2019-2020学年高中物理 第4章 原子核 第6节 核能利用 第7节 小粒子与大宇宙课件 粤教版

第六节核能利用第七节小粒子与大宇宙1．(2020届长沙名校月考)2018年7月17日，“中国核潜艇之父”黄旭华被评为全国道德模范．铀核裂变的一种核反应方程为23592U＋10n→14360Nd＋9040Zr＋3X＋80－1e，该反应式中的X是()A．质子B．正电子C．中子D．α粒子【答案】C【解析】根据质量数和电荷数守恒得X的质量数为A＝235＋1－143－903＝1，电荷数为Z＝92－60－40＋83＝0，故X为中子．故C正确，A、B、D错误．2.大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电，氘核聚变反应方程是21H+21H→32He+10n，已知21H的质量为2.0136u，32He的质量为3.0150u，10n的质量为1.0087u，1u=931MeV/c2．氘核聚变反应中释放的核能约为()A．3.7MeVB．3.3MeVC．2.7MeVD．0.93MeV【答案】B【解析】因氘核聚变的核反应方程为21H+21H→32He+10n，核反应过程中的质量亏损为Δm=2mD-(mHe+mn)=0.0035u，释放的核能为ΔE=Δmc2=0.0035uc2=3.3MeV．故B正确，A、C、D错误．3．下列核反应属于裂变反应的是()A．23892U→23490Th＋42HeB．146C→147N＋0－1eC．23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310nD．94Be＋42He→126C＋10n【答案】C【解析】核反应中有4种不同类型的核反应，它们分别是衰变、人工转变、重核裂变、轻核聚变，其中衰变有α衰变、β衰变等，选项A为α衰变，选项B为β衰变，选项C为铀核裂变，选项D为人工转变，故C正确．4．(多选)关于铀核裂变，下列说法中正确的是()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【答案】BC【解析】铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，并放出几个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，且可以俘获各种能量的中子而引起裂变，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，须使铀块体积超过临界体积．故上述选项B、C正确．一、反应堆1．核反应堆是人们控制链式反应的装置．它主要由以下几部分组成：(1)燃料：________；(2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用______、________和________作减速剂；(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉______________的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．铀棒石墨重水普通水吸收中子强2．工作原理：核燃料________释放的能量，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____________，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．4．核污染的处理：为防止__________对人体的伤害和____________对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的________，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的________，需要装入特制的容器，____________.裂变循环流动射线放射性物质水泥层放射性深埋地下二、核电站、核能利用1．核电站：利用反应堆工作时释放的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站．2．核能利用：(1)_____________，(2)_____________，(3)原子核物理实验制造各种放射性同位素．3．核能发电的优点、缺点优点：①污染小；②可采储量大；③比较经济．缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染；②核废料处理困难．核力发电核动力三、小粒子与大宇宙1．空间跨度(1)大爆炸宇宙模型：大约150亿年前突然发生一次________，其后逐渐诞生出星球，星系，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：约为________到________，共跨越了约42个数量级．大爆炸10－15m1027m2．时间跨度(1)宇宙的年龄的数量级：________.(2)微观粒子的最短寿命：________.(3)物质世界的时间尺度：约从10－25s到1018s，跨越了将近________个数量级．1018s10－25s43如何使反应生成的快中子变为慢中子？【答案】裂变产生的中子是速度很大的快中子，快中子通过减速剂时跟慢化剂中的原子核碰撞，中子能量减小，变为慢中子，常用的慢化剂有石墨、重水和普通水(也叫轻水)．1．原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来．核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应．现在世界上已有不少国家建有核电站，我国已建成使用和正在建设的核电站必将为现代化的建设提供能源保障．核反应堆2．核反应堆——核电站的心脏裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理如下表：组成部分材料作用裂变材料(核燃料)浓缩铀(23592U)提供核燃料慢化剂(减速剂)石墨、重水和普通水使裂变产生的快中子减速控制棒镉吸收减速后的中子，控制反应速度反射层石墨阻止中子逃逸热交换器水产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电防护层金属套和钢筋混凝土防止射线对人体及其他生物体的侵害例1在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、重水和石墨等常用作减速剂．中子在重水中可与21H核碰撞减速，在石墨中与126C核碰撞减速．上述碰撞可简化为弹性碰撞模型．某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？解析：设中子质量为mn，靶核质量为m，由动量守恒定律：mnv0＝mnv1＋mv2，由能量守恒：12mnv20＝12mnv21＋12mv22，解得v1＝mn－mmn＋mv0.在重水中靶核质量mH＝2mn，v1H＝mn－mHmn＋mHv0＝－13v0，在石墨中靶核质量mC＝12mn，v1C＝mn－mCmn＋mCv0＝－1113v0.与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好．【题后反思】(1)中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒、能量守恒．(2)因为靶核的质量大于中子的质量，故只有靶核的质量比中子的质量大得越少，减速效果越好，如质量相等时可以使中子的速度为零．1．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，以改变中子数D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度【答案】C【解析】控制核反应的速度是靠调节中子数目来实现，即用镉棒吸收中子改变中子数目．原子弹和核电站都是重核裂变，一方面核武器严重地威胁着人类的安全；另一方面，人们积极地把核能应用到为人类造福的研究中．怎样能够引起重核裂变呢？又怎样进行控制呢？原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来．核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应．原子弹和核电站的工作原理铀235裂变需要一定的条件：(1)要有足够浓度的铀235；(2)要有足够数量的慢中子；(3)铀块的体积要大于临界体积．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，因而核力迅速减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，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，这就叫链式反应．原子弹中裂变一旦开始，裂变放出的快中子，又引起其他铀核裂变速度很快，在极短的时间内释放大量的能量，因此杀伤力强大．在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆的示意图：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(或重水)为减速剂，使反应生成的快速中子变为慢中子，便于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围．镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深些，吸收中子多，反应速度变慢，插浅一些，吸收中子少，反应速度变快．反应速度加快．采用电子仪器自动地调节控制棒的升降，就能使反应堆安全正常地工作．例2在其他能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势．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23592U＋10n→14156Ba＋9236Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为________，a＝________.mU、mBa、mKr分别表示23592U、14156Ba、9236Kr的核的质量，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＝1.00×106kW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＝2.78×10－11J，23592U核的质量mU＝390×10－27kg.求每年(1年＝3.15×107s)消耗的23592U的质量．解析：(1)依据核电荷数守恒和质量数守恒定律可判断X为中子(10n)，且a＝3，据爱因斯坦的质能方程ΔE＝Δmc2，即ΔE＝[mU－(mBa＋mKr＋2mn)]·c2.(2)因核电站的核能转化效率为40%，故电站消耗23592U的功率P′为P′＝P40%＝10640%kW＝2.5×106kW.则电站每年消耗23592U所释放的能量为E＝P′t＝2.5×106×103×3.15×107J＝7.875×1016J.故每年消耗23592U的质量为m＝EΔE·mU＝7.875×10162.78×10－11×390×10－27kg＝1105kg.答案：(1)中子3[mU－(mBa＋mKr＋2mn)]c2(2)1105kg【题后反思】(1)此裂变方程式满足质量数、电荷数守恒．(2)核电站向外输送的能量是一个个核反应释放核能累加的结果，故n＝EΔE，m＝nmu得m＝EΔE·mu.2．1964年10月16日，我国在新疆罗布泊沙漠成功地进行了第一颗原子弹试验，结束了中国无核时代．(1)原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量，由于裂变物质的体积超过临界体积而爆炸．①完成核裂变反应方程式：23592U＋10n→()Xe＋9438Sr＋210n＋200MeV②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么？产生这种反应的条件必须是什么？(2)为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染环境，需采用哪些措施？(举两种)【答案】(1)①14054②链式反应中子再生率大于1(2)核反应堆外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线；放射性核废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理．宏观世界和微观世界之间存在着巨大的差异，从空间范围来讲，宏观世界已扩展到现代天文学观测所能探及的约1027m之外的宇宙深处；微观世界则已深入到约10－19m之外的夸克和轻子，从时间范围来讲，宏观世界的“寿命”至少不少于150亿年；微观世界中的粒子寿命有的长10亿年，而有的却短到仅10－23s．这两个在空间上和时间上有“天壤之别”的世界之间，却存在着千丝万缕的联系．小粒子和大宇宙要真正理解我们的宇宙，就必须从研究极微小的粒子开始，看看那里都发生了些什么情况，然后再来遥望整个宇宙，因为宏观世界的许多基本问题往往可在对微观世界的研究中得到解决．其实，任何关于其中一个世界的新知识，都可以促进人们对另