4.6-4.7 核能利用 小粒子与大宇宙 学案（2020年粤教版高中物理选修3-5）

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1、第六节第六节 核能利用核能利用 第七节第七节 小粒子与大宇宙小粒子与大宇宙 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解反应堆的工作原理.2.了解核电站和核能利用的优缺点.3.了解小粒子和大宇 宙间的空间跨度和时间跨度. 科学态度与责任：1.如何获取更安全、更丰富的能源.2.了解如何防止核污染. 一、反应堆 1.核反应堆是人工控制链式反应的装置.它主要由以下几部分组成： (1)燃料：铀棒； (2)减速剂：使铀 235 容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水作减速剂； (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，利用镉吸收中子强的特性，就可以容易地控

2、制链式反应的速度. 2.工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应堆的温度升高. 3.能量输出：利用水、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. 4.核污染的处理；修建很厚的水泥防护层，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，需要装入特制的容器，埋入深地层来处理. 二、核电站、核能利用 1.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，这就是核电站. 2.核能利用 (1)核能发电； (2)核动力； (3)原子核物理实验制造各种放射性同位素. 三、小粒子与大宇宙 1.从小粒子到大宇宙空间跨度 (1)大爆炸宇宙模型：大约 15

3、0 亿年前突然发生一次大爆炸，其后逐渐诞生出恒星、星团、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： 约从 10 15 m 到 1027 m， 共跨越了大约 42 个数量级. 2.从粒子寿命到宇宙年龄时间跨度 (1)宇宙的年龄的数量级：1018 s. (2)微观粒子的最短寿命：10 25 s. (3)物质世界的时间尺度：约从 10 25 s 到 1018 s，跨越了将近 43 个数量级. 1.判断下列说法的正误. (1)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度.( ) (2)核反应堆用过的核废料无毒无害

4、.( ) (3)质子、中子不能再分.( ) (4)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍.( ) 2.核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，235 92U 是核电站常用的核燃料. 235 92U 受一个中子轰击后裂变成144 56Ba 和 89 36Kr 两部分，并产生 个中子.要使链式反应发生， 裂变物质的体积不能 (选填“大于”或“小于”)它的临界体积. 答案 3 小于 解析 由质量数和电荷数守恒可知， 裂变的核反应方程为235 92U 1 0n 144 56Ba 89 36Kr3 1 0n，可见 产生了 3 个中子；链式反应的一个条件是裂变物质的体积必须大于或等于它的临界体积. 一

5、、核反应堆与核电站 1.核反应堆的主要部件及作用如下表： 部件名称 项目 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 水或液态的金 属钠 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.核电站发电的优点 (1)消耗的核燃料少. (2)作为核燃料的铀在地球上可采储量大，所能提供的能量大. (3)对环境的污染要比火力发电小. 例 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.石墨

6、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传输热量 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；冷却剂在反应堆 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. 例 2 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12 6C 核碰撞减速.上述碰撞可简化为

7、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？ 答案 见解析 解析 设中子质量为 mn，靶核质量为 m，由动量守恒定律得： mnv0mnv1mv2 由能量守恒得：1 2mnv0 21 2mnv1 21 2mv2 2 解得 v1mnm mnmv0， 在重水中靶核质量 mH2mn v1HmnmH mnmHv0 1 3v0， 在石墨中靶核质量 mC12mn， v1CmnmC mnmCv0 11 13v0 与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好. (1)中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒、能量守恒. (2)因为

8、靶核的质量大于中子的质量，故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减为零. 二、粒子的分类和夸克模型 1.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、 子、 子中微子、 子、 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 2.夸克模型 (1)夸克的提出： 1964 年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型， 认为强子是

9、由夸克构成 的. (2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t). (3)夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的2 3或 1 3.例如， 上夸克带的电荷量为2e 3 ，下夸克带的电荷量为e 3. (4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷. 3.粒子与反粒子： 随着科学技术的发展，人们发现了更多的粒子，一方面“基本粒子”不基本，另一方面发现 了反粒子.粒子的质量、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，这类粒子叫做反粒子，例如电子的反粒子是正电子，带正电荷，质子的反粒子

10、是反 质子，反质子带负电荷. 例 3 (多选)已知 介子、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，它们的带电荷量如下表所示，表中 e 为元电荷. 粒子 u d u d 带电荷量 e e 2e 3 e 3 2e 3 e 3 下列说法正确的是( ) A. 由 u 和 d 组成 B. 由 d 和 u 组成 C. 由 u 和 d 组成 D. 由 d 和 u 组成 答案 AD 解析 因 介子带有e 的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克 u 带2 3e 和反夸克 d 带1 3e 合成电荷量为e，那么 介子就是由夸克 u 和反夸克 d 组成的

11、；同理， 介子由夸克 d 和反夸克 u 组成，所以 A、D 正确. 针对训练 2010 年 3 月 31 日，欧洲大型强子对撞机实现首次质子束对撞成功.科学家希望以 接近光速飞行的质子在发生撞击之后，能模拟宇宙大爆炸的能量，并产生新的粒子，帮助人 类理解暗物质、反物质以及其他超对称现象，从根本上加深了解宇宙本质，揭示宇宙形成之 谜.欧洲科研机构宣布他们已经制造出 9 个反氢原子.请推测反氢原子的结构是( ) A.由 1 个带正电荷的质子和 1 个带负电荷的电子构成 B.由 1 个带负电荷的反质子和 1 个带正电荷的正电子构成 C.由 1 个带负电荷的反质子和 1 个带负电荷的电子构成 D.由

12、1 个不带电荷的中子和 1 个带正电荷的正电子构成 答案 B 解析 根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异种电荷. 因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量、相反的电荷符号与等量的电荷量，所以 B 正确. 1.(链式反应的认识)链式反应中，重核裂变时放出的可使裂变反应不断进行下去的粒子是 ( ) A.质子 B.中子 C. 粒子 D. 粒子 答案 B 解析 在重核的裂变中，铀 235 需要吸收一个慢中子后才可以发生裂变，所以重核裂变时放 出的可使裂变反应不断进行下去的粒子是中子. 2.(对宇宙粒子的理解)以下说法正确的是( ) A.最早发现的轻子是电子，最早发现的

13、强子是中子 B.质子、中子、介子和超子都属于强子 C.强子、轻子都有内部结构 D. 子质量比核子质量大， 子不属于轻子 答案 B 解析 最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，所以 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，所以 B 正确； 子质量比核子质量大，但 子仍属于轻子，所以 D 错误. 3.(核能的计算)裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核235 92U 为燃料的反应堆中， 当235 92U 俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为 235 92U 1 0n 139 54Xe 94 38Sr 3 1 0n 235.043 9 1.008 7 138.917 8 93.915 4 反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位 u 为单位)， 已知 1 u 的质 量对应的能量为 931.5 MeV，此裂变反应释放出的能量是 MeV. 答案 180 解析 此裂变反应的质量亏损为： (235.043 91.008 7) u(138.917 893.915 431.008 7) u0.193 3 u， 由于 1 u 的质量对应的能量为 931.5 MeV， E931.50.193 3 MeV180 MeV.