控聚变轻核聚变电子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：、和3．夸克模型夸克模型的提出：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．至今发现的夸克有6种．媒介子轻子强子夸克六、3种典型的粒子加速器1．直线加速器(1)粒子的运动轨迹是．(2)满足的条件：要保持粒子与高频电场之间的关系．(3)优点：粒子束的．2．回旋加速器(1)粒子运动轨迹：在磁场中做运动．(2)满足条件：高频电源的频率粒子回旋的频率．(3)优点：粒子被加速到的能量可达.一条直线谐振强度高匀速圆周等于40MeV3．对撞机能够实现两束相对运动的粒子的设备叫作对撞机．工作原理：粒子先在中加速，然后射入对撞机，两束粒子流反方向在轨道交叉处相互，获得较大能量．对撞同步加速器回旋碰撞要点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①23592U＋10n→13954Xe＋9538Sr＋210n②23592U＋10n→14156Ba＋9236Kr＋310n2．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．3．铀的同位素中铀235最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1MeV的中子才能发生裂变，且裂变的概率小．能量低于1MeV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.[典例1](多选)关于重核的裂变，以下说法不正确的是()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，所以核子数要减少D．重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能[思路点拨]解答此题时应关注以下三点：(1)原子核裂变时核能的来源．(2)链式反应能够发生的条件．(3)裂变反应遵循的规律．[解析]根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量是远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生．在裂变反应中质量数、电荷数均守恒，即核子数守恒，所以核子数是不会减少的，因此选项A、B、C错误．重核裂变为中等质量的原子核时，发生质量亏损，从而释放出核能，D正确．[答案]ABC[总结提升]重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后有质量亏损，根本原因是重核的比结合能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．(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，最好用纯铀235D．铀块的体积对产生链式反应无影响解析：铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变发生质量亏损，但质量数、电荷数均守恒，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性，裂变成两块的情况居多，但也有分裂成多块的情况，铀核裂变时释放2～3个中子，铀235受慢中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的概率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积．故上述选项B、C正确．答案：BC要点二重核裂变释放的核能的计算1．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200MeV估算，1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t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．2．计算释放的核能：质量单位为“u”时，可直接用“1u的质量亏损放出能量931.5MeV”计算总能量；当质量单位为“kg”时，直接乘以(3.0×108)2，总能量单位为焦耳．[典例2]用中子轰击铀核(23592U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(14156Ba)和氪(9236Kr)两部分，放出3个中子．它们的质量如下：mU＝390.3139×10－27kg，mn＝1.6749×10－27kg；mBa＝234.0016×10－27kg，mKr＝152.6047×10－27kg.试写出核反应方程，求出反应中释放的核能．[解析]铀核裂变方程为10n＋23592U→14156Ba＋9236Kr＋310n，则核反应前后的质量亏损为Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝3.578×10－28kg，由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为ΔE＝Δmc2＝3.578×10－28×(3×108)2J＝3.2202×10－11J.[答案]10n＋23592U→14156Ba＋9236Kr＋310n3.2202×10－11J要点三对核聚变的理解1．聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核间的距离达到10－15m以内，这要克服电荷间强大的斥力作用，要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．聚变方程21H＋31H→42He＋10n.4．重核裂变与轻核聚变的区别反应方式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[典例3]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．近几年来，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2.0141u，氚原子的质量为3.0160u，氦原子的质量为4.0026u，中子的质量为1.0087u,1u＝1.66×10－27kg.(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3.0×105kW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3.2×107s计算，光速c＝3.0×108m/s，结果取两位有效数字)[解析](1)根据核反应方程遵循电荷数和质量数守恒可得21H＋31H→42He＋10n.(2)核反应过程中出现的质量亏损Δm＝m21H＋m31H－(m42He＋m10n)＝(2.0141＋3.0160－4.0026－1.0087)×1.66×10－27kg≈3.12×10－29kg，由质能方程得，释放出的能量为ΔE＝Δmc2＝3.12×10－29×(3×108)2J≈2.8×10－12J.(3)每年消耗的氘的质量为M＝2PtΔE·m21H＝2×3×105×103×3.2×1072.8×10－12×2.0141×1.66×10－27kg≈23kg.[答案](1)21H＋31H→42He＋10n(2)2.8×10－12J(3)23kg[总结提升]主要的核反应类型(1)衰变：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出α或β粒子．(2)人工转变：人工转变常用α粒子(也可用质子、中子等)轰击原子核，该核捕获α粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子．(3)核裂变：核裂变时铀核捕获中子裂变为两个(或多个)中等质量的核，并放出几个中子．(4)核聚变：轻核聚合成较重原子核的反应．要点四聚变反应中释放核能的计算[典例4]太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源．(1)写出这个核反应方程．(2)这一核反应能释放多少能量？(3)已知太阳每秒释放的