【新步步高】20152016学年高中物理19.6、7、8核裂变核聚变粒子和宇宙学案新人教版选修35

1、16 6核裂变核裂变7 7核聚变核聚变8 8粒子和宇宙粒子和宇宙目标定位1.知道重核的裂变产物和链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义及发生条件.3.会判断和书写核裂变、核聚变方程，能计算核反应释放的能量一、核裂变1核裂变：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程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23592U10n 14456Ba8936Kr310n3链式反应：当一个中子引起一个铀核裂变后，裂变释放的中子再引起其他铀核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应4链式反应的条件：(1)发生裂变物质的体积大于等于临

2、界体积；(2)有足够浓度的铀 235；(3)有足够数量的慢中子二、核电站1核电站：是利用核能发电，它的核心设施是核反应堆它主要由以下几部分组成：(1)燃料：铀棒(2)减速剂：铀 235 容易捕获慢中子发生反应，可采用石墨、重水、普通水作减速剂(3)控制棒：为控制能量释放的速度，需控制中子的数目，采用镉棒作为控制棒来控制链式反应的速度2工作原理：核燃料裂变释放的能量，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循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电24核污染的处理：在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制

3、的容器，深埋地下或海底三、核聚变1定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的核反应2举例：21H31H 42He10n17.6 MeV3条件：(1)轻核的距离要达到 1015_m 以内(2)需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应4氢弹原理：首先由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸5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四、粒子和宇宙1 “基本粒子”不基本直到 19 世纪末，人们称光子、电子、质子和中子是基本粒子2发现新粒子1932 年发现了正电子，1937 年发现了子，1947 年发现了 K 介子和介子及以后的超子等3夸克模型上夸克、下夸

4、克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷量分别为元电荷的23或13，每种夸克都有对应的反夸克一、核裂变和链式反应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 23 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，形成链式反应3能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量一般来说，平均每个核子3放出的能量约为 1 MeV，1 kg 铀 235 全部裂变放出的能量相当于 2 800 t

5、优质煤燃烧时释放的能量，裂变时能产生几万度的高温4用中子轰击铀核时，铀核裂变的产物是多种多样的，其中两种典型的反应是：23592U10n 14456Ba8936Kr310n；23592U10n 13654Xe9038Sr1010n例 1关于重核的裂变，下列说法正确的是()A核裂变时释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B重核裂变时释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少C铀核自发放出粒子、粒子时要释放能量，核电站利用的就是这一能量D重核的比结合能小于中等质量核的比结合能，所以重核裂变成中等质量核时，要放出核能，有质量亏损答案D解析核电站利用的是裂变链式反应所放出的核能原子核的衰变以及

6、人工核反应也要释放核能，但天然衰变进行得非常缓慢，放出的能量也很小，人工无法控制，实用价值不大，原子核的人工转变也放出能量，但作为“炮弹”的粒子击中原子核的机会太少，这种做法得不偿失所以核能的获取主要是通过裂变或聚变的途径比结合能是核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量，或原子核拆解成核子时每个核子平均吸收的能量重核的比结合能小于中等质量核的比结合能，即将重核分成核子时比中等质量核分成核子时每个核子平均吸收的能量小些，可见由重核裂变成两个中等质量的核要放出能量，选项 D 正确；铀核裂变放出的能量是原子核的核能，而不是中子具有的动能，选项 A 错误；裂变过程遵守质量数、电荷数守恒规律，B 错误

7、；衰变是自发的现象，铀核衰变后的新核仍是重核，而核电站利用的是裂变核能，选项 C 错误借题发挥重核裂变的实质(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核， 使之分裂成中等质量的原子核， 同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相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 个中子各个核和中子的质量如下：mU390.31

8、3 91027kg，mn1.674 91027kg；4mBa234.001 61027kg，mKr152.604 71027kg.试写出核反应方程，求出反应中释放的核能答案10n23592U 14156Ba9236Kr310n3.220 21011J解析根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒，就可以写出核反应方程根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能铀核裂变方程为10n23592U 14156Ba9236Kr310n，则核反应前后的质量亏损为mmUmnmBamKr3mn0.357 81027kg.由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为Emc20.357 810

9、27(3108)2J3.220 21011J.二、核聚变及核能的计算1聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离 1015m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求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：21H31H 42He10n.4重核裂变与轻核聚变的区别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

10、大 34 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例 3以下说法正确的是()A聚变是裂变的逆反应B如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量C聚变须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量5D裂变与聚变均可释放巨大的能量答案D解析A 选项从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应；B 选项既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量流向上也不必相反；C 选项要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量但聚变反应一旦实现，所

11、释放的能量远大于所吸收的能量因此，总的来说，聚变反应还是释放能量例 4下列说法不正确的是()A.21H31H 42He10n 是聚变B.23592U10n 14054Xe9438Sr210n 是裂变C.22688Ra 22286Rn42He 是衰变D.2411Na 2412Mg01e 是裂变答案D解析A 选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核，是聚变反应，故 A 选项正确；B 选项的核反应中是铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子，是裂变反应，故 B 选项正确；在 C 选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了粒子，是衰变，C 选项是正确的；而 D 应是衰变，不正

12、确；故答案为 D.借题发挥主要核反应类型有：(1)衰变：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出或粒子(2)人工转变：人工转变常用粒子(也可用中子等)轰击原子核，该核捕获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(或更多)中等质量的核，并放出几个中子(4)核聚变：轻核聚变时也会放出中子例 5一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH1.007 3 u，中子质量mn1.008 7u，氚核质量mT3.018 0 u求：(1)写出聚变方程；(2)释放出的核能多大？(3)平均每个核子释放的能量是多大？答案(1)11H210n31H(2)6.24 MeV(

13、3)2.08 MeV6解析(1)聚变方程11H210n 31H.(2)质量亏损mmH2mnmT(1.007 321.008 73.018 0) u0.006 7 u，释放的核能Emc20.006 7931.5 MeV6.24 MeV.(3)平均每个核子放出的能量为6.243MeV2.08 MeV.三、新粒子的发现和夸克模型1新粒子的发现(1)1932 年发现正电子，1937 年发现子，1947 年发现 K 介子和介子；以后又发现了质量比质子大的粒子叫做超子(2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的不同关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子2夸克模型强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克

14、，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，它们带的电荷分别为元电荷的23或13，每种夸克都有对应的反夸克例 6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23e，d 夸克的带电荷量为13e，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

15、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11H 带电荷量为 223e13ee，中子10n 带电荷量为23e213e0.可见 B 正确对核裂变的理解1(2013广东，17)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应23592U10n 14456Ba8936Kr7310n，下列说法正确的有()A上述裂变反应中伴随着中子放出B铀块体积对链式反应的发生无影响C铀核的链式反应可人工控制D铀核的半衰期会受到环境温度的影响答案AC解析从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，A 对；铀块体积对链式反应的发生有影响，

16、B 错；铀核的链式反应可人工控制，C 对；铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，D 错对核聚变的理解2科学家发现在月球上含有丰富的32He(氦 3)，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为32He32He 211H42He，关于32He 聚变下列表述正确的是()A聚变反应不会释放能量B聚变反应产生了新的原子核C聚变反应没有质量亏损D目前核电站都采用32He 聚变反应发电答案B解析核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，这是人类利用核能的途径之一目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电3太阳不断地向外辐射能量，仍保持 1 千万

17、度以上的高温，其主要原因是太阳内部进行着剧烈的()A衰变反应B人工核反应C裂变反应D热核反应答案D核聚变释放的核能的计算4氘核(21H)和氚核(31H)结合成氦核(42He)的核反应方程如下：21H31H 42He10n17.6 MeV(1)这个核反应称为_(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文式中 17.6 MeV 是核反应中_(填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量_(填“增加”或“减少”)了_kg(保留一位有效数字)答案(1)聚变(2)放出减少310298解析在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由Emc2，可以求得mEc

18、231029kg.(时间：60 分钟)题组一对核裂变的理解1一个23592U 核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为23592U10n X9438Sr210n，则下列叙述正确的是()AX 原子核中含有 86 个中子BX 原子核中含有 141 个核子C因为裂变时释放能量，根据Emc2，所以裂变后的总质量数增加D因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少答案A解析X 原子核中的核子数为(2351)(942)140，B 错误；中子数为 140(9238)86，故A 正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，故 C、D 错误2关于核反应堆，下列说法正确的

19、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3为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发9展风电和再生能源

20、的政策， 在 核电中长期发展规划 中要求 2020 年核电运行装机总容量达到 4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是()A核能发电对环境的污染比火力发电要小B核能发电对环境的污染比火力发电要大C目前所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D目前既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能答案AC解析目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A、C 正确，B、D 错4秦山核电站第三期工程的两个 6105kW 发电机组已实现并网发电. 发电站的核能来源于23592U的裂变，下列说法正确的是()A反应堆中核反应速度通常是采用调节235

21、92U 的体积来控制的B.23592U 的一种可能的裂变是23592U10n13954Xe9538Sr210nC.23592U 是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短D一个23592U 裂变能放出 200 MeV 的能量，合 3.21011J答案BD解析反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制， A 错；23592U 裂变有多种可能性，这是其中常见的一种，B 对；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温度压强等外界条件无关，C 错；通过计算知，D 正确题组二对核聚变的理解5关于核聚变，以下说法不正确的是()A与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁B世界上已经有利用核聚变

22、能来发电的核电站C要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到 1015m 以内，核力才能起作用D地球聚变燃料的储量十分丰富，从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘核答案B解析与裂变相比，核聚变有下面的几个优势：(1)安全、清洁、辐射少；(2)核燃料储量多；(3)核废料易处理但核聚变发电还没有投入实际运行所以 B 项是不正确的6重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是()A裂变过程质量增加，聚变过程质量亏损10B裂变过程质量亏损，聚变过程质量增加C裂变过程和聚变过程都有质量增加D裂变过程和聚变过程都有质量亏损答案D解析重核裂变和轻核聚变都能释放巨大的能量，由爱因斯坦质能方程知两过

23、程均会有质量亏损7下列说法正确的是()A.157N11H 126C42He 是衰变方程B.11H21H 32He是核聚变反应方程C.23892U 23490Th42He 是核裂变反应方程D.42He2713Al 3015P10n 是原子核的人工转变方程答案BD解析本题考查了核反应的相关知识，意在考查考生对天然放射现象、重核裂变、轻核聚变、原子核的人工转变等相关知识的记忆及分析判断能力，选项 A、D 为原子核的人工转变，选项 B 为轻核聚变，选项 C 为原子核的衰变，故选项 B、D 正确8某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为11H126C 137NQ1，11H157N

24、 126CXQ2方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：原子核11H32He42He126C137N157N质量/u1.007 83.016 04.002 612.000 013.005 715.000 1以下推断正确的是()AX 是32He，Q2Q1BX 是42He，Q2Q1CX 是32He，Q2Q1DX 是42He，Q2Q1答案B解析根据核反应中质量数与电荷数守恒容易求得新核 X 的质量数为 4、电荷数为 2，即 X 是42He；根据表中提供的数据，可以求得第 2 个核反应的质量亏损大，根据爱因斯坦质能方程必然有Q1Q2.9据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超

25、导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试下列关于“人造太阳”的说法正确的是()A “人造太阳”的核反应方程是21H31H42He10nB “人造太阳”的核反应方程是23592U10n14156Ba9236Kr310n11C根据公式Emc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D根据公式Emc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同答案AC解析21H31H42He10n 是氢核聚变方程，故 A 项正确；根据氢核聚变特点，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故 C 项正确题组三综合应用10在所有能源中核能具有能量密度大、区

26、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23592U10n 14156Ba9236KraX 是反应堆中发生的许多核反应中的一种，10n 为中子，X为待求粒子，a为 X 的个数，则 X 为_，a_以mU、mBa、mKr分别表示23592U、14156Ba、9236Kr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E_(2)有一座发电能力为P1.00106kW 的核电站，核能转化为电能的效率40 %.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的

27、核反应，已知每次核反应过程中放出的核能E2.781011J，铀核的质量mU3901027kg，求每年(1 年3.15107s)消耗的23592U 的质量答案(1)10n3(mUmBamKr2mn)c2(2)1 104 kg解析(1)由反应方程可知：X 为10n，a为 3，释放的能量为E(mUmBamKr2mn)c2.(2)因核电站发电效率为 40 %，故核电站消耗23592U 的功率为PP40 %1.0010640 %kW2.5106kW.核电站每年消耗23592U 的能量为WPt2.51093.15107J7.8751016J产生这些能量消耗的铀核的数目：nWE7.87510162.7810112.831027(个)每年消