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第五章 原子核
第四節(jié) 核裂變與核聚變
第五節(jié) “基本”粒子
[核心素養(yǎng)·明目標(biāo)]
核心素養(yǎng) 學(xué)習(xí)目標(biāo)
物理觀念 核裂變、核聚變、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、核電站、夸克模型。
科學(xué)思維 理解熱核反應(yīng)可能的控制方法。
科學(xué)探究 探究核電站的組成及工作原理。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任 (1)了解常用裂變反應(yīng)堆的類型，了解核電站及核能發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)。 (2)了解構(gòu)成物質(zhì)的“基本粒子”及粒子物理的發(fā)展史，初步了解宇宙的演化過程及宇宙與粒子和諧統(tǒng)一。
知識點(diǎn)一　重核裂變與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
情景導(dǎo)學(xué)：
1964年10月16日，中國第一顆原子彈在羅布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相當(dāng)于1.8萬噸TNT炸藥。爆炸時(shí)安放原子彈的鋼塔全部熔化，在半徑400 m的范圍內(nèi)，沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質(zhì)，半徑1 600 m范圍內(nèi)所有動(dòng)植物全部死亡。
(1)巨大的核能是從哪里來的？
(2)重核裂變是一種天然現(xiàn)象嗎？只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)嗎？
(3)在利用重核裂變制成的原子彈中，需不需要用鎘制成的控制棒？
答案提示：(1)鈾核的裂變。
(2)重核的裂變不能自發(fā)地進(jìn)行，只能發(fā)生在人工控制的核反應(yīng)中，故不是天然現(xiàn)象；只有達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件時(shí)，才會(huì)發(fā)生重核的裂變。
(3)不需要。
1.重核的裂變
(1)定義
用中子轟擊鈾核，發(fā)現(xiàn)鈾核分裂成質(zhì)量相近的兩部分，并釋放出能量，這種核反應(yīng)過程稱為核裂變。
(2)鈾核的裂變
①一種常見的核反應(yīng)方程：U＋n→Ba＋Kr＋3n。
②在不同的裂變反應(yīng)中，U核釋放的能量也不同。如果按照一個(gè)U核裂變時(shí)釋放200 MeV的能量來估算，1 kg的U全部裂變釋放出的核能相當(dāng)于兩千余噸標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒釋放的能量。
2.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
(1)定義：在U核裂變釋放出巨大能量的同時(shí)，平均每次可以放出2～3個(gè)中子，這些中子稱為第1代中子，如果其中至少有一個(gè)繼續(xù)轟擊U，使之發(fā)生裂變，就能產(chǎn)生第2代中子，這樣不斷繼續(xù)下去，中子會(huì)不斷增加，裂變反應(yīng)就會(huì)不斷加強(qiáng)，就形成了裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積稱為臨界體積。
(2)發(fā)生條件：鈾核的體積達(dá)到臨界體積。
思考與討論
(1)鈾核的裂變是一種天然放射現(xiàn)象嗎？
(2)鈾核裂變的核反應(yīng)方程是唯一的嗎？
答案提示：(1)不是。鈾核在受到中子轟擊后才發(fā)生裂變，不是天然放射現(xiàn)象。
(2)不是。鈾核裂變的生成物并不確定，所以其核反應(yīng)方程不是唯一的。
知識點(diǎn)二、反應(yīng)堆與核電站
1.核電站：利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆，它主要由以下幾部分組成：
(1)核燃料：反應(yīng)堆使用濃縮鈾(鈾235占3%～4%)制成鈾棒作為核燃料，釋放核能。
(2)減速劑：用石墨、重水或普通水，使裂變中產(chǎn)生的中子減速，以便被鈾235吸收。
(3)控制棒：為了控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒，它吸收中子的能力很強(qiáng)，反應(yīng)過于激烈時(shí)，可將其插入深一些，多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些，這種鎘棒叫做控制棒．
(4)水泥防護(hù)層：反應(yīng)堆外層是很厚的水泥壁，可防止射線輻射出去。
(5)熱交換器：靠水和液態(tài)金屬鈉在反應(yīng)堆內(nèi)外的循環(huán)流動(dòng)，把產(chǎn)生的熱量傳輸出去。
2.工作原理：核燃料裂變釋放的能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高。
3.能量輸出：核燃料裂變釋放的能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電。
4.核污染的處理：為避免射線對人體的傷害和放射性物質(zhì)對水源、空氣和工作場所造成的放射性污染，在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變反應(yīng)放出的各種射線，核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。
5.核電站與火電站相比有何優(yōu)缺點(diǎn)
(1)優(yōu)點(diǎn)：①核電站消耗的燃料很少。
②作為核燃料的鈾、釷等在地球上的可采儲(chǔ)量很大。
③火電站燒煤要放出很多污染物，而核電站放出的污染物要少得多。
(2)缺點(diǎn)：①一旦核泄漏會(huì)造成嚴(yán)重的核污染。
②核廢料處理比較困難。
知識點(diǎn)三　輕核聚變與可控?zé)岷司圩?br/>情景導(dǎo)學(xué)：
“大海航行靠舵手，萬物生長靠太陽。”沒有太陽，地球上就不可能有姿態(tài)萬千的生命現(xiàn)象。當(dāng)然也不會(huì)孕育出作為智能生物的人類。
(1)太陽是靠什么為地球生命提供巨大能量的呢？
(2)為什么實(shí)現(xiàn)核聚變要使聚變的核燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫？
答案提示：(1)現(xiàn)在地球上消耗的能量絕大部分來自太陽內(nèi)部的聚變反應(yīng)。
(2)輕核的聚變反應(yīng)，是較輕的核子聚合成較重的原子核，要使得核子的強(qiáng)相互作用發(fā)揮作用，必須使核子間的距離達(dá)到10－15 m以內(nèi)；兩原子核相互靠近時(shí)要克服庫侖斥力做功，而由于原子核之間在此距離時(shí)的庫侖斥力十分巨大，因而需要核子有很大的動(dòng)能，表現(xiàn)在宏觀上就是核燃料需要達(dá)到極高的溫度。
1.輕核聚變
(1)定義：采用輕核聚變成較重核引起結(jié)合能變化的方式可獲得核能。這樣的核反應(yīng)稱為核聚變。
(2)太陽內(nèi)部的核聚變：太陽內(nèi)部氫核聚變的反應(yīng)方程為H＋H→He＋n，平均每個(gè)核子釋放的結(jié)合能約為3.5 MeV，要比裂變中平均每個(gè)核子釋放的能量大得多。
(3)輕核聚變的優(yōu)點(diǎn)：聚變反應(yīng)不僅能釋放巨大的能量，而且所用的燃料容易獲得。氘可從海水中提取，天然的氚不存在，但可通過核反應(yīng)n＋Li→He＋H得到。
2.可控?zé)岷司圩?br/>(1)熱核聚變的條件：要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的間距達(dá)到核力作用的范圍。以氘核發(fā)生聚變?yōu)槔仨氃诖蠹s108 K高溫下，使氘核獲得至少70 keV的動(dòng)能才能達(dá)到核力作用的范圍而發(fā)生核聚變。
(2)物質(zhì)第四態(tài)：輕核聚變溫度到達(dá)108 K，在這樣的高溫下，原子已完全電離，形成了物質(zhì)第四態(tài)——等離子態(tài)。
(3)約束等離子體的三種方式：磁約束、慣性約束。
①磁約束：利用磁場約束參加反應(yīng)的物質(zhì)，目前最好的一種磁約束裝置是環(huán)流器。
②慣性約束：聚變物質(zhì)因自身的慣性，在極短時(shí)間內(nèi)來不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)，在慣性約束下，用激光從各個(gè)方向照射反應(yīng)物，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。
思考與討論：
為什么輕核的聚變反應(yīng)能夠比重核的裂變反應(yīng)釋放更多的核能？
答案提示：因?yàn)楹茌p的原子核比較重的原子核的核子平均質(zhì)量更大，聚變成質(zhì)量較大的原子核能產(chǎn)生更多的質(zhì)量虧損，所以平均每個(gè)核子釋放的能量就更大。
知識點(diǎn)四 “基本粒子”不基本
1.“基本”粒子
19世紀(jì)末，許多人認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本粒子。
2.發(fā)現(xiàn)新粒子
(1)從20世紀(jì)起科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了400多種不同種類的新粒子，它們不是由質(zhì)子、中子、電子組成。
(2)科學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也是復(fù)合粒子，且還有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
3.探測工具
粒子加速器和粒子探測器是研究粒子物理的主要工具。
4.新粒子
1932年發(fā)現(xiàn)了正電子,1937年發(fā)現(xiàn)了μ子,1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和π介子及以后的超子等。
5.粒子的分類
按照粒子與各種相互作用的關(guān)系，可將粒子分為三大類：強(qiáng)子、輕子和媒介子。
6.夸克模型
組成強(qiáng)子的粒子有六種夸克，分為上夸克和下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克，所帶電荷分別為元電荷的±或±，每種夸克都有對應(yīng)的反夸克，夸克不能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)。
易錯(cuò)易混點(diǎn)1.核裂變的理解和應(yīng)用
易錯(cuò)易混點(diǎn)辨析：
1.裂變過程放出能量的原因
中等大小的原子核的平均結(jié)合能最大，這些核最穩(wěn)定。如果使較重的核分裂成中等大小的核，核子的平均結(jié)合能會(huì)增加，發(fā)生質(zhì)量虧損并釋放出能量。
2.U兩種典型的裂變方程
U＋n→Xe＋Sr＋2n
U＋n→Ba＋Kr＋3n
3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件
(1)鈾塊的體積大于或等于臨界體積。體積超過臨界體積時(shí)，保證中子能夠碰到鈾核。
(2)有足夠濃度的鈾235。
(3)有足夠數(shù)量的慢中子。
4.核反應(yīng)堆——核電站的心臟：裂變反應(yīng)堆是核電站的心臟，它是一種人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置，可以使核能較平緩地釋放出來，裂變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)和工作原理見表：
組成部分 材料 作用
裂變材料 (核燃料) 濃縮鈾 U 提供核燃料
慢化劑 (減速劑) 石墨、重水或普通水 使裂變產(chǎn)生的快中子減速
控制棒 鎘 吸收減速后的中子，控制反應(yīng)速度
反射層 石墨 阻止中子逃逸
冷卻劑 普通水、重水、氦、二氧化碳等 產(chǎn)生高溫蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電
防護(hù)層 金屬套和鋼筋混凝土 防止射線對人體及其他生物體的侵害
5.核反應(yīng)堆與原子彈爆炸的比較：原子彈爆炸時(shí)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度是無法控制的，為了用人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使核能比較平緩地釋放出來，人們制成了核反應(yīng)堆(核電站的核心設(shè)施)。核反應(yīng)堆是人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置。
6.核反應(yīng)堆
原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可以在人工控制下進(jìn)行，使核能較平緩地釋放出來，這樣釋放的核能就可以為人類的和平建設(shè)服務(wù)，裂變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)和工作原理如下表所示：
組成部分 材料 作用
裂變材料(核燃料) 濃縮鈾(U) 提供核燃料
慢化劑(減速劑) 石墨、重水或普通水 使裂變產(chǎn)生的快速中子減速
控制棒 鎘 吸收減速后的中子，控制反應(yīng)速度
反射層 石墨 阻止中子逃逸
熱交換器 水 產(chǎn)生高溫蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電
防護(hù)層 金屬套和鋼筋混凝土 防止射線對人體及其他生物體的侵害
7.解題規(guī)律總結(jié)
(1)重核裂變是中子轟擊質(zhì)量較大的原子核，使之分裂成中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)釋放大量的能量，放出更多的中子的過程。
(2)重核的裂變是放能核反應(yīng)，原因是核反應(yīng)前后有質(zhì)量虧損，根本原因是重核的平均結(jié)合能相比中等質(zhì)量的核的平均結(jié)合能要小。所以在重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)中等質(zhì)量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時(shí)得到的能量。
(3)重核的裂變方程仍然符合質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。
例1.“華龍一號”福清核電站5號機(jī)組首次并網(wǎng)成功，標(biāo)志著我國正式進(jìn)入核電技術(shù)先進(jìn)國家行列。“華龍一號”利用的是鈾核裂變釋放的核能，其裂變方程為U＋n→X＋Sr＋2n，則下列敘述正確的是(　　)
A.裂變后粒子的總核子數(shù)減少 B.X原子核中含有85個(gè)中子
C.裂變反應(yīng)前后質(zhì)量沒有變化 D.裂變后新核的平均結(jié)合能比鈾核的小
解析：選B。核反應(yīng)過程中，質(zhì)量數(shù)守恒，所以裂變后粒子的總核子數(shù)不變，A錯(cuò)誤；設(shè)X原子核中有x個(gè)質(zhì)子，質(zhì)量數(shù)為y，則92＝x＋38，235＋1＝y(tǒng)＋95＋1×2，解得x＝54，y＝139，所以X原子核中含有中子數(shù)為y－x＝85，B正確；裂變釋放核能，所以有質(zhì)量虧損，C錯(cuò)誤；裂變釋放核能是因?yàn)樾潞说钠骄Y(jié)合能比鈾核的大，新核較穩(wěn)定，D錯(cuò)誤。
例2.裂變反應(yīng)是目前核能利用中常用的反應(yīng)，以原子核U為燃料的反應(yīng)堆中，俘獲一個(gè)慢中子后發(fā)生的裂變反應(yīng)可以有多種方式，其中一種方式可表示為：
反應(yīng)方程下方的數(shù)字是中子及有關(guān)原子核靜止時(shí)的質(zhì)量(以原子質(zhì)量單位u為單位)，已知1 u的質(zhì)量對應(yīng)的能量為931.5 MeV，求：
(1)該反應(yīng)中放出的能量是多少兆電子伏特？
(2)1 kg U全部裂變大約產(chǎn)生多少能量？(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)
解析：(1)裂變前后的質(zhì)量虧損為Δm＝mU＋mn－mXe－mSr－3mn
由質(zhì)能方程ΔE＝Δm×931.5 MeV，得：
ΔE＝(235.043 9－138.917 8－93.915 4－2×1.008 7)×931.5 MeV＝1.8×102 MeV。
(2)1 kg 的鈾核數(shù)為n＝×6.02×1023＝2.56×1024(個(gè))
故1 kg全部裂變產(chǎn)生的能量約為：
E＝n·ΔE＝2.56×1024×1.8×102 MeV＝4.6×1026 MeV＝7.4×1013 J。
例3.(多選)如圖是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對核反應(yīng)堆的下列說法中正確的是(　BC　)
A.鈾235容易吸收快中子發(fā)生裂變反應(yīng)
B.快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)
C.控制棒由鎘做成，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些
D.若要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)快一些
解析：選BC。根據(jù)鈾235的特點(diǎn)，它更容易吸收慢中子而發(fā)生裂變，A錯(cuò)誤；在反應(yīng)堆中減速劑的作用就是減少快中子能量從而更易讓鈾235吸收裂變，B正確；鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的劇烈程度取決于裂變釋放出的中子總數(shù)，鎘控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反應(yīng)的快慢，即插入的深，吸收的多，反應(yīng)將變慢，反之將加快，C正確，D錯(cuò)誤。
例4.原子反應(yīng)堆是實(shí)現(xiàn)可控制的重核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一種裝置，它主要由四部分組成，它們是(　A　)
A.原子燃料、慢化劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)
B.原子燃料、慢化劑、發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)
C.原子燃料、慢化劑、碰撞系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)
D.原子燃料、中子源、原子能存聚系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)
解析：選A。原子反應(yīng)堆是實(shí)現(xiàn)可控制的重核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一種裝置，它主要由原子燃料、慢化劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)四部分組成，故A正確。
易錯(cuò)易混點(diǎn)2.核聚變的理解和應(yīng)用
易錯(cuò)易混點(diǎn)辨析：
1.輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核的反應(yīng)叫聚變。
例如H＋H―→He＋n
2.聚變發(fā)生的條件
要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離達(dá)到10－15m以內(nèi)，核力才能起作用。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的庫侖斥力，這就要求原子核具有足夠的動(dòng)能，有一種方法就是把它們加熱到很高的溫度，溫度高達(dá)幾百萬開爾文，因此聚變又叫熱核反應(yīng)。
3.應(yīng)用：目前，熱核反應(yīng)主要用在核武器上，那就是氫彈，需要用原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)核爆炸。
4.太陽能：太陽的主要成分是氫，太陽中心溫度可達(dá)1.5×107K，在此高溫下，氫核聚變成氦核的反應(yīng)不停地進(jìn)行著，太陽能就來自于太陽內(nèi)部聚變釋放的核能。
5.輕核聚變是放能反應(yīng)：從平均結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后平均結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個(gè)放能反應(yīng)。
6.核聚變的特點(diǎn)
(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。
(2)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去。
(3)普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆。
7.重核裂變與輕核聚變的區(qū)別
反應(yīng)方式 比較項(xiàng)目 重核裂變 輕核聚變
原理 重核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的原子核放出核能 兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核放出核能
放能多少 聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個(gè)核子放出的能量大約要大3～4倍
廢料處理 聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡單得多
原料儲(chǔ)量 核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽?chǔ)量有限，尤其用于核裂變的235U在鈾礦石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的儲(chǔ)量非常豐富，1 L海水中大約有0.03 g氘，如果用來進(jìn)行熱核反應(yīng)放出的能量約與燃燒300 L汽油相當(dāng)
反應(yīng)控制 速度比較容易進(jìn)行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用裂變反應(yīng)釋放核能 目前正在突破關(guān)鍵技術(shù)，最終將建成商用核聚變電站
例5.2021年5月28日，在中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行，向核聚變能源應(yīng)用邁出重要一步。下列關(guān)于聚變的說法正確的是 (　　)
A.任何兩個(gè)原子核都可以發(fā)生聚變
B.兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前減小
C.兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的平均結(jié)合能減小
D.核聚變比核裂變更為安全、清潔，是目前利用核能的主要方式
解析：選B。只有兩個(gè)質(zhì)量數(shù)較小的原子核才可以聚變成一個(gè)中等質(zhì)量數(shù)的原子核，并不是任何兩個(gè)原子核都可以發(fā)生聚變，A錯(cuò)誤；核聚變反應(yīng)會(huì)放出大量的能量，根據(jù)質(zhì)能關(guān)系可知反應(yīng)會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損，兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前減小，平均結(jié)合能增大，B正確，C錯(cuò)誤；核聚變的最終產(chǎn)物是氦，無污染，而核裂變產(chǎn)生的固體核廢料具有放射性，因此核聚變更加清潔和安全，但是還不是目前利用核能的主要方式，D錯(cuò)誤。
例6.太陽現(xiàn)在正處于主序星演化階段，它主要是由電子和質(zhì)子、氦核等組成，維持太陽輻射的是它內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，核反應(yīng)為兩個(gè)電子與四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)楹ぁＲ阎柕馁|(zhì)量為2×1030 kg，太陽向周圍空間輻射能量的總功率為3.8×1026 W。
(1)寫出上述聚變反應(yīng)的方程式；
(2)已知質(zhì)子質(zhì)量mp＝1.67×10－27 kg，氦核質(zhì)量mα＝6.645 8×10－27 kg，電子質(zhì)量me＝9.0×10－31 kg，光速c＝3.0×108 m/s，求每發(fā)生一次上述核反應(yīng)所釋放的能量；
(3)根據(jù)題目中數(shù)據(jù)計(jì)算太陽1秒鐘減少的質(zhì)量。太陽還能用多少年？
解析：(1)根據(jù)聚變反應(yīng)滿足質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒得核反應(yīng)方程式為
2e＋4H→He。
(2)反應(yīng)中的質(zhì)量虧損Δm＝2me＋4mp－mα＝(2×9.0×10－31＋4×1.67×10－27－6.645 8×10－27)kg＝3.6×10－29 kg，由愛因斯坦質(zhì)能方程可知核反應(yīng)釋放的能量ΔE＝Δmc2＝3.6×10－29×(3.0×108)2 J＝3.24×10－12 J。
(3)太陽每秒釋放的能量為3.8×1026 J，則太陽每秒減少的質(zhì)量
Δm＝＝ kg＝4.2×109 kg
太陽還能用t＝＝ s＝4.76×1020 s＝1.5×1013年。
例7.太陽內(nèi)部有多種熱核反應(yīng)，其中的一個(gè)反應(yīng)方程是：H＋H→He＋x，若已知H的質(zhì)量為m1，H的質(zhì)量為m2，He的質(zhì)量為m3，x的質(zhì)量為m4，則下列說法中正確的是(　　)
A.x是質(zhì)子 B.x是電子
C.這個(gè)反應(yīng)釋放的核能為ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2 D.H和H在常溫下就能夠發(fā)生聚變
解析：選 C。根據(jù)核反應(yīng)方程質(zhì)量數(shù)和核電荷數(shù)守恒，可知x的電荷數(shù)是0，質(zhì)量數(shù)是1，所以x是中子，故AB錯(cuò)誤；由質(zhì)能方程可知，這個(gè)反應(yīng)釋放的核能為ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2；H和H只有在極高溫度下才能夠發(fā)生聚變反應(yīng)，故D錯(cuò)誤。
易錯(cuò)易混點(diǎn)3.新粒子的發(fā)現(xiàn)和離子的分類
易錯(cuò)易混點(diǎn)辨析：
1.發(fā)現(xiàn)新粒子
發(fā)現(xiàn)時(shí)間 1932年 1937年 1947年 60年代后
新粒子 反粒子 μ子 K介子 與π介子 超子
基本 特點(diǎn) 質(zhì)量與相對應(yīng)的粒子相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反 比質(zhì)子 的質(zhì)量小 質(zhì)量介于電子與質(zhì)子之間 其質(zhì)量比質(zhì)子大
按照粒子與各種相互作用的關(guān)系，可以將粒子分為三大類：強(qiáng)子、輕子和媒介子。
2.粒子的分類
分類 參與的相互作用 發(fā)現(xiàn)的粒子 備注
強(qiáng)子 參與強(qiáng)相互作用 質(zhì)子、中子、介子、超子 強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸克”構(gòu)成；強(qiáng)子又可分為介子和重子
輕子 不參與強(qiáng)相互作用 電子、電子中微子、μ子、μ子中微子，τ子、τ子中微子 未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)
媒介子 傳遞各種相互作用 光子、中間玻色子、膠子 光子、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強(qiáng)相互作用
3.夸克模型
(1)夸克的提出
1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。
(2)夸克的種類
上夸克(u) 、下夸克(d)、奇夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和頂夸克(t)。
(3)夸克所帶電荷
夸克所帶的電荷量是分?jǐn)?shù)電荷量，即其電荷量為元電荷的±或±。例如上夸克帶的電荷量為＋2e/3，下夸克帶的電荷量為－e/3。
例8.在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出。中微子的性質(zhì)十分特別，因此在實(shí)驗(yàn)中很難探測。1953年，萊尼斯和柯文建造了一個(gè)由大水槽和探測器組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用中微子與水中H的核反應(yīng)，間接地證實(shí)了中微子的存在。
(1)中微子與水中的H發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子(n)和正電子(e)，即：中微子＋H→n＋e
可以判定，中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是____。(填寫選項(xiàng)前的字母)
A.0和0　　　　　　　 B.0和1
C.1和0 D.1和1
(2)上述核反應(yīng)產(chǎn)生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后，可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子(γ)，即e＋e→2γ已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.1×10－31 kg，反應(yīng)中產(chǎn)生的每個(gè)光子的能量約為多少？正電子與電子相遇不可能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)光子，原因是什么？
解題指導(dǎo)：(1)由核反應(yīng)過程質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒判斷。
(2)根據(jù)E＝Δmc2和動(dòng)量守恒求解。
解析：(1)發(fā)生核反應(yīng)前后，粒子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均不變，據(jù)此可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都是0，A項(xiàng)正確。
(2)產(chǎn)生的能量是由于質(zhì)量虧損。兩個(gè)電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱悖瑒tE＝Δmc2，故一個(gè)光子的能量為，代入數(shù)據(jù)得＝8.2×10－14 J。正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體，故系統(tǒng)總動(dòng)量為零，所以如果只產(chǎn)生一個(gè)光子是不可能的，因?yàn)榇诉^程遵循動(dòng)量守恒定律。
例9.(多選)已知π＋介子、π－介子都是由一個(gè)夸克(夸克u或夸克d)和一個(gè)反夸克(反夸克或反夸克)組成的，它們帶電量如下表所示，表中e為元電荷。
π＋ π－ u d
帶電量 ＋e －e ＋e －e －e ＋e
下列說法正確的是(　　)
A.π＋由u和組成　 B.π＋由d和組成
C.π－由u和組成 D.π－由d和組成
解析：選AD。根據(jù)題目所給圖表可以知道各種粒子的帶電量，由電荷守恒定律可得A、D正確，B、C錯(cuò)誤。
針對訓(xùn)練
1.鈾235是核電站的主要核燃料，核反應(yīng)堆在工作時(shí)，鈾235既發(fā)生裂變，也發(fā)生衰變。鈾235裂變方程為U＋n→X＋Kr＋3n，衰變方程為U→Y＋He，則下列說法正確的是(　　)
A.上述裂變過程放出能量，衰變過程也放出能量 B.衰變產(chǎn)生的新核Y不再具有放射性
C.裂變產(chǎn)生的新核X中含有143個(gè)質(zhì)子 D.核裂變釋放能量產(chǎn)生的高溫會(huì)加快鈾235的衰變
2.(多選)太陽能源于其內(nèi)部的聚變反應(yīng)，太陽質(zhì)量也隨之不斷減少。若每次聚變反應(yīng)可看作4個(gè)氫核結(jié)合成1個(gè)氦核，太陽每秒鐘輻射的能量約為4.0×1026 J，下列說法正確的是 (　　)
A.該聚變反應(yīng)在常溫下也容易發(fā)生 B.太陽每秒鐘減少的質(zhì)量約為4.4×109 kg
C.該聚變的核反應(yīng)方程是4H→He＋2e D.要使聚變產(chǎn)生，必須克服庫侖斥力做功
3.(核能的理解與利用)如圖所示，“嫦娥三號”探測器由著陸器和月面巡視探測器(玉兔號)組成。為了維持“嫦娥三號”探測器的內(nèi)部儀器在月球夜晚極端低溫的環(huán)境下的溫度，“嫦娥三號”探測器安裝了“放射性同位素?zé)嵩础保渲杏玫搅撕四埽P(guān)于核能下列說法正確的是(　　)
A.核能是可再生能源 B.核能有利無害
C.原子彈利用了核聚變 D.太陽內(nèi)部氫核在高溫下發(fā)生聚變
4.(多選)如圖所示，核反應(yīng)堆通過可控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核能的釋放，核燃料是鈾棒，在鈾棒周圍放慢化劑，快中子和慢化劑中的碳原子核碰撞后，中子速度減少變?yōu)槁凶印Ｏ铝姓f法正確的是(　　)
A.慢化劑使快中子變?yōu)槁凶樱凶痈y被鈾核捕獲
B.裂變后的新核氪的平均結(jié)合能大于鈾核的平均結(jié)合能
C.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是指由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程
D.一個(gè)U裂變釋放的能量是200 MeV，則該核反應(yīng)中質(zhì)量虧損約為3.6×10－28 kg
5．2020年11月24日4時(shí)30分，我國用長征五號遙五運(yùn)載火箭成功發(fā)射“嫦娥五號”探測器。該探測器順利到達(dá)月球表面并取回1.73 kg月壤。氦3大量存在于月壤中，是未來的清潔能源。兩個(gè)氦3聚變的核反應(yīng)方程是He＋He→He＋2X＋12.86 MeV，已知氦3、氦4和X粒子的質(zhì)量分別為m1、m2和m3。下列說法正確的是(　　)
A.核裂變比核聚變更為安全、清潔 B.X粒子為中子
C.兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，平均結(jié)合能較聚變前增大
D.由核反應(yīng)過程質(zhì)量守恒可知2m1＝m2＋2m3
6.(多選)月球儲(chǔ)藏大量可控核聚變理想燃料氦－3(He)，2020年12月1日，我國嫦娥五號探測器成功著陸月面后開始“挖土”并成功帶回地面供科學(xué)研究。核聚變反應(yīng)方程為H＋H→He＋x或H＋He→He＋y。下列說法正確的是(　　)
A.x是中子 B.y是正電子
C.核聚變過程發(fā)生質(zhì)量虧損，釋放核能 D.He比He的原子核更穩(wěn)定
7．2020年12月4日，我國新一代“人造太陽”中國環(huán)流器二號M裝置在成都建成并實(shí)現(xiàn)首次放電，標(biāo)志著我國在核聚變反應(yīng)堆建設(shè)中處于世界前列。中國環(huán)流器二號M裝置內(nèi)主要核反應(yīng)是H＋H→He＋X，已知氘核的平均結(jié)合能是1.09 MeV、氚核的平均結(jié)合能是2.78 MeV、氦核的平均結(jié)合能是7.03 MeV，該聚變反應(yīng)中(　　)
A．X為質(zhì)子 B．X為電子
C．一次反應(yīng)釋放的核能為3.16 MeV D．一次反應(yīng)釋放的核能為17.6 MeV
8.由中科院等離子體物理研究所設(shè)計(jì)制造的EAST全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置試用已經(jīng)成功，標(biāo)志著我國站在了世界核聚變研究的前端。設(shè)可控?zé)岷朔磻?yīng)前氘核(H)的質(zhì)量為m1，氚核(H)的質(zhì)量為m2，反應(yīng)后氦核(He)的質(zhì)量為m3，中子(n)的質(zhì)量為m4，已知真空中的光速為c。下列說法中正確的是(　　)
A.這種核反應(yīng)放出的能量為(m1＋m2－m3－m4)c2
B.上述核反應(yīng)過程中原子核的平均結(jié)合能減小
C.這種核反應(yīng)釋放出氦核，是α衰變
D.這種裝置的核反應(yīng)原理與我國大亞灣核電站所使用核裝置的原理相同
9.中國在“人造太陽”方面的研究取得了較大的成就，“人造太陽”被評為2018年中國10大科技之一。其原理是一個(gè)質(zhì)量mD＝3.343 6×10－27 kg的氘核(H)與一個(gè)質(zhì)量mT＝5.008 5×10－27 kg的氚核(H)發(fā)生核聚變，結(jié)合后生成了一個(gè)質(zhì)量大小為m＝6.646 7×10－27 kg的新核，同時(shí)放出一個(gè)質(zhì)量mn＝1.675 0×10－27 kg的中子(n)，并釋放出大小為E的能量。(光的速度c＝3.0×108 m/s，結(jié)果保留三位有效數(shù)字)
(1)寫出“人造太陽”輕核聚變的方程式；
(2)求該聚變釋放的能量E。第五章 原子核
第四節(jié) 核裂變與核聚變
第五節(jié) “基本”粒子
[核心素養(yǎng)·明目標(biāo)]
核心素養(yǎng) 學(xué)習(xí)目標(biāo)
物理觀念 核裂變、核聚變、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、核電站、夸克模型。
科學(xué)思維 理解熱核反應(yīng)可能的控制方法。
科學(xué)探究 探究核電站的組成及工作原理。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任 (1)了解常用裂變反應(yīng)堆的類型，了解核電站及核能發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)。 (2)了解構(gòu)成物質(zhì)的“基本粒子”及粒子物理的發(fā)展史，初步了解宇宙的演化過程及宇宙與粒子和諧統(tǒng)一。
知識點(diǎn)一　重核裂變與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
情景導(dǎo)學(xué)：
1964年10月16日，中國第一顆原子彈在羅布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相當(dāng)于1.8萬噸TNT炸藥。爆炸時(shí)安放原子彈的鋼塔全部熔化，在半徑400 m的范圍內(nèi)，沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質(zhì)，半徑1 600 m范圍內(nèi)所有動(dòng)植物全部死亡。
(1)巨大的核能是從哪里來的？
(2)重核裂變是一種天然現(xiàn)象嗎？只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)嗎？
(3)在利用重核裂變制成的原子彈中，需不需要用鎘制成的控制棒？
答案提示：(1)鈾核的裂變。
(2)重核的裂變不能自發(fā)地進(jìn)行，只能發(fā)生在人工控制的核反應(yīng)中，故不是天然現(xiàn)象；只有達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件時(shí)，才會(huì)發(fā)生重核的裂變。
(3)不需要。
1.重核的裂變
(1)定義
用中子轟擊鈾核，發(fā)現(xiàn)鈾核分裂成質(zhì)量相近的兩部分，并釋放出能量，這種核反應(yīng)過程稱為核裂變。
(2)鈾核的裂變
①一種常見的核反應(yīng)方程：U＋n→Ba＋Kr＋3n。
②在不同的裂變反應(yīng)中，U核釋放的能量也不同。如果按照一個(gè)U核裂變時(shí)釋放200 MeV的能量來估算，1 kg的U全部裂變釋放出的核能相當(dāng)于兩千余噸標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒釋放的能量。
2.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
(1)定義：在U核裂變釋放出巨大能量的同時(shí)，平均每次可以放出2～3個(gè)中子，這些中子稱為第1代中子，如果其中至少有一個(gè)繼續(xù)轟擊U，使之發(fā)生裂變，就能產(chǎn)生第2代中子，這樣不斷繼續(xù)下去，中子會(huì)不斷增加，裂變反應(yīng)就會(huì)不斷加強(qiáng)，就形成了裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積稱為臨界體積。
(2)發(fā)生條件：鈾核的體積達(dá)到臨界體積。
思考與討論
(1)鈾核的裂變是一種天然放射現(xiàn)象嗎？
(2)鈾核裂變的核反應(yīng)方程是唯一的嗎？
答案提示：(1)不是。鈾核在受到中子轟擊后才發(fā)生裂變，不是天然放射現(xiàn)象。
(2)不是。鈾核裂變的生成物并不確定，所以其核反應(yīng)方程不是唯一的。
知識點(diǎn)二、反應(yīng)堆與核電站
1.核電站：利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆，它主要由以下幾部分組成：
(1)核燃料：反應(yīng)堆使用濃縮鈾(鈾235占3%～4%)制成鈾棒作為核燃料，釋放核能。
(2)減速劑：用石墨、重水或普通水，使裂變中產(chǎn)生的中子減速，以便被鈾235吸收。
(3)控制棒：為了控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒，它吸收中子的能力很強(qiáng)，反應(yīng)過于激烈時(shí)，可將其插入深一些，多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些，這種鎘棒叫做控制棒．
(4)水泥防護(hù)層：反應(yīng)堆外層是很厚的水泥壁，可防止射線輻射出去。
(5)熱交換器：靠水和液態(tài)金屬鈉在反應(yīng)堆內(nèi)外的循環(huán)流動(dòng)，把產(chǎn)生的熱量傳輸出去。
2.工作原理：核燃料裂變釋放的能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高。
3.能量輸出：核燃料裂變釋放的能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電。
4.核污染的處理：為避免射線對人體的傷害和放射性物質(zhì)對水源、空氣和工作場所造成的放射性污染，在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變反應(yīng)放出的各種射線，核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。
5.核電站與火電站相比有何優(yōu)缺點(diǎn)
(1)優(yōu)點(diǎn)：①核電站消耗的燃料很少。
②作為核燃料的鈾、釷等在地球上的可采儲(chǔ)量很大。
③火電站燒煤要放出很多污染物，而核電站放出的污染物要少得多。
(2)缺點(diǎn)：①一旦核泄漏會(huì)造成嚴(yán)重的核污染。
②核廢料處理比較困難。
知識點(diǎn)三　輕核聚變與可控?zé)岷司圩?br/>情景導(dǎo)學(xué)：
“大海航行靠舵手，萬物生長靠太陽。”沒有太陽，地球上就不可能有姿態(tài)萬千的生命現(xiàn)象。當(dāng)然也不會(huì)孕育出作為智能生物的人類。
(1)太陽是靠什么為地球生命提供巨大能量的呢？
(2)為什么實(shí)現(xiàn)核聚變要使聚變的核燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫？
答案提示：(1)現(xiàn)在地球上消耗的能量絕大部分來自太陽內(nèi)部的聚變反應(yīng)。
(2)輕核的聚變反應(yīng)，是較輕的核子聚合成較重的原子核，要使得核子的強(qiáng)相互作用發(fā)揮作用，必須使核子間的距離達(dá)到10－15 m以內(nèi)；兩原子核相互靠近時(shí)要克服庫侖斥力做功，而由于原子核之間在此距離時(shí)的庫侖斥力十分巨大，因而需要核子有很大的動(dòng)能，表現(xiàn)在宏觀上就是核燃料需要達(dá)到極高的溫度。
1.輕核聚變
(1)定義：采用輕核聚變成較重核引起結(jié)合能變化的方式可獲得核能。這樣的核反應(yīng)稱為核聚變。
(2)太陽內(nèi)部的核聚變：太陽內(nèi)部氫核聚變的反應(yīng)方程為H＋H→He＋n，平均每個(gè)核子釋放的結(jié)合能約為3.5 MeV，要比裂變中平均每個(gè)核子釋放的能量大得多。
(3)輕核聚變的優(yōu)點(diǎn)：聚變反應(yīng)不僅能釋放巨大的能量，而且所用的燃料容易獲得。氘可從海水中提取，天然的氚不存在，但可通過核反應(yīng)n＋Li→He＋H得到。
2.可控?zé)岷司圩?br/>(1)熱核聚變的條件：要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的間距達(dá)到核力作用的范圍。以氘核發(fā)生聚變?yōu)槔仨氃诖蠹s108 K高溫下，使氘核獲得至少70 keV的動(dòng)能才能達(dá)到核力作用的范圍而發(fā)生核聚變。
(2)物質(zhì)第四態(tài)：輕核聚變溫度到達(dá)108 K，在這樣的高溫下，原子已完全電離，形成了物質(zhì)第四態(tài)——等離子態(tài)。
(3)約束等離子體的三種方式：磁約束、慣性約束。
①磁約束：利用磁場約束參加反應(yīng)的物質(zhì)，目前最好的一種磁約束裝置是環(huán)流器。
②慣性約束：聚變物質(zhì)因自身的慣性，在極短時(shí)間內(nèi)來不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)，在慣性約束下，用激光從各個(gè)方向照射反應(yīng)物，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。
思考與討論：
為什么輕核的聚變反應(yīng)能夠比重核的裂變反應(yīng)釋放更多的核能？
答案提示：因?yàn)楹茌p的原子核比較重的原子核的核子平均質(zhì)量更大，聚變成質(zhì)量較大的原子核能產(chǎn)生更多的質(zhì)量虧損，所以平均每個(gè)核子釋放的能量就更大。
知識點(diǎn)四 “基本粒子”不基本
1.“基本”粒子
19世紀(jì)末，許多人認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本粒子。
2.發(fā)現(xiàn)新粒子
(1)從20世紀(jì)起科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了400多種不同種類的新粒子，它們不是由質(zhì)子、中子、電子組成。
(2)科學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也是復(fù)合粒子，且還有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
3.探測工具
粒子加速器和粒子探測器是研究粒子物理的主要工具。
4.新粒子
1932年發(fā)現(xiàn)了正電子,1937年發(fā)現(xiàn)了μ子,1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和π介子及以后的超子等。
5.粒子的分類
按照粒子與各種相互作用的關(guān)系，可將粒子分為三大類：強(qiáng)子、輕子和媒介子。
6.夸克模型
組成強(qiáng)子的粒子有六種夸克，分為上夸克和下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克，所帶電荷分別為元電荷的±或±，每種夸克都有對應(yīng)的反夸克，夸克不能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)。
易錯(cuò)易混點(diǎn)1.核裂變的理解和應(yīng)用
易錯(cuò)易混點(diǎn)辨析：
1.裂變過程放出能量的原因
中等大小的原子核的平均結(jié)合能最大，這些核最穩(wěn)定。如果使較重的核分裂成中等大小的核，核子的平均結(jié)合能會(huì)增加，發(fā)生質(zhì)量虧損并釋放出能量。
2.U兩種典型的裂變方程
U＋n→Xe＋Sr＋2n
U＋n→Ba＋Kr＋3n
3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件
(1)鈾塊的體積大于或等于臨界體積。體積超過臨界體積時(shí)，保證中子能夠碰到鈾核。
(2)有足夠濃度的鈾235。
(3)有足夠數(shù)量的慢中子。
4.核反應(yīng)堆——核電站的心臟：裂變反應(yīng)堆是核電站的心臟，它是一種人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置，可以使核能較平緩地釋放出來，裂變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)和工作原理見表：
組成部分 材料 作用
裂變材料 (核燃料) 濃縮鈾 U 提供核燃料
慢化劑 (減速劑) 石墨、重水或普通水 使裂變產(chǎn)生的快中子減速
控制棒 鎘 吸收減速后的中子，控制反應(yīng)速度
反射層 石墨 阻止中子逃逸
冷卻劑 普通水、重水、氦、二氧化碳等 產(chǎn)生高溫蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電
防護(hù)層 金屬套和鋼筋混凝土 防止射線對人體及其他生物體的侵害
5.核反應(yīng)堆與原子彈爆炸的比較：原子彈爆炸時(shí)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度是無法控制的，為了用人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使核能比較平緩地釋放出來，人們制成了核反應(yīng)堆(核電站的核心設(shè)施)。核反應(yīng)堆是人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置。
6.核反應(yīng)堆
原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可以在人工控制下進(jìn)行，使核能較平緩地釋放出來，這樣釋放的核能就可以為人類的和平建設(shè)服務(wù)，裂變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)和工作原理如下表所示：
組成部分 材料 作用
裂變材料(核燃料) 濃縮鈾(U) 提供核燃料
慢化劑(減速劑) 石墨、重水或普通水 使裂變產(chǎn)生的快速中子減速
控制棒 鎘 吸收減速后的中子，控制反應(yīng)速度
反射層 石墨 阻止中子逃逸
熱交換器 水 產(chǎn)生高溫蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電
防護(hù)層 金屬套和鋼筋混凝土 防止射線對人體及其他生物體的侵害
7.解題規(guī)律總結(jié)
(1)重核裂變是中子轟擊質(zhì)量較大的原子核，使之分裂成中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)釋放大量的能量，放出更多的中子的過程。
(2)重核的裂變是放能核反應(yīng)，原因是核反應(yīng)前后有質(zhì)量虧損，根本原因是重核的平均結(jié)合能相比中等質(zhì)量的核的平均結(jié)合能要小。所以在重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)中等質(zhì)量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時(shí)得到的能量。
(3)重核的裂變方程仍然符合質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。
例1.“華龍一號”福清核電站5號機(jī)組首次并網(wǎng)成功，標(biāo)志著我國正式進(jìn)入核電技術(shù)先進(jìn)國家行列。“華龍一號”利用的是鈾核裂變釋放的核能，其裂變方程為U＋n→X＋Sr＋2n，則下列敘述正確的是(　　)
A.裂變后粒子的總核子數(shù)減少 B.X原子核中含有85個(gè)中子
C.裂變反應(yīng)前后質(zhì)量沒有變化 D.裂變后新核的平均結(jié)合能比鈾核的小
解析：選B。核反應(yīng)過程中，質(zhì)量數(shù)守恒，所以裂變后粒子的總核子數(shù)不變，A錯(cuò)誤；設(shè)X原子核中有x個(gè)質(zhì)子，質(zhì)量數(shù)為y，則92＝x＋38，235＋1＝y(tǒng)＋95＋1×2，解得x＝54，y＝139，所以X原子核中含有中子數(shù)為y－x＝85，B正確；裂變釋放核能，所以有質(zhì)量虧損，C錯(cuò)誤；裂變釋放核能是因?yàn)樾潞说钠骄Y(jié)合能比鈾核的大，新核較穩(wěn)定，D錯(cuò)誤。
例2.裂變反應(yīng)是目前核能利用中常用的反應(yīng)，以原子核U為燃料的反應(yīng)堆中，俘獲一個(gè)慢中子后發(fā)生的裂變反應(yīng)可以有多種方式，其中一種方式可表示為：
反應(yīng)方程下方的數(shù)字是中子及有關(guān)原子核靜止時(shí)的質(zhì)量(以原子質(zhì)量單位u為單位)，已知1 u的質(zhì)量對應(yīng)的能量為931.5 MeV，求：
(1)該反應(yīng)中放出的能量是多少兆電子伏特？
(2)1 kg U全部裂變大約產(chǎn)生多少能量？(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)
解析：(1)裂變前后的質(zhì)量虧損為Δm＝mU＋mn－mXe－mSr－3mn
由質(zhì)能方程ΔE＝Δm×931.5 MeV，得：
ΔE＝(235.043 9－138.917 8－93.915 4－2×1.008 7)×931.5 MeV＝1.8×102 MeV。
(2)1 kg 的鈾核數(shù)為n＝×6.02×1023＝2.56×1024(個(gè))
故1 kg全部裂變產(chǎn)生的能量約為：
E＝n·ΔE＝2.56×1024×1.8×102 MeV＝4.6×1026 MeV＝7.4×1013 J。
例3.(多選)如圖是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對核反應(yīng)堆的下列說法中正確的是(　BC　)
A.鈾235容易吸收快中子發(fā)生裂變反應(yīng)
B.快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)
C.控制棒由鎘做成，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些
D.若要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)快一些
解析：選BC。根據(jù)鈾235的特點(diǎn)，它更容易吸收慢中子而發(fā)生裂變，A錯(cuò)誤；在反應(yīng)堆中減速劑的作用就是減少快中子能量從而更易讓鈾235吸收裂變，B正確；鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的劇烈程度取決于裂變釋放出的中子總數(shù)，鎘控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反應(yīng)的快慢，即插入的深，吸收的多，反應(yīng)將變慢，反之將加快，C正確，D錯(cuò)誤。
例4.原子反應(yīng)堆是實(shí)現(xiàn)可控制的重核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一種裝置，它主要由四部分組成，它們是(　A　)
A.原子燃料、慢化劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)
B.原子燃料、慢化劑、發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)
C.原子燃料、慢化劑、碰撞系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)
D.原子燃料、中子源、原子能存聚系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)
解析：選A。原子反應(yīng)堆是實(shí)現(xiàn)可控制的重核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一種裝置，它主要由原子燃料、慢化劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)四部分組成，故A正確。
易錯(cuò)易混點(diǎn)2.核聚變的理解和應(yīng)用
易錯(cuò)易混點(diǎn)辨析：
1.輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核的反應(yīng)叫聚變。
例如H＋H―→He＋n
2.聚變發(fā)生的條件
要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離達(dá)到10－15m以內(nèi)，核力才能起作用。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的庫侖斥力，這就要求原子核具有足夠的動(dòng)能，有一種方法就是把它們加熱到很高的溫度，溫度高達(dá)幾百萬開爾文，因此聚變又叫熱核反應(yīng)。
3.應(yīng)用：目前，熱核反應(yīng)主要用在核武器上，那就是氫彈，需要用原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)核爆炸。
4.太陽能：太陽的主要成分是氫，太陽中心溫度可達(dá)1.5×107K，在此高溫下，氫核聚變成氦核的反應(yīng)不停地進(jìn)行著，太陽能就來自于太陽內(nèi)部聚變釋放的核能。
5.輕核聚變是放能反應(yīng)：從平均結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后平均結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個(gè)放能反應(yīng)。
6.核聚變的特點(diǎn)
(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。
(2)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去。
(3)普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆。
7.重核裂變與輕核聚變的區(qū)別
反應(yīng)方式 比較項(xiàng)目 重核裂變 輕核聚變
原理 重核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的原子核放出核能 兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核放出核能
放能多少 聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個(gè)核子放出的能量大約要大3～4倍
廢料處理 聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡單得多
原料儲(chǔ)量 核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽?chǔ)量有限，尤其用于核裂變的235U在鈾礦石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的儲(chǔ)量非常豐富，1 L海水中大約有0.03 g氘，如果用來進(jìn)行熱核反應(yīng)放出的能量約與燃燒300 L汽油相當(dāng)
反應(yīng)控制 速度比較容易進(jìn)行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用裂變反應(yīng)釋放核能 目前正在突破關(guān)鍵技術(shù)，最終將建成商用核聚變電站
例5.2021年5月28日，在中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行，向核聚變能源應(yīng)用邁出重要一步。下列關(guān)于聚變的說法正確的是 (　　)
A.任何兩個(gè)原子核都可以發(fā)生聚變
B.兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前減小
C.兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的平均結(jié)合能減小
D.核聚變比核裂變更為安全、清潔，是目前利用核能的主要方式
解析：選B。只有兩個(gè)質(zhì)量數(shù)較小的原子核才可以聚變成一個(gè)中等質(zhì)量數(shù)的原子核，并不是任何兩個(gè)原子核都可以發(fā)生聚變，A錯(cuò)誤；核聚變反應(yīng)會(huì)放出大量的能量，根據(jù)質(zhì)能關(guān)系可知反應(yīng)會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損，兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前減小，平均結(jié)合能增大，B正確，C錯(cuò)誤；核聚變的最終產(chǎn)物是氦，無污染，而核裂變產(chǎn)生的固體核廢料具有放射性，因此核聚變更加清潔和安全，但是還不是目前利用核能的主要方式，D錯(cuò)誤。
例6.太陽現(xiàn)在正處于主序星演化階段，它主要是由電子和質(zhì)子、氦核等組成，維持太陽輻射的是它內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，核反應(yīng)為兩個(gè)電子與四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)楹ぁＲ阎柕馁|(zhì)量為2×1030 kg，太陽向周圍空間輻射能量的總功率為3.8×1026 W。
(1)寫出上述聚變反應(yīng)的方程式；
(2)已知質(zhì)子質(zhì)量mp＝1.67×10－27 kg，氦核質(zhì)量mα＝6.645 8×10－27 kg，電子質(zhì)量me＝9.0×10－31 kg，光速c＝3.0×108 m/s，求每發(fā)生一次上述核反應(yīng)所釋放的能量；
(3)根據(jù)題目中數(shù)據(jù)計(jì)算太陽1秒鐘減少的質(zhì)量。太陽還能用多少年？
解析：(1)根據(jù)聚變反應(yīng)滿足質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒得核反應(yīng)方程式為
2e＋4H→He。
(2)反應(yīng)中的質(zhì)量虧損Δm＝2me＋4mp－mα＝(2×9.0×10－31＋4×1.67×10－27－6.645 8×10－27)kg＝3.6×10－29 kg，由愛因斯坦質(zhì)能方程可知核反應(yīng)釋放的能量ΔE＝Δmc2＝3.6×10－29×(3.0×108)2 J＝3.24×10－12 J。
(3)太陽每秒釋放的能量為3.8×1026 J，則太陽每秒減少的質(zhì)量
Δm＝＝ kg＝4.2×109 kg
太陽還能用t＝＝ s＝4.76×1020 s＝1.5×1013年。
例7.太陽內(nèi)部有多種熱核反應(yīng)，其中的一個(gè)反應(yīng)方程是：H＋H→He＋x，若已知H的質(zhì)量為m1，H的質(zhì)量為m2，He的質(zhì)量為m3，x的質(zhì)量為m4，則下列說法中正確的是(　　)
A.x是質(zhì)子 B.x是電子
C.這個(gè)反應(yīng)釋放的核能為ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2 D.H和H在常溫下就能夠發(fā)生聚變
解析：選 C。根據(jù)核反應(yīng)方程質(zhì)量數(shù)和核電荷數(shù)守恒，可知x的電荷數(shù)是0，質(zhì)量數(shù)是1，所以x是中子，故AB錯(cuò)誤；由質(zhì)能方程可知，這個(gè)反應(yīng)釋放的核能為ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2；H和H只有在極高溫度下才能夠發(fā)生聚變反應(yīng)，故D錯(cuò)誤。
易錯(cuò)易混點(diǎn)3.新粒子的發(fā)現(xiàn)和離子的分類
易錯(cuò)易混點(diǎn)辨析：
1.發(fā)現(xiàn)新粒子
發(fā)現(xiàn)時(shí)間 1932年 1937年 1947年 60年代后
新粒子 反粒子 μ子 K介子 與π介子 超子
基本 特點(diǎn) 質(zhì)量與相對應(yīng)的粒子相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反 比質(zhì)子 的質(zhì)量小 質(zhì)量介于電子與質(zhì)子之間 其質(zhì)量比質(zhì)子大
按照粒子與各種相互作用的關(guān)系，可以將粒子分為三大類：強(qiáng)子、輕子和媒介子。
2.粒子的分類
分類 參與的相互作用 發(fā)現(xiàn)的粒子 備注
強(qiáng)子 參與強(qiáng)相互作用 質(zhì)子、中子、介子、超子 強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸克”構(gòu)成；強(qiáng)子又可分為介子和重子
輕子 不參與強(qiáng)相互作用 電子、電子中微子、μ子、μ子中微子，τ子、τ子中微子 未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)
媒介子 傳遞各種相互作用 光子、中間玻色子、膠子 光子、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強(qiáng)相互作用
3.夸克模型
(1)夸克的提出
1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。
(2)夸克的種類
上夸克(u) 、下夸克(d)、奇夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和頂夸克(t)。
(3)夸克所帶電荷
夸克所帶的電荷量是分?jǐn)?shù)電荷量，即其電荷量為元電荷的±或±。例如上夸克帶的電荷量為＋2e/3，下夸克帶的電荷量為－e/3。
例8.在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出。中微子的性質(zhì)十分特別，因此在實(shí)驗(yàn)中很難探測。1953年，萊尼斯和柯文建造了一個(gè)由大水槽和探測器組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用中微子與水中H的核反應(yīng)，間接地證實(shí)了中微子的存在。
(1)中微子與水中的H發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子(n)和正電子(e)，即：中微子＋H→n＋e
可以判定，中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是____。(填寫選項(xiàng)前的字母)
A.0和0　　　　　　　 B.0和1
C.1和0 D.1和1
(2)上述核反應(yīng)產(chǎn)生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后，可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子(γ)，即e＋e→2γ已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.1×10－31 kg，反應(yīng)中產(chǎn)生的每個(gè)光子的能量約為多少？正電子與電子相遇不可能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)光子，原因是什么？
解題指導(dǎo)：(1)由核反應(yīng)過程質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒判斷。
(2)根據(jù)E＝Δmc2和動(dòng)量守恒求解。
解析：(1)發(fā)生核反應(yīng)前后，粒子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均不變，據(jù)此可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都是0，A項(xiàng)正確。
(2)產(chǎn)生的能量是由于質(zhì)量虧損。兩個(gè)電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱悖瑒tE＝Δmc2，故一個(gè)光子的能量為，代入數(shù)據(jù)得＝8.2×10－14 J。正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體，故系統(tǒng)總動(dòng)量為零，所以如果只產(chǎn)生一個(gè)光子是不可能的，因?yàn)榇诉^程遵循動(dòng)量守恒定律。
例9.(多選)已知π＋介子、π－介子都是由一個(gè)夸克(夸克u或夸克d)和一個(gè)反夸克(反夸克或反夸克)組成的，它們帶電量如下表所示，表中e為元電荷。
π＋ π－ u d
帶電量 ＋e －e ＋e －e －e ＋e
下列說法正確的是(　　)
A.π＋由u和組成　 B.π＋由d和組成
C.π－由u和組成 D.π－由d和組成
解析：選AD。根據(jù)題目所給圖表可以知道各種粒子的帶電量，由電荷守恒定律可得A、D正確，B、C錯(cuò)誤。
針對訓(xùn)練
1.鈾235是核電站的主要核燃料，核反應(yīng)堆在工作時(shí)，鈾235既發(fā)生裂變，也發(fā)生衰變。鈾235裂變方程為U＋n→X＋Kr＋3n，衰變方程為U→Y＋He，則下列說法正確的是(　　)
A.上述裂變過程放出能量，衰變過程也放出能量 B.衰變產(chǎn)生的新核Y不再具有放射性
C.裂變產(chǎn)生的新核X中含有143個(gè)質(zhì)子 D.核裂變釋放能量產(chǎn)生的高溫會(huì)加快鈾235的衰變
解析:選A。根據(jù)核反應(yīng)的特點(diǎn)可知，裂變與衰變都放出能量，A正確；Y原子核中含有的電荷數(shù)為92－2＝90，大于83，是具有放射性的，B錯(cuò)誤；根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，可知X的質(zhì)量數(shù)為144，電荷數(shù)為56，即質(zhì)子數(shù)為56，C錯(cuò)誤；半衰期的大小與溫度無關(guān)，D錯(cuò)誤。
2.(多選)太陽能源于其內(nèi)部的聚變反應(yīng)，太陽質(zhì)量也隨之不斷減少。若每次聚變反應(yīng)可看作4個(gè)氫核結(jié)合成1個(gè)氦核，太陽每秒鐘輻射的能量約為4.0×1026 J，下列說法正確的是 (　　)
A.該聚變反應(yīng)在常溫下也容易發(fā)生 B.太陽每秒鐘減少的質(zhì)量約為4.4×109 kg
C.該聚變的核反應(yīng)方程是4H→He＋2e D.要使聚變產(chǎn)生，必須克服庫侖斥力做功
解析:選BD。聚變時(shí)，要使輕核之間的距離達(dá)到10－15 m，所以要使聚變產(chǎn)生，必須克服原子核間庫侖斥力做功。核子必須有足夠的動(dòng)能，才能使它們的間距達(dá)到核力作用的范圍。實(shí)驗(yàn)證明，輕核必須處在幾百萬攝氏度的高溫環(huán)境中才有這樣的能量，所以核聚變反應(yīng)也叫熱核反應(yīng)，故A錯(cuò)誤，D正確；根據(jù)ΔE＝Δmc2可知太陽每秒鐘減少的質(zhì)量約為Δm＝＝ kg＝4.4×109 kg，故B正確；根據(jù)氫核的聚變過程中質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，可知其反應(yīng)方程為4H→He＋2e，故C錯(cuò)誤。
3.(核能的理解與利用)如圖所示，“嫦娥三號”探測器由著陸器和月面巡視探測器(玉兔號)組成。為了維持“嫦娥三號”探測器的內(nèi)部儀器在月球夜晚極端低溫的環(huán)境下的溫度，“嫦娥三號”探測器安裝了“放射性同位素?zé)嵩础保渲杏玫搅撕四埽P(guān)于核能下列說法正確的是(　　)
A.核能是可再生能源 B.核能有利無害
C.原子彈利用了核聚變 D.太陽內(nèi)部氫核在高溫下發(fā)生聚變
解析:選D。核能是不可再生能源，故A錯(cuò)誤；核能清潔無污染，但是核輻射、核泄漏等危害很大，故B錯(cuò)誤；原子彈利用了核裂變，故C錯(cuò)誤；太陽內(nèi)部氫核在高溫下發(fā)生聚變，故D正確。
4.(多選)如圖所示，核反應(yīng)堆通過可控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核能的釋放，核燃料是鈾棒，在鈾棒周圍放慢化劑，快中子和慢化劑中的碳原子核碰撞后，中子速度減少變?yōu)槁凶印Ｏ铝姓f法正確的是(　　)
A.慢化劑使快中子變?yōu)槁凶樱凶痈y被鈾核捕獲
B.裂變后的新核氪的平均結(jié)合能大于鈾核的平均結(jié)合能
C.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是指由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程
D.一個(gè)U裂變釋放的能量是200 MeV，則該核反應(yīng)中質(zhì)量虧損約為3.6×10－28 kg
解析:選BCD。中子的速度不能太快，否則無法被鈾核捕獲，裂變反應(yīng)不能進(jìn)行下去，A錯(cuò)誤；重核裂變會(huì)有質(zhì)量虧損，會(huì)釋放核能，平均結(jié)合能大的原子核更穩(wěn)定，故新核氪的平均結(jié)合能大于鈾核的平均結(jié)合能，B正確；鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是指由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，C正確；根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程可知，一個(gè)U裂變釋放的能量是200 MeV，此過程中的質(zhì)量虧損為Δm＝＝3.6×10－28 kg，D正確。
5．2020年11月24日4時(shí)30分，我國用長征五號遙五運(yùn)載火箭成功發(fā)射“嫦娥五號”探測器。該探測器順利到達(dá)月球表面并取回1.73 kg月壤。氦3大量存在于月壤中，是未來的清潔能源。兩個(gè)氦3聚變的核反應(yīng)方程是He＋He→He＋2X＋12.86 MeV，已知氦3、氦4和X粒子的質(zhì)量分別為m1、m2和m3。下列說法正確的是(　　)
A.核裂變比核聚變更為安全、清潔 B.X粒子為中子
C.兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，平均結(jié)合能較聚變前增大
D.由核反應(yīng)過程質(zhì)量守恒可知2m1＝m2＋2m3
解析：選C。核聚變需要在超高溫、高壓的條件下才能發(fā)生反應(yīng)，一旦條件不滿足就會(huì)停止反應(yīng)，且沒有放射性污染，比核裂變更為安全、清潔，A錯(cuò)誤；據(jù)電荷數(shù)守恒及質(zhì)量數(shù)守恒可確定X粒子為質(zhì)子，B錯(cuò)誤；兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，平均結(jié)合能較聚變前增大，C正確；核反應(yīng)過程有質(zhì)量虧損，故2m1>m2＋2m3，D錯(cuò)誤。
6.(多選)月球儲(chǔ)藏大量可控核聚變理想燃料氦－3(He)，2020年12月1日，我國嫦娥五號探測器成功著陸月面后開始“挖土”并成功帶回地面供科學(xué)研究。核聚變反應(yīng)方程為H＋H→He＋x或H＋He→He＋y。下列說法正確的是(　　)
A.x是中子 B.y是正電子
C.核聚變過程發(fā)生質(zhì)量虧損，釋放核能 D.He比He的原子核更穩(wěn)定
解析:選AC根據(jù)核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知，x的質(zhì)量數(shù)為1，電荷數(shù)為0，則x為中子；y的質(zhì)量數(shù)為1，電荷數(shù)為1，則y為質(zhì)子，A正確，B錯(cuò)誤；核聚變過程發(fā)生質(zhì)量虧損，釋放核能，C正確；因反應(yīng)放出核能，則He比He的原子核更穩(wěn)定，D錯(cuò)誤。
7．2020年12月4日，我國新一代“人造太陽”中國環(huán)流器二號M裝置在成都建成并實(shí)現(xiàn)首次放電，標(biāo)志著我國在核聚變反應(yīng)堆建設(shè)中處于世界前列。中國環(huán)流器二號M裝置內(nèi)主要核反應(yīng)是H＋H→He＋X，已知氘核的平均結(jié)合能是1.09 MeV、氚核的平均結(jié)合能是2.78 MeV、氦核的平均結(jié)合能是7.03 MeV，該聚變反應(yīng)中(　　)
A．X為質(zhì)子 B．X為電子
C．一次反應(yīng)釋放的核能為3.16 MeV D．一次反應(yīng)釋放的核能為17.6 MeV
解析:選D。根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒可知，X為中子，故A、B錯(cuò)誤；氘核的平均結(jié)合能是1.09 MeV、氚核的平均結(jié)合能是2.78 MeV、氦核的平均結(jié)合能是7.03 MeV，一次反應(yīng)釋放的核能為7.03×4 MeV－3×2.78 MeV－2×1.09 MeV＝17.6 MeV，故D正確，C錯(cuò)誤。
8.由中科院等離子體物理研究所設(shè)計(jì)制造的EAST全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置試用已經(jīng)成功，標(biāo)志著我國站在了世界核聚變研究的前端。設(shè)可控?zé)岷朔磻?yīng)前氘核(H)的質(zhì)量為m1，氚核(H)的質(zhì)量為m2，反應(yīng)后氦核(He)的質(zhì)量為m3，中子(n)的質(zhì)量為m4，已知真空中的光速為c。下列說法中正確的是(　　)
A.這種核反應(yīng)放出的能量為(m1＋m2－m3－m4)c2
B.上述核反應(yīng)過程中原子核的平均結(jié)合能減小
C.這種核反應(yīng)釋放出氦核，是α衰變
D.這種裝置的核反應(yīng)原理與我國大亞灣核電站所使用核裝置的原理相同
解析：選A。可控?zé)岷朔磻?yīng)裝置中發(fā)生的核反應(yīng)方程是H＋H→He＋n，核反應(yīng)過程中存在質(zhì)量虧損，因此m1＋m2＞m3＋m4，核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損Δm＝m1＋m2－m3－m4，釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2；因輕核聚變反應(yīng)釋放巨大的核能，則生成物的平均結(jié)合能增大；這種核反應(yīng)是核聚變反應(yīng)，不是自發(fā)發(fā)生的α衰變；這種裝置的核反應(yīng)原理是核聚變，我國大亞灣核電站所使用核裝置的原理是核裂變，它們的核反應(yīng)原理不相同，A正確，B、C、D錯(cuò)誤。
9.中國在“人造太陽”方面的研究取得了較大的成就，“人造太陽”被評為2018年中國10大科技之一。其原理是一個(gè)質(zhì)量mD＝3.343 6×10－27 kg的氘核(H)與一個(gè)質(zhì)量mT＝5.008 5×10－27 kg的氚核(H)發(fā)生核聚變，結(jié)合后生成了一個(gè)質(zhì)量大小為m＝6.646 7×10－27 kg的新核，同時(shí)放出一個(gè)質(zhì)量mn＝1.675 0×10－27 kg的中子(n)，并釋放出大小為E的能量。(光的速度c＝3.0×108 m/s，結(jié)果保留三位有效數(shù)字)
(1)寫出“人造太陽”輕核聚變的方程式；
(2)求該聚變釋放的能量E。
解析：(1)輕核聚變的方程式：
H＋H→He＋n。
(2)輕核聚變中質(zhì)量虧損為：
Δm＝mD＋mT－m－mn＝3.343 6×10－27 kg＋5.008 5×10－27 kg－6.646 7×10－27－1.675 0×10－2 kg＝0.030 4×10－27 kg
輕核聚變釋放的能量：
E＝Δmc2＝0.030 4×10－27×(3×108)2 J≈2.74×10－12 J。

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