20172018学年高中物理原子核第六七节核能利用小粒子与大宇宙教学案粤教版选修

第六、七节核能利用小粒子与大宇宙梯度目标「L 】•通过核能的利川思考核能的发展丽杲及核能开发带来的社-■■应用=＞会问題2・体会底观世界利微观世畀的辩证统一jBIB二＞製仝反应堆的I一作原理认识 二＞丨・核反应堆和樓电站及点持点2.宇宙和恒星的演化及粒子物理学知识•核反应堆是人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来。2•反应堆里用的铀棒是天然铀或浓缩铀；石墨、重水的作用是使快中子变成慢中子, 充当减速剂；镉棒的作用是吸收减速后的中子，控制反应速度，充当控制棒。 3•为了防止铀核裂变物放出的射线对人体的危害，在反应堆外面要修建很厚的水泥防_护层来屏蔽射线，对放射性的废料也要装入特制的容器，埋入深地层来处理。4•我国已于广东大亚湾建成两座核电站，还有浙江的秦山核电站。5•人类目前能够观测到的最大距离约是 140亿光年之远。这一距离可以看成是目前观测到的宇宙半径。6.对宇宙的时空结构、运动形态和物体演化的理论描述，称为宇宙模型。大爆炸宇 模型是一种被普遍接受的模型， 它认为，宇宙起源于大约150亿年前突然发生的一次大爆炸，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等，经历150亿年才演化成今天的样子。7•人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从 10「15m到1027m,共跨越了大约42个数量级；目前所知的微观粒子中，寿命最短的只有 10一25s，可见，物质世界的时间尺_25 18度，约从10s到10s，也跨越了将近43个数量级。|核反应堆核反应堆的主要组成部分如图4—6-1所示为简化的核反应堆示意图

冲羯瞬冲羯瞬I：防护丿品图4—6-1核燃料：反应堆使用天然铀或浓缩铀 (铀235占3%-4%)制成铀棒，作为核燃料，释放核能。中子减速剂：铀235具有易俘获慢中子，不易俘获快中子的特点。而核反应中释放的中子多数为快中子，应使用减速剂使它们的速度降下来。 常用作减速剂的物质有石墨、水或普通水。控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法增减中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子能力很强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度。保护层：核反应堆外层是很厚的水泥壁。可防止射线辐射出去。热交换器：靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去。核反应堆的用途。核电站利用反应堆发电。小型反应堆可以使核能作为动力制造核动力潜艇。进行各种原子核物理实验。3•核电站、核能利用核电站：利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电。特点：消耗燃料少，但经济效益跟火电站大体相同。里輕—宦么％反应堆是核电站的核心，是核电站的热源，核电站靠反应堆产生的内能发电。=偿试应用1•在核反应堆中采用控制棒来控制裂变反应的速度，关于控制棒的作用，下面说法正确的是( )使中子运动的速度减慢使中子运动的速度增加放出中子，使中子的数目增加吸收中子，使中子的数目减少解析：核反应堆中的控制棒即镉棒对中子的吸收能力很强， 可调节镉棒插入的深浅来控制反应速度，选项D正确。答案：D

rTTR1rTTR1•“基本粒子”和新粒子-对粒子的认识电子、质子和中子：直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来发现了电子、质子和中子，于是很多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子。然而，随着科学的进一步发展，科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也是复合粒子，并且还有着自己的复杂结构，所以电子、质子、 中子并不是组成物质世界的基本粒子。新粒子：1912年奥地利物理学家赫斯对宇宙射线观测时，发现了一些新粒子。宇宙射线中粒子的能量很高，但数量很少。人们用高能加速器进行实验，发现了更多的粒子。如1932年发现了正电子，1937年发现了卩子，1947年发现了K子和n子。•三大类粒子按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子。夸克模型夸克模型的提出：许多实验事实表明，强子是有内部结构的。 1964年提出的夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克 (cuark)。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、21顶夸克，它们带的电荷分别为电荷的+ 3或—3。每种夸克都有对应的反夸克。夸克模型的意义：夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。夸克的“禁闭”：目前人们对夸克的认识还是很初步的，科学家们直到今天都还未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的状态单个出现， 这种性质称为夸克的“禁闭”。 能否解放被禁闭的夸克，是21世纪物理学面临的重大课题之一。=偿试应用为了探究宇宙起源， “阿尔法磁谱仪”(AMS将在太空中寻找“反物质”。 所谓“反物质”是由“反粒子”构成的。 “反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，则反氢原子是 ( )由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成解析：根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量， 但带有等量的异性电荷。因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且等量的电荷量。所以反氢原子是由-1H核和1e构成的。答案：B核反应堆出-'■--讥二・'；二 对应学生用书页码P62核反应堆［例1］在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势，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,放出大量核能。1on(1)核反应方程式235U+：nT1561Ba+；6k「+aX1on为中子，X为待求粒子，a为中子，X为待求粒子，a为X的个数，贝UX为,a=。以nu、n^a、mKr分别表示别表示2Su1561Ba、96k的质量,m、m分别表示中子、质子的质量， c为光在真空中传播的光速，则在上述核反应过程中放出的核能 AE=6⑵有一座发电能力为P=1.00X10kW的核电站，核能转化为电能的效率 n=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—11 —27 7 235AE=2.78X10—J，铀核的质量m=390X10—kg,求每年(1年3.15X10s)消耗的92U的壬曰.质量。［解析］(1)由铀核裂变的反应方程可知： X为On,根据质量数和电荷数守恒可得： 235+1=141+92+a,解得a=3。反应过程中质量亏损△n=m—帀a—mkr—2m22故释放能量△E=Amc=(m—ma—mb—2m)c⑵核电站消耗核能的功率P'为：P1.00X106 6P'=—= kW=2.5X10kWn40%核电站每年消耗的核能W为:W=P't=2.5X106X103X3.15X107J=7.875X1016J产生这些核能消耗的铀核数目 n为:16W7.875X10人 27人n= = —1个~2.83X10个AE2.78X1011故每年消耗235U的质量m为:27 —27m=nm=2.83X10X390X10kg=1104kg。12［答案］⑴on3(mu-n^a-nkr—2m)c(2)1104kg解决此类题目时要把已知量和所求量联系起来,注意各物理量间的过渡换算， 必要时应用阿伏加德罗常数联系微观量与宏观量。受中子轰击时会发生裂变，产生^Ba和；6心，同时放出200解决此类题目时要把已知量和所求量联系起来,注意各物理量间的过渡换算， 必要时应用阿伏加德罗常数联系微观量与宏观量。受中子轰击时会发生裂变，产生^Ba和；6心，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的质量为多大？ （阿伏加德罗常数取6.02X1023/摩尔）13J.13J.E=Pt=50X104X103X24X3600J=4.32X10235裂变所释放的总能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:13E 4.32X10200X10X1.6X10一3.2X10一24*=1.35X10个。故发电站每一天需要的纯铀235的质量为:24TOC\o"1-5"\h\zn1.35X10 —3m=NA'M=6.02x1023X235X10 kg~0.527kg。答案：0.527kg夸克模型TOC\o"1-5"\h\z［例2］已经证实，质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克2 1带电为3e,下夸克带电为一3e,e为电子所带电量的大小，如果质子是由三个夸克组成的，3且各个夸克之间的距离都为 I,1=1.5X10T5m试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力（库仑力）。［解析］质子带电为+e,所以它是由2个上夸克和1个下夸克组成的。按题意，三个夸克必位于等边三角形的三个顶点处，这时上夸克与上夸克之间的静电力应为22eXe23 3 4eFuu=k一p—= 。代入数值，得Fuu~46N,为斥力。上夸克与下夸克之间的静电力为123eX3e2e2Fud=k—-2—=k2。l9l代入数值，得Fud~23N,为引力。［答案］上夸克间静电力Fuu=46N,为斥力 上、下夸克间静电力Fud=23N,为引力。

夸克模型认为强子是由夸克组成的， 它指明电子电荷不再是电荷的最小单元， 即存在分数电荷。课堂小结核能利用核电讪核动力反屁堆基鸟组成工核能利用核电讪核动力反屁堆基鸟组成工作原理小粒子与大宇宙宇宙演化

鋅分类二十一目前核电站利用的核反应是 （ ）裂变，核燃料为铀 B.聚变，核燃料为铀A对。C.裂变，核燃料为氘 DA对。解析：目前核电站利用的核反应是重核裂变，主要原料是铀核，故答案：A镉棒在核反应堆中的作用是（ ）使快中子变慢中子使慢中子变快中子使反应速度加快控制反应速度，调节反应速度的快慢解析：在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用， 镉棒起吸收中子，控制反应速度，调节功率大小的作用。故 D对。答案：D某核反应方程为泊+14；He+X.已知2H的质量为2.0136u。泊的质量为3.018u,；He的质量为4.0026u,X的质量为1.0087u。则下列说法中正确的是（ ）X是质子，该反应释放能量X是中子，该反应释放能量X是质子，该反应吸收能量X是中子，该反应吸收能量解析：由质量数守恒有， X核的核子数A=2+3-4=1。由电荷数守恒有，X核的质子数：Z=1+1-2=0。由此可得X是中子。由题目给出的已知条件，可算出反应后的质量亏损：△m=（2.0136+3.018—4.0026—1.0087）u =0.0203u>0。由于反应过程存在质答案：B•原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是（）原子燃料，减速剂，冷却系统和控制调节系统原子燃料，减速剂，发热系统和传热系统原子燃料，调速剂，碰撞系统和热系统原子燃料，中子源，原子能聚存和输送系统解析：核反应堆的主要部分包括①燃料；②减速剂，采用石墨、重水或水；③控制棒,控制链式反应的速度；④冷却系统，水或液态钠等流体在反应堆外循环流动， 把反应堆的热量传输出去用于发电，故A正确，B、C、D错。答案：ATOC\o"1-5"\h\z我国秦山核电站第三期工程中有两个 60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于 235U的裂变，现有四种说法：235U原子核中有92个质子，有143个中子235U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程式为： 235u+Im154xe94 1+38Sr+3on235U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为 45亿年，升高温度半衰期变短一个29IU裂变能放出200MeV的能量，合3.2X1011J以上说法中完全正确的有（ ）A.①②③B.②③④C.①③④D.①②④解析：由235u的质量数和电荷数的关系易知①正确。由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确。半衰期不受外界因素干扰，故③错误。通过计算知④正确，故答案为 Do答案：d在核反应堆外修建很厚的水泥层是为了防止 （ ）A.核爆炸B.放射线外泄C.核燃料外泄D.慢中子外泄解析：核外反应堆的核燃料一般是铀 235，它具有很强的放射性，其衰变时放出的射线能对人体造成极大的伤害，在其外修建很厚的水泥层就是为了防止放射线外泄，则 B正确。答案：B（双选）已知n+介子、n「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，它们的带电量如下表所示，表中 e为元电荷。+nnudud带电量2121+e-e+-e--e--e+-e3333F列说法正确的是（ ）A.n*由A.n*由u和~d组成B.n*由d和u组成C.n「由u和d组成D.n由d和u组成解析：根据电荷量关系可知由于n*介子带有+解析：根据电荷量关系可知由于n*介子带有+e的电荷量，又由于n*介子是由一个夸克和一个反夸克组成，根据题意可知2n*介子（+e）应由一个夸克u（+-e）和一个反夸克31d（1d（+尹）组成，故A对B错;同理「介子由夸克d和夸克u组成，故C错D正确。答案：AD&以下说法正确的是（ ）最早发现的轻子是电子，最早发现的强子是中子质子、中子、介子和超子都属于强子强子、轻子都有内部结构T子质量比核子质量大， T子不属于轻子解析：最早发现的强子是质子， 最早发现的轻子是电子，故选项A错误；强子有内部结构，由夸克组成，轻子没有内部结构，所以， C错误；质子、中子、介子、超子都属于强子，t子质量比核子质量大，但仍属于轻子， D错误，B正确。答案：B1964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。完成核裂变反应方程式：3j+in—（ ）Xe+3；Sr+20n*200MeV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， 需采取哪些措施？（举2种）解析：（1）①由质量数和电荷数守恒可得：235+1