第五章第45节核裂变与核聚变“基本”粒子（原卷版）

选择性必修三学案第五章原子核第4节核裂变与核聚变第5节“基本”粒子一、新课标要求1.了解重核的裂变反应和链式反应发生的条件。了解裂变反应堆的工作原理及核电站和核能利用的优缺点。2.了解核聚变发生的条件。3.会书写核裂变、核聚变方程，能计算核反应释放的能量。4.知道电子、中子、质子并不是组成物质的最基本的粒子。知道粒子的分类及其作用，了解夸克模型。二、科学素养要求1.物理观念：知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念，了解原子弹、核反应堆、热核反应条件、新粒子的内容。2.科学思维：掌握链式反应及核聚变释放能量的计算，理解核电站的工作原理，掌握轻核聚变的条件，提高分析、解决问题的能力。3.科学探究：通过对链式反应的探究，理解原子弹、核反应堆的原理，体会热核反应的条件及科学发现新粒子的进步。4.科学态度与责任：关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响，激发探索未来科学的热情。三、教材研习要点一、链式反应由重核裂变产生的中子①使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量②。要点二、核聚变两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变③。要点三、反粒子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，这些粒子叫作反粒子④。【自主思考】①为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子去轰击铀核，这种说法对吗？③要使轻核发生聚变反应，必须使核子间的距离达到10-15m以内，核力才能起作用；同时由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大，因而需要核子有很大的动能才能“撞④随着量子物理学的兴起，越来越多的研究深入到微观世界，让人类有了一个全新的研究方向，比如说“反氢原子”就是其中之一，它也遵循着量子效应，同时也是反物质的一种重要组成形式。请推测反氢原子的结构？四、名师点睛1.核裂变的理解（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​92（3）链式反应的条件：铀块的体积大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量；有足够数量的慢中子。2.核聚变的理解（1）核聚变：两个轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为核聚变，又称为热核反应。（2）典型核聚变方程：​1（3）核聚变发生的条件：使轻核具有足够的动能。五、互动探究探究点一、核裂变及链式反应情境探究1.观察铀核裂变示意图（1）铀核裂变是如何发生的？（2）只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？（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？大的核能。探究归纳1.重核裂变的理解（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。（3）铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应。2.常见的裂变方程（1）​（2）​【探究应用】【典例】铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是()A.铀块的质量是重要因素，与体积无关B.为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子C.若铀235的体积超过它的临界体积，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【迁移应用】1.一个​92235U原子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A.X原子核中含有86个中子B.X原子核中含有141个核子C.因为裂变时释放能量，根据E=mcD.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错误。探究点二、核电站与核反应堆情境探究1.如图所示为核反应堆示意图：（1）铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？如何控制裂变反应的激烈程度？（2）核电站发电有什么优点？探究归纳1.核电站的主要组成及其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，它的主要部件如表：部件名称慢化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）为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235吸收，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。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，把热量传输出去，用于发电。（4）保护层：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。探究应用【典例】如图为普通使用的“慢中子”核反应堆的示意图，铀棒是核燃料，一种典型的铀核裂变方程​92235U+A.钡核的比结合能比铀核的大B.若碰撞前中子的动能为E0，经过一次弹性碰撞后中子动能变成C.镉棒插入深一些可增大链式反应的速度D.水泥防护层可用来屏蔽裂变产物放出的射线【迁移应用】1.据悉我国第四代反应堆—钍基熔盐堆能源系统(TMSR)研究已获重要突破。该反应堆以钍为核燃料，钍俘获一个中子后经过若干次βA.为减小核反应速度，还要插一些镉棒，用来吸收掉一部分中子B.铀核裂变的核反应方程为​C.放射性元素衰变的快慢与原子所处的化学状态和外部条件无关，与核外电子的分布状态有关D.重核分裂成中等大小的核，核子的比结合能减小探究点三、核聚变情境探究1.阅读教材“核聚变”内容，回答以下问题。（1）目前人们实现的核聚变是什么？（2）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：提示（1）目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸，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。（2）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：利用磁场来约束参与反应的物质，环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。二是惯性约束：利用强激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应。探究归纳1.核聚变的特点（1）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。（2）在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放出更多的能量。（3）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进行下去。（4）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要多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简单得多原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在天然铀中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富，1 L水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量与燃烧可控性比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它探究应用【典例】2020年12月4日，新一代“人造太阳”核聚变实验装置——中国环流器二号（如图所示）在四川成都建成并实现首次放电。这标志着我国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术，为我国核聚变堆的自主设计与建造打下坚实基础。它是一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器装置，容器外面缠绕着两组线圈（如图所示）。通电时，托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场，将1.5亿摄氏度高温的等离子体约束在环形真空室内，以达到核聚变的目的。下列说法正确的是()A.核能不属于清洁能源B.托卡马克内部核反应可能是​C.线圈1产生水平方向的环形磁场D.螺旋形磁场可以约束运动方向不同的带电粒子【迁移应用】1.（多选）下列关于聚变的说法中正确的是()A.要使聚变产生，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.自然界中不存在天然的热核反应探究点四、“基本”粒子知识深化1.新粒子的发现及特点发现时间1932年1937年1947年20世纪60年代后新粒子正电子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的质量大很多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、中子强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又分为介子和重子两类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规范玻色子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用希格斯玻色子希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。2012年，