2019-2020学年高中物理 第4章 第6节 核能利用 第7节 小粒子与大宇宙课件 粤教版选修3-

第四章原子核第六节核能利用第七节小粒子与大宇宙[学习目标]1.知道什么是核反应堆．(重点)2.知道核电站的工作模式，了解核能的利用．(重点)3.了解宇宙及恒星的演化．自主预习探新知一、反应堆核电站1．核反应堆(1)核反应堆是人工控制的装置．(2)减速剂反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“减速剂”，常用的减速剂有、和普通水．链式反应重水石墨一、反应堆核电站(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，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．中子循环流动裂变控制棒．中子深一、反应堆核电站2．核电站及核能利用(1)核能发电的效益一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要消耗煤30吨250万吨．一、反应堆核电站(2)核能的利用①核能发电②把反应堆化，可以使核能作为动力，制造核动力、核动力破冰船和核动力，在某些动力装置上也有利用的可能．③用来进行各种物理实验，制造各种同位素．小型放射性原子核航空母舰潜艇一、反应堆核电站(3)核污染的处理为了防止铀核裂变物放出的对人体的危害，在反应堆的外面需要修建很厚的防护层，用来屏蔽，不让它们透射出来，对放射性的废料，也要装入特制的容器，埋入来处理．各种射线深地层射线水泥二、小粒子与大宇宙1．人类目前能够观测到的最大距离约为光年之远．2．对宇宙的、和的理论描述，称为宇宙模型，目前普遍被大家接受的模型是宇宙模型．3．人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从m到m，共跨越了约个数量级．140亿42大爆炸物质演化运动形态时空结构102710－15二、小粒子与大宇宙4．从宇宙大爆炸到现在，以秒为单位，宇宙年龄的数量级约为s.5．目前所知的微观粒子中，寿命最短的只有s.6．物质世界的时间尺度：约从s到s，也跨越了将近43个数量级．1018101810－2510－251．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的．()(2)核裂变释放的大量核能是通过在反应堆外循环流动的液体传输出去的．()(3)核电废料难以处理，对环境的污染比火电大．()(4)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子．()(5)强子是参与强相互作用的粒子．()√√××√2．如图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()A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应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B[在核反应堆中，慢中子容易被铀235俘获发生裂变反应，A选项错误；快中子跟慢化剂中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，B选项正确；在核电站中，通过控制棒(一般用石墨棒或镉棒)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，C选项错误；要使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，D选项错误．]3．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u或反夸克d)组成的，它们所带电荷量如下表所示，表中e为基元电荷．下列说法正确的是()π＋π－udud电荷量＋e－e＋23e－13e－23e＋13eA.π＋由u和d组成B．π＋由u和d组成C．π－由u和d组成D．π－由u和d组成AD[根据电荷量的关系可知，由于π＋介子带有＋e的电荷量，又由于π＋介子是由夸克和反夸克组成，根据题意可知π＋介子(＋e)应由一个夸克u＋23e和反夸克d＋13e合成，同理π－介子由夸克d和反夸克u构成，故A、D正确．]合作探究攻重难核能的利用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：部件名称减速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，如图所示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)为减速剂，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，减速剂附在铀棒周围．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1】23592U受中子轰击时会发生裂变，产生14456Ba和8936Kr，同时放出200兆电子伏特的能量．现要建设发电能力是50万千瓦的核电站，用铀235作为原子锅炉的燃料．假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天需要纯铀235的质量为多少？(阿伏加德罗常数取6.02×1023mol－1)[解析]核电站一天的发电量为：E＝Pt＝50×104×103×24×3600J＝4.32×1013J.据题意知，核电站一天的发电量就等于发电站在一天内铀235裂变所释放的总能量，故核电站每天所消耗的铀235核的个数为：n＝E200×106×1.6×10－19＝4.32×10133.2×10－11＝1.35×1024(个)．故发电站一天需要的纯铀235的质量为：m＝nNA·M＝1.35×10246.02×1023×235×10－3kg＝0.527kg.[答案]0.527kg1．核电站释放的核能是n个核反应释放核能积累的结果E＝n·ΔE，ΔE＝Δmc2，n＝mMmol·NA.2．发电站用于发电的能量只占所释放核能的一部分，则E电＝ηE.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．铀棒的作用是控制反应堆的功率D．石墨的作用是吸收中子[解析]AB[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C错误；慢中子最容易引发铀核裂变，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D错误．]粒子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.粒子的分类分类参与的相互作用发现的粒子备注强子参与强相互作用质子、中子、介子、超子强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未发现内部结构媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用3.夸克的分类夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷是电子或质子所带电荷的23或13.每种夸克都有对应的反夸克．4．两点提醒(1)质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子，τ子的质量比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子．(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子．【例2】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11H的核反应，间接地证实了中微子的存在．(1)中微子与水中的11H发生核反应，产生中子(10n)和正电子(0＋1e)，即中微子＋11H―→10n＋0＋1e.可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是______．(填写选项前的字母)A．0和0B．0和1C．1和0D．1和1(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0＋1e＋0－1e―→2γ.已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31kg，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________．(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小．[解析](1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0，A正确．(2)产生的能量是由于质量亏损．两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E＝Δmc2，故一个光子的能量为E2，代入数据得E2＝8.2×10－14J．正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒定律．(3)物质波的波长为λ＝hp，要比较波长需要将中子和电子的动量用动能表示出来即p＝2mEk，因为mnme，所以pnpe，故λnλe.[答案]见解析2．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．强子中没有带电的粒子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D[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＋23e和－e3，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误，D正确．]课堂小结1.核反应堆是人工控制链式反应的装置，其中镉棒为控制棒.2.宇宙起源于大约150亿年前的一次大爆炸，其后逐渐演化成现在的宇宙世界.3.粒子可分为三大类，有媒介子、轻子、强子，美国物理学家盖尔曼提出，强子是由夸克构成.知识脉络当堂达标固双基1．恒星的颜色取决于恒星的()A．体积B．温度C．质量D．体积和温度以及它与地球的距离B[恒星的表面颜色取决于它的表面温度，温度越低，颜色越偏红，温度越高，颜色越偏蓝．恒星表面颜色主要有四种，分别是红、黄、白、蓝．太阳的表面颜色是黄色，属于温度中等偏低的恒星．以下是四种颜色对应的温度．红色：3000摄氏度；黄色：6000摄氏度；白色：10000摄氏度；蓝色：20000摄氏度．因此恒星的颜色取决于恒星的温度，B正确，A、C、D错误．]2．根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是()A．夸克、轻子、胶子等粒子B．质子和中子等强子C．光子、中微子和电子等轻子D．氢核、氘核、氦核等轻核A[宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子结合成氘核，并形成氦核的核合成时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，故A正确；B、C、D的产生都在A之后，故B、C、D错误．]3．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＋23e，d夸克带电荷量为－13e，