1、4 4. .核裂变与核聚变核裂变与核聚变 5 5. .“基本基本”粒子粒子 学习目标：学习目标：1物理观念物理观念知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概概念念，了了 解原子弹、核反应堆、聚变反应条件、新粒子的内容。解原子弹、核反应堆、聚变反应条件、新粒子的内容。2.科学思维科学思维掌握链式反应及掌握链式反应及 核聚变释放能量的计算核聚变释放能量的计算，理解核电站的工作原理理解核电站的工作原理，掌握轻核聚变的条件掌握轻核聚变的条件，提高分析提高分析、解解 决问题的能力决问题的能力。3.科学探究科学探究通过对链式反应的探究通过对链式反应的探究，理解原子弹
2、理解原子弹、核反应堆的原理核反应堆的原理， 体会热核反应的条件及科学发现新粒子的进步。体会热核反应的条件及科学发现新粒子的进步。4.科学态度与责任科学态度与责任学学习习科学家们研科学家们研 究问题的方法究问题的方法，坚持实事求是的科学态度坚持实事求是的科学态度，体验其工作的艰辛体验其工作的艰辛，激发探索未来科学的热激发探索未来科学的热 情。情。 阅读教材阅读教材，回答第回答第 119 页和第页和第 126 页的页的“问题问题”并梳理必要的知识点并梳理必要的知识点。 教材教材 P119页页“问题问题”提示提示：重核是裂变释放出巨大的核能重核是裂变释放出巨大的核能，主要应用有原子弹和核主要应用有原
3、子弹和核 电站；轻核聚变释放出巨大能量电站；轻核聚变释放出巨大能量，现在仅有氢弹应用。现在仅有氢弹应用。 教材教材 P126页页“问题问题”提示提示：这些新发现的粒子大体可分为强子这些新发现的粒子大体可分为强子、轻子轻子、规范玻色子规范玻色子 和希格斯玻色子几种类别和希格斯玻色子几种类别，它们之间存在着密切的关系。它们之间存在着密切的关系。 一、核裂变一、核裂变 1核裂变的发现核裂变的发现 (1)核裂变核裂变 重核被重核被中子中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出并放出核能核能的过程的过程。 (2)铀核裂变铀核裂变 用中子轰击铀核时用中子轰击铀核时
4、，铀核发生裂变铀核发生裂变，其产物是多种多样的其产物是多种多样的，其中一种典型的反应其中一种典型的反应是是 235 92U 1 1 0 0n 14456Ba8936Kr3 1 1 0 0n。 。 (3)链式反应链式反应 当一个中子引起一个重核裂变后当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断且能不断 继续下去继续下去，这种由重核裂变产生的中子使这种由重核裂变产生的中子使核裂变核裂变反应一代一代继续下去的过程反应一代一代继续下去的过程，叫作核叫作核 裂变的裂变的链式反应链式反应。 (4)链式反应的条件链式反应的条件 发生裂变物质的体积大
5、于发生裂变物质的体积大于临界体积临界体积或裂变物质的质量大于或裂变物质的质量大于临界质量临界质量。 2反应堆与核电站反应堆与核电站 (1)核能释放的控制核能释放的控制 通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆核反应堆。 (2)慢化剂慢化剂 反应堆中反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放在铀棒周围要放“慢化剂慢化剂”，常用的慢常用的慢 化剂有化剂有石墨石墨、重水重水和和普通水普通水(也叫轻水也叫轻水)。 (3)控制棒控制棒 为了控制反应速度为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒还需要在铀棒之间插进
6、一些镉棒，它吸收它吸收中子中子的能力很强的能力很强，反反 应过于激烈时应过于激烈时，可将其插入可将其插入深深一些一些，多吸收一些多吸收一些中子中子，链式反应的速度就会慢一些链式反应的速度就会慢一些，这这 种镉棒叫作种镉棒叫作控制棒控制棒。 (4)能量输出能量输出 核燃料核燃料裂变裂变释放的能量使反应区温度升高释放的能量使反应区温度升高， 水或液态的金属钠等流体在反应堆外水或液态的金属钠等流体在反应堆外循循 环流动环流动，把反应堆内的把反应堆内的热量热量传输出去传输出去，用于用于发电发电。 说明：说明：核裂变是可以控制的核裂变是可以控制的，如核电站的建立和应用。如核电站的建立和应用。 二、核聚变
7、二、核聚变 1定义定义 两个轻核结合成两个轻核结合成质量较大质量较大的核的核，这样的核反应叫作这样的核反应叫作核聚变核聚变。 2举例举例 2 1H31H42He10n17.6 MeV。 3条件条件 (1)轻核的距离要达到轻核的距离要达到 10 15 m 以内以内。 (2)需要加热到很高的需要加热到很高的温度温度，因此又叫因此又叫热核反应热核反应。 4优点优点 (1)轻核聚变轻核聚变产能效率高产能效率高。 (2)地球上地球上聚变燃料聚变燃料的储量丰富的储量丰富。 (3)轻核聚变更为轻核聚变更为安全安全、清洁清洁。 5约束方法约束方法 磁约束磁约束和惯性约束和惯性约束。 三、粒子三、粒子 1基本粒
8、子不基本基本粒子不基本 (1)直到直到 19 世纪末世纪末，人们都认为人们都认为光子光子、电子电子、质子质子和中子是基本粒子和中子是基本粒子。 (2)随着科学的发展随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子基本粒子组成的组成的， 并发现并发现质子质子、中子中子等本身也有复杂结构等本身也有复杂结构。 2发现新粒子发现新粒子 (1)新粒子：新粒子：1932 年发现了年发现了正电子正电子，1937 年发现了年发现了子子，1947 年发现了年发现了 K 介子介子和和 介子介子及以后的超子等及以后的超子等。 (2)粒子的分类：大体可分为粒子的分类
9、：大体可分为强子强子、轻子轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类型规范玻色子和希格斯玻色子几种类型。 (3)夸克模型的提出：夸克模型的提出：1964 年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强认为强 子是由子是由夸克夸克构成的构成的。 说明说明：反粒子最显著的特点是当它们与相应的正粒子相遇时反粒子最显著的特点是当它们与相应的正粒子相遇时，会发生会发生“湮灭湮灭”，即即 同时消失而转化成其他的粒子。同时消失而转化成其他的粒子。 1思考判断思考判断(正确的打正确的打“”“”，错误的打错误的打“” “”) (1)铀核的裂变是一种天然放射现象铀核的裂变是一种
10、天然放射现象。() (2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。() (3)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些。() (4)质子质子、中子中子、电子都是不可再分的基本粒子电子都是不可再分的基本粒子。() 2(多选多选)关于重核的裂变关于重核的裂变，以下说法正确的是以下说法正确的是() A核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B中子从铀块中通过时中子从铀块中通过时，一定发生链式反应一定发生链式反应 C重核裂变释放出大量能量重
11、核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损产生明显的质量亏损，但核子数不变但核子数不变 D重核裂变为中等质量的核时重核裂变为中等质量的核时，放出核能放出核能 CD核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的是核能转化为其他形式能的 过程过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A 错误错误，D 正确正确；发生链式反应是有条件发生链式反应是有条件 的的，铀块的体积必须大于其临界体积铀块的体积必须大于其临界体积，否则中子从铀块中穿过时否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核可能碰不到原子核， 则不会发生链式反
12、应则不会发生链式反应，B 错误；重核裂变时错误；重核裂变时，核子数守恒核子数守恒，C 正确。正确。 3(多选多选)下列关于聚变的说法中正确的是下列关于聚变的说法中正确的是() A要使聚变产生要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功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轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫因此聚变又叫作作热核反应热核反应 C原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温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自然界中不存在天然的热核反应 ABC轻核聚变时轻核聚变时， 必须使轻核之间距离达
13、到必须使轻核之间距离达到 10 15 m 以内以内， 所以必须克服库仑斥所以必须克服库仑斥 力做功力做功， A 正确正确； 原子核必须有足够的动能原子核必须有足够的动能， 才能使它们接近到核力能发生作用的范围才能使它们接近到核力能发生作用的范围， 实验证实实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原这样高的温度通常利用原 子弹爆炸获得子弹爆炸获得，B、C 正确正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D 错误错误。 对核裂变和链式反应的对核裂变和链式反应的 理解理解 如图所示
14、为重核裂变的链式反应。如图所示为重核裂变的链式反应。 试探究：试探究：(1)什么是链式反应？什么是链式反应？ (2)链式反应中的临界体积指什么？链式反应中的临界体积指什么？ 提示提示：(1)重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫链式反应重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫链式反应。 (2)能发生链式反应的最小体积叫临界体积能发生链式反应的最小体积叫临界体积，相应的质量叫临界质量。相应的质量叫临界质量。 1铀核的裂变和裂变方程铀核的裂变和裂变方程 (1)核子受激发核子受激发：当中子进入铀当中子进入铀 235 后后，便形成了处于激发状态的复核便形成了处于激发状态的
15、复核，复核中由于复核中由于 核子的激烈运动核子的激烈运动，使核变成不规则的形状使核变成不规则的形状。 (2)核子分裂：核子间的距离增大核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的使得原子核由于质子间的 斥力作用而分裂成几块斥力作用而分裂成几块， 同时放出同时放出 2 或或 3 个中子个中子， 这些中子又引起其他铀核裂变这些中子又引起其他铀核裂变， 这样这样， 裂变就会不断地进行下去裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能释放出越来越多的核能。 (3)常见的裂变方程：常见的裂变方程： 10n23592U14456Ba8936Kr310n 23595U1
16、0n9438Sr13954Xe310n。 2链式反应的条件链式反应的条件 (1)铀块的体积大于临界体积铀块的体积大于临界体积。 (2)铀块的质量大于临界质量铀块的质量大于临界质量。 以上两个条件满足一个即可以上两个条件满足一个即可。 【例【例 1】(多选多选)2017 年年 11 月月 17 日日，“中国核潜艇之父中国核潜艇之父”黄旭华获评全国道黄旭华获评全国道 德模范德模范。下列有关核反应的说法正确的是下列有关核反应的说法正确的是() A目前核潜艇是利用重核裂变提供动力目前核潜艇是利用重核裂变提供动力 B重核裂变反应前后一定有质量亏损重核裂变反应前后一定有质量亏损 C23592U10n140
17、54U9438Srd10n 式中式中 d1 D铀核裂变后的新核比铀核的比结合能小铀核裂变后的新核比铀核的比结合能小 思路点拨：思路点拨：(1)核裂变放出能量核裂变放出能量，比结合能变大。比结合能变大。 (2)核反应方程核反应方程，质量数守恒、电荷数守恒。质量数守恒、电荷数守恒。 AB目前核潜艇是利用重核裂变提供动力目前核潜艇是利用重核裂变提供动力，选项选项 A 正确；重核裂变要释放核能正确；重核裂变要释放核能， 则反应前后一定有质量亏损则反应前后一定有质量亏损，选项选项 B 正确；根据质量数和电荷数守恒可知正确；根据质量数和电荷数守恒可知，该核反应该核反应 中的中的 d2，选项选项 C 错误；
18、铀核不如裂变后生成的新核稳定错误；铀核不如裂变后生成的新核稳定，可知铀核的比结合能比裂可知铀核的比结合能比裂 变后生成的新核的比结合能小变后生成的新核的比结合能小，选项选项 D 错误。错误。 对重核裂变的两点理解对重核裂变的两点理解 (1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核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使之分裂成中等质量的原子核，同同 时释放大量的能量时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。放出更多的中子的过程。 (2)重核的裂变是放能核反应重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的根本原因是重核的 比结合
19、能相比中等质量的核的比结合能要小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所以在重核分解为两个中等质量核的过程 中要释放能量中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。 跟进训练跟进训练 1下列核反应中下列核反应中，表示核裂变的是表示核裂变的是() A23892U23490Th42He B146C147N 0 1e C23592U10n14156Ba9236Kr310n D94Be42He126C10n C23892U23490Th42He 是是衰变衰变，146C147N 0 1e 是 是衰变衰变，94
20、Be42He126C10n 是人是人 工转变工转变，只有选项只有选项 C 是重核裂变是重核裂变，C 正确。正确。 核电站与核反应堆核电站与核反应堆 如图是慢中子反应堆的示意图。如图是慢中子反应堆的示意图。 试探究：试探究：(1)铀铀 235 是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？ (2)如何控制裂变反应的激烈程度？如何控制裂变反应的激烈程度？ 提示：提示：(1)慢中子。慢中子。 (2)控制棒由镉做成控制棒由镉做成，当反应过于激烈时当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些使控制棒插入深一些，让它多吸收一些让它多吸收一些 中子中子，链式反应的速度就会慢一些
21、链式反应的速度就会慢一些，反之反之，应使控制棒插入浅一些应使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中让它少吸收一些中 子子，链式反应的速度就会快一些。链式反应的速度就会快一些。 1核电站的主要组成核电站的主要组成 核电站的核心设施是核反应堆核电站的核心设施是核反应堆 ，反应堆用的核燃料是铀反应堆用的核燃料是铀 235，它的主要部件列表它的主要部件列表 如下：如下： 部件名称部件名称慢化剂慢化剂控制棒控制棒热循环介质热循环介质保护层保护层 采用的材料采用的材料 石墨石墨、重水或普重水或普 通水通水(也叫轻水也叫轻水) 镉镉水或液态钠水或液态钠 很厚的水泥外很厚的水泥外 壳壳 作用作用 降低中子速度降低
22、中子速度， 便于便于铀铀235吸收吸收 吸收中子吸收中子，控制控制 反应速度反应速度 把反应堆内的把反应堆内的 热量传输出去热量传输出去 屏蔽射线屏蔽射线，防止防止 放射性污染放射性污染 2反应堆工作原理反应堆工作原理 (1)热源：在核电站中热源：在核电站中，核反应堆是热源核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图：铀棒是如图为简化的核反应堆示意图：铀棒是 燃料燃料， 由天然铀或浓缩铀由天然铀或浓缩铀(铀铀 235 的含量占的含量占 24%)制成制成， 石墨石墨、 重水或普通水为慢化剂重水或普通水为慢化剂， 使反应生成的快中子变为慢中子使反应生成的快中子变为慢中子， 便于铀便于铀 235 的吸
23、收的吸收， 发生裂变发生裂变， 慢化剂附在铀棒周围慢化剂附在铀棒周围。 反应堆示意图反应堆示意图 (2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度控制反应速度，所以也叫控制棒所以也叫控制棒。控制棒插控制棒插 入深一些入深一些，吸收中子多吸收中子多，反应速度变慢反应速度变慢，插入浅一些插入浅一些，吸收中子少吸收中子少，反应速度加快反应速度加快，采采 用电子仪器自动调节控制棒插入深度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冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水这时通
24、过水、液态钠等作冷却液态钠等作冷却 剂剂，在反应堆内外循环流动在反应堆内外循环流动，把内能传输出去把内能传输出去，用于推动蒸汽机用于推动蒸汽机，使发电机发电使发电机发电。 发生裂变反应时发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质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很厚的水泥防护层可以防止射 线辐射到外面线辐射到外面。 3核电站发电的优点核电站发电的优点 (1)消耗的核燃料少消耗的核燃料少。 (2)作为核燃料的铀作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大钍等在地球上可采储量大。 (3)对环境的污染要比火力发电小对环境的污染要比火力发电小。 【例【例 2】每昼夜消耗每昼夜消耗 2
25、20 g 铀铀 235 的原子能发电站的原子能发电站，如果效率为如果效率为 25%，它能产生它能产生 的电功率为多大？的电功率为多大？(每个铀核裂变时放出的能量是每个铀核裂变时放出的能量是 200 MeV) 思路点拨：思路点拨：由题条件求出总能量由题条件求出总能量，再求出有用功再求出有用功，除以时间得到电功率。除以时间得到电功率。 解析解析一昼夜消耗的铀所能产生的核能为：一昼夜消耗的铀所能产生的核能为： E200220 235 6.0210231061.610 19 J1. .81013J 电功率电功率 PE t 1.80 101325% 243 600 W5.2107W。 答案答案 5.21
26、07W 跟进训练跟进训练 2在核反应中在核反应中，控制铀控制铀 235 核裂变反应速度的方法是核裂变反应速度的方法是() A使用浓缩铀使用浓缩铀 B改变铀块的临界体积改变铀块的临界体积 C通过自动控制装置通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度改变镉棒插入的深度， ，以控制反应速度以控制反应速度 D利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度 C利用控制系统吸收慢中子利用控制系统吸收慢中子，控制链式反应的速度控制链式反应的速度，C 选项正确。选项正确。 对核聚变的理解对核聚变的理解 据据报道报道，中科院离子物理所经过八年的艰苦奋斗努力中科院离子物理所经过八年的艰苦奋斗努
27、力，终于率先建成了世界上第一终于率先建成了世界上第一 个全超导的托克马克试验装置并调试成功。这种装置被称为个全超导的托克马克试验装置并调试成功。这种装置被称为“人造太阳人造太阳”(如图所示如图所示)， 它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续地输出能它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续地输出能 量量，就像太阳一样为人类提供无限清洁的能源。就像太阳一样为人类提供无限清洁的能源。 问题探究：问题探究：(1)请写出此核聚变的方程式；请写出此核聚变的方程式； (2)请说出核聚变能源的优点请说出核聚变能源的优点。 提示：提示：(1)核聚变方程：核聚
28、变方程：21H31H42He10n17.6 MeV (2)优点：优点：产能效率高产能效率高核燃料储量丰富核燃料储量丰富安全、清洁。安全、清洁。 1聚变发生的条件聚变发生的条件 要使轻核聚变要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离必须使轻核接近核力发生作用的距离 10 15 m，这要克服电荷间强这要克服电荷间强 大的斥力作用大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能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要使原子核具有足够大的动能，就要给就要给 它们加热它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温使物质达到几百万开尔文的高温。 2轻核聚变是放能反应轻核聚变是放能反应 从比结合能的图线
29、看从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应因此聚变反应是一个放能反应。 3核聚变的特点核聚变的特点 (1)在消耗相同质量的核燃料时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轻核聚变比重核裂变释放出更多的能量。 (2)热核反应一旦发生热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应靠自身产生的热就可以使反应 进行下去进行下去。 (3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着普遍性：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太阳就是一个巨大的热核反应 堆堆。 4核聚变的
30、应用核聚变的应用 (1)核武器核武器氢弹氢弹： 一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。 它利用弹体内的原它利用弹体内的原 子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。 (2)可控热核反应：目前处于探索阶段可控热核反应：目前处于探索阶段。 5重核裂变与轻核聚变的区别重核裂变与轻核聚变的区别 比较项目比较项目重核裂变重核裂变轻核聚变轻核聚变 放能原理放能原理 重核分裂成两个或多个中等质重核分裂成两个或多个中等质 量的原子核量的原子核，放出核能放出核能 两个轻核结合成质量较大的原两个轻核结合成质量较大的原 子核子核，放出核能放出核
31、能 放能多少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大聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大 34 倍倍 燃料储量情燃料储量情 况况 聚变燃料储量丰富聚变燃料储量丰富 核废料处核废料处 理难度理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多 【例【例 3】氘核氘核(21H)和氚核和氚核(31H)结合成氦核结合成氦核(42He)的核反应方程如下：的核反应方程如下：21H31H42He 10n17.6 MeV (1)这个核反应称为这个核反应称为_。 (2)要发生这样的核反应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需要
32、将反应物质的温度加热到几百万开尔文。式中式中 17.6 MeV 是核反应中是核反应中_(选填选填“放出放出”或或“吸收吸收”)的能量的能量， 核反应后生成物的总质量核反应后生成物的总质量 比核反应前物质的总质量比核反应前物质的总质量_(选填选填“增加增加”或或“减少减少”)了了_kg(保留一位保留一位 有效数字有效数字)。 思路点拨：思路点拨：(1)两个轻核结合成一个中等质量的核两个轻核结合成一个中等质量的核，是核聚变。是核聚变。 (2)核聚变有质量亏损核聚变有质量亏损，放出热量。放出热量。 解析解析在轻核聚变反应中在轻核聚变反应中，由于质量亏损由于质量亏损，放出核能放出核能，由由Emc2，可
33、以求得可以求得 mE c2 310 29 kg。 答案答案 (1)核聚变核聚变(2)放出放出减少减少310 29 (1)核聚变反应和一般的核反应一样核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反这是书写核反 应方程式的重要依据应方程式的重要依据。 (2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入然后代入Emc2进行计进行计 算算。 跟进训练跟进训练 3太阳内部核反应的主要模式之一是质子质子循环太阳内部核反应的主要模式之一是质子质子循环，循环的结果可表示为循环的结果可表示为 411H42He20
34、1e2 已知已知 1 1H 和和 4 2He 的质量分别为的质量分别为 mp1.007 8 u 和和 m4.002 6 u，1 u931 MeV/c2，c 为光速为光速。在在 4 个个 1 1H 转变为转变为 1 个个 4 2He 的过程中的过程中，释放的能量约为释放的能量约为() A8 MeVB16 MeV C26 MeVD52 MeV C核反应质量亏损核反应质量亏损m41.007 8 u4.002 6 u0.028 6 u，释放的能量释放的能量E 0.028 6931 MeV26.6 MeV，选项选项 C 正确。正确。 “基本基本”粒子粒子 已知已知 介子 介子、 介子都是由一个夸克 介子
35、都是由一个夸克(夸克夸克 u 或夸克或夸克 d)和一个反夸克和一个反夸克(反夸克反夸克 u 或反夸克或反夸克 d )组成的组成的，它们所带电荷量如下表所示它们所带电荷量如下表所示，表中表中 e 为元电荷。为元电荷。 ud ud 电荷量电荷量ee2 3e 1 3e 2 3e 1 3e 试探究：试探究：(1) 应由哪两个组成？ 应由哪两个组成？ (2) 又应由哪两个组成？ 又应由哪两个组成？ 提示：提示：(1)由于由于 介子带有 介子带有e 的电荷量的电荷量，应由应由 u 和和 d 组成。组成。 (2)同理同理 介子带有 介子带有e 的电荷量的电荷量，应由应由 u 和和 d 组成。组成。 1新粒子
36、的发现及特点新粒子的发现及特点 发现时间发现时间1932 年年1937 年年1947 年年 20 世纪世纪 60 年代年代 后后 新粒子新粒子反粒子反粒子子子 K 介子与介子与介介 子子 超子超子 基本基本 特点特点 质量与相对应的粒子质量与相对应的粒子 相同而电荷及其他一相同而电荷及其他一 些物理性质相反些物理性质相反 比质子的比质子的 质量小质量小 质量介于电子质量介于电子 与核子之间与核子之间 其质量比质子大其质量比质子大 2.夸克模型夸克模型 (1)夸克的提出：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，认为强子是认为强子是
37、由夸克构成的由夸克构成的。 (2)夸克的种类夸克的种类：上夸克上夸克(u)、下夸克下夸克(d)、奇异夸克奇异夸克(s)、粲夸克粲夸克(c)、底夸克底夸克(b)和顶夸和顶夸 克克(t)。 (3)夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是分数电荷量夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的即其电荷量为元电荷的1 3或 或 2 3。 。例如例如，上夸克带的电荷量为上夸克带的电荷量为2e 3 ，下夸克带的电荷量为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意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷即存在分数电荷。 【例【例 4】在在衰变中常伴有一种称为衰
38、变中常伴有一种称为“中微子中微子”的粒子放出的粒子放出。中微子的性质十分中微子的性质十分 特别特别，因此在实验中很难探测因此在实验中很难探测。1953 年年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器 组成的实验系统组成的实验系统，利用中微子与水中利用中微子与水中 1 1 1 1H 的核反应 的核反应，间接地证实了中微子的存在间接地证实了中微子的存在。 (1)中微子与水中的中微子与水中的 1 1 1 1H 发生核反应 发生核反应， 产生中子产生中子(10n)和正电子和正电子(01e)， 即即： 中微子中微子11H10n 01e 可以判定可以判定，中微子的质量数
39、和电荷数分别是中微子的质量数和电荷数分别是_。 (2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后与电子形成几乎静止的整体后， 可以转变为两个光子可以转变为两个光子()，即即 0 0 1 1e 0 1e 2，已知正电子和电子的质量都为已知正电子和电子的质量都为 9.110 31 kg， 反应中产生的每个光子的能量约为反应中产生的每个光子的能量约为_J。正电子与电子相遇不可能只转变为一个正电子与电子相遇不可能只转变为一个 光子光子，原因是什么？原因是什么？ 解析解析(1)发生核反应前后发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变粒子的质量
40、数和电荷数均不变， ，据此可知中微子的质据此可知中微子的质 量数和电荷数都是量数和电荷数都是 0。 (2)产生能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后产生能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后，质量变为零质量变为零，则则E mc2，故一个光子的能量为故一个光子的能量为E 2 ，代入数据得代入数据得E 2 8.210 14 J。正电子与水中的电子正电子与水中的电子 相遇相遇，与电子形成几乎静止的整体与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零故系统总动量为零，故只有产生故只有产生 2 个光子个光子，此过程此过程 才遵循动量守恒定律。才遵循动量守恒定律。 答案答案 (1)0 和和 0(
41、2)8.210 14 见解析见解析 对核反应中新生成粒子的认识对核反应中新生成粒子的认识 新生成的粒子和实物粒子一样新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波也能产生物质波，它们之间发生相互作用时它们之间发生相互作用时，同样同样 遵循动量守恒定律等力学规律。遵循动量守恒定律等力学规律。 跟进训练跟进训练 4目前普遍认为目前普遍认为，质子和中子都是由被称为质子和中子都是由被称为 u 夸克和 夸克和 d 夸克的两类夸克组成夸克的两类夸克组成。u 夸克带电荷量为夸克带电荷量为2 3e， ， d 夸克带电荷量为夸克带电荷量为1 3e， ， e 为元电荷为元电荷， 下列论断可能正确的是下列论断可能正确的
42、是() A质子由质子由 1 个个 u 夸克和夸克和 1 个个 d 夸克组成夸克组成，中子由中子由 1 个 个 u 夸克和夸克和 2 个个 d 夸克组成夸克组成 B质子由质子由 2 个个 u 夸克和夸克和 1 个个 d 夸克组成夸克组成，中子由中子由 1 个个 u 夸克和夸克和 2 个个 d 夸克组成夸克组成 C质子由质子由 1 个个 u 夸克和夸克和 2 个个 d 夸克组成夸克组成，中子由中子由 2 个个 u 夸克和夸克和 1 个个 d 夸克组成夸克组成 D质子由质子由 2 个个 u 夸克和夸克和 1 个个 d 夸克组成夸克组成，中子由 中子由 1 个个 u 夸克和夸克和 1 个个 d 夸克组
43、成夸克组成 B由于质子带由于质子带 e 的正电荷的正电荷，则由两个则由两个 u 夸克和一个夸克和一个 d 夸克组成夸克组成，其总的电荷量其总的电荷量为为 e；中子不带电；中子不带电，则由一个则由一个 u 夸克、两个夸克、两个 d 夸克组成夸克组成，其总的电荷量为其总的电荷量为 0，由此可知由此可知 B 正确。正确。 1物理观念：物理观念：核裂变核裂变、核聚变核聚变、链式反应链式反应、 、新粒子新粒子。 2科学思维：科学思维：对核裂变对核裂变、核聚变的理解及核能的计算核聚变的理解及核能的计算，核反应堆的分析与新粒子核反应堆的分析与新粒子 的认识的认识。 3科学方法：科学方法：实验法实验法、计算法
44、计算法、分析法分析法、比较法比较法。 1(多选多选)关于人们发现的新粒子关于人们发现的新粒子，下列说法正确的是下列说法正确的是() A许多粒子都有自己的反粒子许多粒子都有自己的反粒子 B把粒子分为强子把粒子分为强子、轻子轻子、媒介子媒介子，根据是粒子与各种相互作用的关系根据是粒子与各种相互作用的关系 C质子属于强子质子属于强子 D光子属于轻子光子属于轻子 ABC根据粒子的分类、粒子与反粒子描述知根据粒子的分类、粒子与反粒子描述知 A、B、C 正确；光子属于媒介子正确；光子属于媒介子， D 错误。错误。 2(多选多选)下列说法正确的是下列说法正确的是() A聚变是裂变的逆反应聚变是裂变的逆反应
45、B核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温，反应时放出能量反应时放出能量 C轻核聚变比裂变更为安全轻核聚变比裂变更为安全、清洁清洁 D强子是参与强相互作用的粒子强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发现的强子中子是最早发现的强子 BC聚变和裂变的反应物和生成物完全不同聚变和裂变的反应物和生成物完全不同， 两者无直接关系两者无直接关系， 并非互为逆反应并非互为逆反应， 故故 A 错误错误；实现聚变反应必须使参加反应的轻核充分接近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需要数百万开尔文的高温， 但聚变反应一旦实现但聚变
46、反应一旦实现， 所释放的能量远大于所吸收的能量所释放的能量远大于所吸收的能量， 所以聚变反应还是释放能量所以聚变反应还是释放能量， 故故 B 正确；实现聚变需要高温正确；实现聚变需要高温，一旦出现故障一旦出现故障，高温不能维持高温不能维持，反应就自动终止了反应就自动终止了， 另外另外，聚变反应比裂变反应生成的废物数量少聚变反应比裂变反应生成的废物数量少，容易处理容易处理，故故 C 正确；质子是最早发正确；质子是最早发 现的强子现的强子，故故 D 错误。错误。 3(多选多选)重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径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下列说法中正确
47、的是 () A裂变过程质量增加裂变过程质量增加 B裂变过程质量亏损裂变过程质量亏损 C裂变过程和聚变过程都有质量增加裂变过程和聚变过程都有质量增加 D聚变过程有质量亏损聚变过程有质量亏损 BD重核裂变和轻核聚变都能释放巨大的能量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程均由爱因斯坦质能方程知两过程均 会有质量亏损。会有质量亏损。 4(多选多选)关于铀核裂变关于铀核裂变，下列说法正确的是下列说法正确的是() A铀核裂变的产物是多种多样的铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核但只能裂变成两种不同的核 B铀核裂变时还能同时释放铀核裂变时还能同时释放 23 个中子个
48、中子 C为了使裂变的链式反应容易进行为了使裂变的链式反应容易进行，最好用铀最好用铀 235 而不用铀 而不用铀 238 D铀块的体积对产生链式反应无影响铀块的体积对产生链式反应无影响 BC铀核受到中子的轰击铀核受到中子的轰击，会引起核裂变会引起核裂变，放出放出 23 个中子个中子，裂变的产物是多裂变的产物是多 样的样的，具有极大的偶然性具有极大的偶然性，只是裂变成两块的情况多只是裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块也有的分裂成多块，A 错误错误，B 正确；铀正确；铀 235 受慢中子的轰击时受慢中子的轰击时，裂变的概率大裂变的概率大，而铀而铀 238 只有俘获能量在只有俘获能量在 1 MeV
49、以以 上的中子才能引起裂变上的中子才能引起裂变，且裂变的且裂变的概概率小率小，C 正确正确；而要引起链式反应而要引起链式反应，需使铀块体积需使铀块体积 超过临界体积超过临界体积，D 错误。错误。 5(思维拓展思维拓展)2010 年年 3 月月 31 日日，欧洲大型强子对撞机实现首次质子束对撞成功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能模拟宇宙大爆炸的能量，并产生并产生 新的粒子新的粒子，帮助人类理解暗物质帮助人类理解暗物质、反物质以及其他超对称现象反物质以及其他超对称现象，从根
50、本上加深了解宇宙从根本上加深了解宇宙 本质本质，揭示宇宙形成之谜揭示宇宙形成之谜。欧洲科研机构宣布他们已经制造出欧洲科研机构宣布他们已经制造出 9 个反氢原子个反氢原子。 问题探究：问题探究： (1)什么是反粒子？什么是反粒子？ (2)请推测反氢原子的结构？请推测反氢原子的结构？ 提示：提示：(1)“反粒子反粒子”与与“正粒子正粒子”具有相同的质量具有相同的质量，但带有等量的异种电荷。但带有等量的异种电荷。 (2)“反氢原子反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且相等的电荷量相反的电荷符号且相等的电荷量， ， 所以反氢原子是所以反氢原子是 1 1 1 1
