学年高中物理第四章原子核46核能利用47小粒子与大宇宙教学案粤教版.docx
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学年高中物理第四章原子核46核能利用47小粒子与大宇宙教学案粤教版
第六节 核能利用
第七节 小粒子与大宇宙
[目标定位] 1.了解裂变反应堆的工作原理.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．
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：
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．
4．核污染的处理：
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）核力发电；
（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150亿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．
预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中
问题1
问题2
问题3
一、核反应堆
裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理如下表：
组成部分
材料
作用
裂变材料
（核燃料）
浓缩铀（
U）
提供核燃料
慢化剂
（减速剂）
石墨、重水
和普通水
使裂变产生的快中子减速
控制棒
镉
吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层
石墨
阻止中子逃逸
热交换器
水
产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电
防护层
金属套和
钢筋混凝土
防止射线对人体及其他生物体的侵害
【例1】 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
H核碰撞减速，在石墨中与
C核碰撞减速．上述碰撞可简化为弹性碰撞模型．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：
mnv0＝mnv1＋mv2
由能量守恒得：
mnv
＝
mnv
＋
mv
解得v1＝
v0，
在重水中靶核质量mH＝2mn
v1H＝
v0＝－
v0，
在石墨中靶核质量mC＝12mn，
v1C＝
v0＝－
v0
与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好．
借题发挥
（1）中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒、能量守恒．
（2）因为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．
针对训练1 在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是（ ）
A．使用浓缩铀
B．改变铀块的临界体积
C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以改变中子数
D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
答案 C
解析 控制核反应的速度是靠调节中子数目来实现，即用镉棒吸收中子改变中子数目．
二、核电站的工作原理
核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应．
铀235裂变需要一定的条件：
（1）要有足够浓度的铀235；
（2）要有足够数量的慢中子；（3）铀块的体积要大于临界体积．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，核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出2～3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，释放出越来越多的核能，这就叫链式反应．
原子弹中裂变一旦开始，裂变放出的快中子，又引起其他铀核裂变的速度很快，在极短的时间内释放大量的能量，因此杀伤力强大．
在核电站中，核反应堆是热源，如图1为简化的核反应堆的示意图：
图1
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（或重水）为减速剂，使反应生成的快中子变为慢中子，利于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围．镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深些，吸收中子多，反应速度变慢，插浅一些，吸收中子少，反应速度加快．采用电子仪器自动地调节控制棒的升降，就能使反应堆安全正常地工作．
【例2】 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，释放出大量核能．
（1）核反应方程式
U＋
n―→
Ba＋
Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，
n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
U、
Ba、
Kr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ΔE＝________.
（2）有一座发电能力为P＝1.00×106kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝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ΔE＝2.78×10－11J，铀核的质量mU＝390×10－27kg，求每年（1年＝3.15×107s）消耗的
U的质量．
答案
（1）
n 3 （mU－mBa－mKr－2mn）c2
（2）1104kg
解析
（1）由反应方程可知：
X为
n，a为3，
释放的能量为ΔE＝（mU－mBa－mKr－2mn）c2.
（2）因核电站发电效率为40%，
故核电站消耗
U的功率为
P′＝
＝
kW＝2.5×106kW.
核电站每年消耗
U的能量为
W＝P′t＝2.5×109×3.15×107J＝7.875×1016J
产生这些能量消耗的铀核的数目：
n＝
＝
≈2.83×1027（个）
每年消耗
U的质量为
M＝nmU＝2.83×1027×390×10－27kg≈1104kg.
针对训练2 1964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．
①完成核裂变反应方程式：
U＋
n→（ ）Xe＋
Sr＋2
n＋200MeV
②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必须是什么？
（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，需采用哪些措施？
（举两种）
答案
（1）①
②链式反应 中子再生率大于1
（2）核反应堆外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线；放射性核废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理．
三、对粒子的认识
【例3】 正电子、负质子等都属于反粒子，它们跟普通电子、质子的质量、电量均相等，而电性相反．科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质.1997年初和年底，欧洲和美国的科研机构先后宣布：
他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是（ ）
A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
B．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成
C．由一个不带电荷的中子与一个带负电荷的电子构成
D．由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
答案 B
解析 反氢原子的结构是由反粒子构成的物质，正电子、负质子等都属于反粒子
核反应堆
1．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．它主要有哪四部分组成（ ）
A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统
B．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统
C．原子燃料、调速剂、碰撞系统和控制调节系统
D．原子燃料、减速剂、原子能聚存系统和输送系统
答案 A
解析 目前核反应组成有：
原子燃料、减速剂、控制调节系统、与冷却系统．
2．关于原子核反应堆，下列说法不正确的是（ ）
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 C
解析 铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，A对；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，B对；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，C错；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，D对．
核电站
3．秦山核电站第三期工程的两个6×105kW发电机组已实现并网发电.发电站的核能来源于
U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
U的体积来控制的
B.
U的一种可能的裂变是
C.
U是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短
D．虽然核电站能提供很大的能量，但它对环境的污染比火电站严重
答案 B
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；
U裂变有多种可能性，
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；核电站的核能是清洁能源，污染少，D错．
（时间：
60分钟）
题组一 核反应堆
1．利用重核裂变释放核能时选用铀235核，主要原因是（ ）
A．它裂变放出核能比其他重核裂变多
B．它可能分裂成三部分或四部分
C．它能自动裂变，与体积无关
D．它比较容易发生链式反应
答案 D
解析 铀235俘获任何能量的中子都会发生裂变反应，故D正确．
2．关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是（ ）
A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度
B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量
D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
答案 C
解析 镉棒并不能释放中子，也不能使中子减速，对铀核裂变也没有阻碍作用，而是利用对中子吸收能力强的特点，控制中子数量的多少而控制核反应速度，故C正确．
3．镉棒在核反应中的作用是（ ）
A．使快中子变成慢中子
B．使慢中子变成快中子
C．使反应速度加快
D．控制反应速度，调节反应速度的快慢
答案 D
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，调节反应速度的快慢．
4．为使链式反应平稳进行，可采用下列的办法（ ）
A．铀块可制成任何的体积
B．铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核
C．通过慢化剂将产生的中子减速
D．用镉棒可作为慢化剂使中子减速
答案 C
解析 由于使铀块发生链式反应的体积应大于临界体积，故A错误；铀核裂变释放出的为快中子，不能直接再去轰击铀核，必须用慢化剂减速，而镉棒是用于控制中子数量的，故C正确，B、D错误．
题组二 核电站
5．（多选）山东荣成石岛湾核电站总装机规模400万千瓦．核电站与火电站相比较，其优势在于（ ）
A．核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量
B．就可采储量来说，地球上核燃料资源远多于煤炭
C．核电站造成的污染大于相等发电能力的火电站
D．核电站比火电站更容易建造
答案 AB
解析 核电站与火电站相比，相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多．地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的15倍．只要措施得当，核电站造成的污染很小，核能属于清洁能源，A、B均正确，C错误；核电站的建造难度较大，D错误．
6．（多选）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，其次加快发展风电和再生能源的政策，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4000万千瓦的水平，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．
7．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
U的裂变，现有四种说法：
①
U原子核中有92个质子，143个中子；
②
U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程为
③23592U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短；
④一个
U裂变能放出200MeV的能量，合3.2×10－11J.
以上说法中完全正确的是（ ）
A．①②③B．②③④
C．①③④D．①②④
答案 D
解析 由
U的质量数和电荷数关系知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D.
题组三 对粒子的认识
8．现在科学家们正在设法探寻“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量，但电荷符号相反．据此，若有反α粒子，它的质量数和电荷数分别为（ ）
A．－4，－2B．4，－2
C．－4,2D．4,2
答案 B
解析 因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量、相同的电荷量，但电荷的符号相反．所以，反α粒子质量数为4，电荷数为－2.
9．K－介子衰变的方程为K－―→π－＋π0.其中K－介子和π－介子是带负电的基元电荷，π0介子不带电．如图1所示的1个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径RK－与Rπ－之比为2∶1.π0介子的轨迹未画出．由此可知π－的动量大小与π0的动量的大小之比为（ ）
图1
A．1∶1B．1∶2
C．1∶3D．1∶6
答案 C
解析 带电粒子K－与π－在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力Bqv＝
得R＝
＝
，K－介子与π－介子带电量相同，故运动的半径之比等于动量之比pK－∶pπ－＝RK－∶Rπ－＝2∶1，在衰变后π－介子与π0介子动量方向相反，设K－介子的动量为正，则π－介子动量为负值，由动量守恒pK－＝－pπ－＋pπ0，则pπ－∶pπ0＝1∶3故A、B、D错，C对．
题组四 综合应用
10．如下一系列核反应是在恒星内部发生的：
其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，μ为一种中微子．已知质子的质量mp＝1.672648×10－27kg，α粒子的质量mα＝6.644929×10－27kg，正电子的质量me＝9.11×10－31kg，中微子的质量可忽略不计．真空中的光速c＝3.0×108m/s.试计算该系列反应完成后释放的能量．
答案 3.95×10－12J
解析 为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的各核反应方程左、右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为4p―→α＋2e＋＋2μ.
设反应后释放的能量为Q，
根据质能关系和能量守恒得
4mpc2＝mαc2＋2mec2＋Q，
代入数据可得Q≈3.95×10－12J.
11．一个原来静止的锂核（
Li）俘获一个速度为7.7×104m/s的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103m/s，方向与中子的运动方向相反．
（1）试写出核反应方程；
（2）求出氦核的速度大小；
（3）若一个氘核和一个氚核发生聚变时可产生一个氦核，同时放出一个中子，求这个核反应释放出的能量．（已知氘核质量为mD＝2.014102u，氚核质量为mT＝3.016050u，氦核质量mHe＝4.002603u，中子质量mn＝1.008665u,1u＝1.6606×10－27kg）
答案
（1）
Li＋
n―→
H＋
He
（2）2×104m/s
（3）2.82×10－12J
解析
（1）
Li＋
n―→
H＋
He
（2）取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得
mnv0＝－mTv1＋mHev2
v2＝
＝
m/s
＝2×104m/s
（3）质量亏损为Δm＝mD＋mT－mHe－mn
＝（2.014102＋3.016050－4.002603－1.008665）u
＝0.018884u≈3.136×10－29kg
根据爱因斯坦质能方程
ΔE＝Δmc2＝3.136×10－29×（3×108）2J≈2.82×10－12J
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