資源簡介

較重的核分裂成中等大小的核，較小的核合并成中等大小的核的過程中，都有可能釋放出能量。核電站以及原子彈、氫彈等核武器，利用的就是這些核能。在這些裝置中，核能是怎樣被轉化和使用的呢？
新課導入
5.4核裂變與核聚變　5.5“基本”粒子
1938年底，德國物理學家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾核的過程中發現，生成物中有原子序數為56的元素鋇。
奧地利物理學家邁特納和弗里施對此做出了解釋，鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質量差不多的碎塊。弗里施借用細胞分裂的生物學名詞，把這類核反應定名為核裂變。
哈恩
邁特納
弗里施
學習任務一
學習任務一 核裂變的發現
核裂變：重核受粒子打擊，分裂成質量較小的核，釋放核能的反應。
1.核裂變
⑴鈾核裂變的一種典型情形
中子轟擊鈾235
中間產物鈾236
氪89
鋇144
3個中子
????????????????????????+????????????→????????????????????????????+????????????????????????+????????????????
?
（最典型的一種核反應方程式）
⑵鈾核的三分裂、四分裂
1947年我國著名物理學家錢三強、何澤慧夫婦在巴黎首先觀察到中子轟擊鈾核的三分裂和四分裂現象。
鈾核裂變的產物是多種多樣的，其他裂變方程還有:
????????????????????????+????????????→????????????????????????????+????????????????????????+????????????????
?
????????????????????????+????????????→????????????????????????????+????????????????????????+????????????????????
?
二分裂
三分裂
四分裂
概率：
當一個中子引起一個重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且由重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續下去的過程，這種反應叫核裂變的鏈式反應。
⑴定義：
2.鏈式反應
（2）臨界體積和臨界質量：使裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積叫做它的臨界體積，相應的質量叫做臨界質量。
鈾塊的大小是鏈式反應能否進行的重要因素。
原子核的體積非常小，原子內部的空隙很大，如果鈾塊不夠大，中子在鈾塊中通過時，就有可能不到鈾核而跑到鈾核外面去，鏈式反應不能繼續。只有當鈾核足夠大時，裂變產生的中子才有足夠的概率打中某個核，使鏈式反應進行下去。通常把裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積叫做它的臨界體積，相應的質量叫做臨界質量
（3）鏈式反應的條件:
①有足夠濃度的鈾235
②有足夠數量的慢中子
③發生裂變物質的體積大于臨界體積或裂變物質的質量大于臨界質量。
發生鏈式反應
爆炸
足以維持鏈反應正常進行的裂變材料質量叫臨界質量(critical mass)。 鈾-235 的臨界質量約為 1 kg，質量超過1 kg 則發生爆炸。
發生鏈式反應的條件：鈾塊的質量大于臨界質量，或者鈾塊的體積大于臨界體積。
『想一想』
如圖為核裂變示意圖。
(1)重核裂變是一種天然現象嗎？
(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產生鏈式反應嗎？
答案：(1)不是　(2)不能
解析：重核的裂變不能自發地進行，只能發生在人工控制的核反應中，只有達到鏈式反應的條件時，才會發生重核的裂變。
3.核裂變釋放大量的能量
一個鈾235核裂變時釋放的能量如果200MeV估算，1kg鈾235全部裂變時放出的能量就相當于2800t標準煤完全燃燒時釋放的化學能!
原子彈是利用重核的裂變反應制成的,高純度的鈾或钚超過臨界體積時發生鏈式反應,在極短時間內能夠釋放大量核能，發生猛裂爆炸。
原子彈
拓展學習
原子彈的結構有“內爆式”和“槍式”兩種。
通過可控制的鏈式反應來釋放核能的裝置。
1.反應堆：
“熱中子（慢中子）”核反應堆示意圖
水泥防護層
控制棒——鎘棒
燃料棒—鈾棒
減速劑
⑴燃料：鈾棒
⑵慢化劑：為了使裂變產生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，常用的慢化劑有石墨、重水或普通水。
⑶控制棒：在鈾棒之間插入一些鎘棒，利用鎘棒吸收中子的能力很強來控制反應速度。鎘棒插入的越深，吸收的中子就越多，鏈式反應的速度就越慢，這樣的鎘棒叫控制棒。
⑷水泥防護層：屏蔽射線防止放射性污染。
熱中子反應堆的核燃料是鈾棒，成分是天然鈾或濃縮鈾（鈾235的含量占2%?4%）。
中子的速度不能太快，否則會與鈾235“擦肩而過”，鈾核不能“捉”住它，不能發生核裂變。實驗證明，速度與熱運動速度相當的中子最適于引發核裂變。這樣的中子就是“熱中子”，或稱慢中子。
學習任務二 反應堆與核電站
學習任務二
2.核電站
核電站工作流程
第一回路中的水被泵壓入反應堆，通過堆芯時核心反應放出的熱使水的內能增加，水溫升高。第一回路的水進入交換器，把熱量傳給第二回路的水，然后又被泵壓回反應堆。
在熱交換器內，第二回路中的水被回熱生成高溫高壓蒸汽，驅動汽輪機運轉。
⑴核電站工作流程
例2 [2023·邯鄲一中月考] 2020年11月27日,“華龍一號”全球首堆——中核集團福清核電5號機組首次并網成功,其內核是如圖所示的核反應堆,關于核反應下列說法中正確的是 (　)
A.圖示裝置的核反應類型是人工轉變
B.要使核反應速度減慢,可以將鈾棒插入得更深
C.裂變反應的燃料是鈾,反應過程有質量虧損
D.石墨起到降低反應溫度的作用
學習任務二
C
[解析]圖示裝置的核反應類型是核裂變,A錯誤;
將鈾棒插入得更深,中子接觸的鈾更多,反應加劇,B錯誤;
裂變反應的燃料是鈾,反應過程有質量虧損,C正確;
石墨主要是將快中子變為慢中子,D錯誤.
兩個輕核結合成質量較大的核的核反應。
1.核聚變
一個氘核與一個氚核結合成一個氦核時（同時放出一個中子），釋放17.6MeV的能量，平均每個核子放出的能量在3MeV以上，比裂變反應中平均每個核子放出的能量大3-4倍，核反應方程：
????????????+????????????→????????????????+????????????+????????.????????????????
?
其他聚變反應方程:
學習任務三 核聚變
學習任務三
要使輕核發生核聚變，必須使它們的距離達到10-15 m以內，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。也就是說，原子核要有很大的動能才會“撞”到一起。什么辦法能使大量原子核獲得足夠的動能而發生核聚變呢？
當物質的溫度達到幾百萬開爾文時，劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能，可以克服庫侖斥力，碰撞時十分接近，發生核聚變。因此，核聚變又叫熱核反應。熱核反應一旦發生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就會使反應繼續下去。
⑵對物質加熱到很高的溫度108～109K
⑴用加速器加速原子核
（1）反應物質量相同的情況下聚變放出的能量比裂變多，產能效率高。相同的核燃料，反應中產生的能量比較多。
（2）地球上聚變燃料的儲量豐富。每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6億億立方米的水，大約有40萬億噸氘。氚可以利用鋰來制取，地球上鋰儲量有2000億噸。
（3）輕核聚變更為安全、清潔。高溫不能維持反應就能自動終止，聚變產生的氦是沒有放射性的。
（4）反應中放射物質的處理較容易，遺留物對環境污染小。氘和氚聚變反應中產生的氦是沒有放射性的，放射性廢物主要是泄漏的氚以及聚變時高速中子、質子與其他物質反應而生成的放射性物質，比裂變所生成的廢物的數量少，容易處理。
可控核聚變（熱核反應）的優越性：
例3 目前地球上消耗的能量絕大部分來自太陽內部核聚變時釋放的核能.
(1)如果將太陽內部聚變時的核反應簡化為4個氫核(11H)聚變生成1個氦核(24He)和2個正電子.請你寫出此核反應方程.
?
學習任務三
[答案] 411H→24He+210e
?
[解析]由質量數守恒和電荷數守恒可得核反應方程為411H→24He+210e
?
例3 目前地球上消耗的能量絕大部分來自太陽內部核聚變時釋放的核能.
(2)天文學家估測:太陽已有50億年的歷史了.有人認為:50億年來,因釋放核能而帶來的太陽質量變化幾乎可以忽略.請你通過計算說明這種觀點的合理性.
可能用到的數據:光速為c=3×108 m/s,太陽的質量約為M0=2×1030 kg,太陽輻射的總功率為P0=4×1026 W,1年≈3×107 s.
學習任務三
[解析] 50億年太陽輻射的總能量為ΔE=P0t
根據ΔE=Δmc2可知,50億年太陽損失的總質量為Δm=Δ????????2
損失的總質量與太陽質量之比Δ????????0≈0.03%
所以這種說法合理.
?
變式2 (多選)[2023·北京八中期末] 太陽的能量來源是輕核的聚變,太陽中存在的主要元素是氫,核聚變反應可以看作是4個氫核(11H)結合成1個氦核同時放出2個正電子.下表中列出了部分粒子的質量(取1 u=16×10-26 kg).以下說法正確的是 ( 　)
A.核反應方程為411H→24He+210e
B.4個氫核結合成1個氦核時的質量虧損約為0.026 6 kg
C.4個氫核結合成1個氦核時的質量虧損約為4.43×10-29 kg
D.聚變反應過程中釋放的能量約為4.0×10-12 J
?
學習任務三
ACD
粒子名稱
質子(p)
α粒子
正電子(e)
中子(n)
質量/u
1.007 3
4.001 5
0.000 55
1.008 7
學習任務三
[解析]由核反應的質量數守恒及電荷數守恒得411H→24He+210e,A正確;
反應中的質量虧損為Δm=4mp-mα-2me=(4×1.007 3-4.001 5-2×0.000 55) u=0.026 6 u=4.43×10-29 kg,B錯誤,C正確;
由質能方程得ΔE=Δmc2=4.43×10-29×(3×108)2 J≈4×10-12 J,D正確.
?
【要點總結】
學習任務三
1.重核裂變與輕核聚變的區別
2.熱核反應的優越性
(1)相同質量的核燃料,熱核反應所釋放的能量比較多.
(2)熱核反應產物基本上是穩定的氦核,生成的廢物易處理.
(3)熱核反應所用的燃料——氘和氚在地球上儲量豐富.
?
重核裂變
輕核聚變
放能原理
　重核分裂成兩個或多個中等質量的原子核,放出核能
　兩個輕核結合成質量較大的原子核,放出核能
放能多少
　聚變反應比裂變反應中平均每個核子放出的能量多
[物理觀念] 19世紀末,人們認為原子是組成物質的不可再分的最小微粒,但電子、質子和中子的發現使人們知道原子是可以再分的,人們把光子、電子、質子和中子叫作　　　　　　.?
(1)新粒子的發現
學習任務四 “基本”粒子
學習任務四
基本粒子　
發現時間
1932年
1937年
1947年
40年代后
新粒子
正電子
μ子
K介子與π介子
超子
學習任務四
(2)粒子的分類
分類
參與的
相互作用
發現的粒子
備注
強子
參與強相
互作用
質子、中子
強子有內部結構,由“夸克”組成
輕子
不參與強
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
未發現內部結構
規范玻
色子
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、強相互作用
希格斯
玻色子
?
?
希格斯玻色子是希格斯場的量子激發,基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質量
(3)實驗中發現,對應著許多粒子都存在著質量、壽命、自旋等物理性質與它相同而電荷等其他性質　　　　的粒子,叫作反粒子.?
相反
例4 粒子的分類
(1)強子:是　　　　(填“參與”或“不參與”)強相互作用的粒子.　　　　和
　　　　都是強子.?
(2)輕子:　　　　(填“參與”或“不參與”)強相互作用.　　　　、電子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已發現的輕子.?
(3)規范玻色子:是　　　　各種相互作用的粒子,如　　　　、中間玻色子(W和Z玻色子)、膠子.?
(4)希格斯玻色子:是希格斯場的量子激發.
學習任務四
參與　
質子
中子　
不參與
電子
傳遞
光子
1.核裂變的發現
⑴重核裂變：重核分裂成質量較小的核，釋放核能的反應的過程，如92235U+01n→56144????????+3689????r+301n
?
⑵鏈式反應：由重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續下去的過程
⑶鏈式反應的條件：鈾的純度和鈾塊大小
2.反應堆與核電站
3.核聚變
⑴核聚變：兩個輕核結合成一個質量較大的核
⑶核聚變的條件：加熱到幾百萬卡爾文（熱核反應）
⑷核聚變的例子：太陽、氫彈
課堂小結
12H+13H→24He+01n
?
⑵
核聚變反應：
⑴發現新粒子
粒子的分類
⑵
4.基本粒子
課后習題
1．什么是核裂變？什么是鏈式反應？
課后習題
2．在核反應堆中，用什么方法控制核裂變的速度？
2.在核反應堆中，主要通過調節控制棒(鎘棒)的位置控制核裂變的速度。
課后習題
3．什么是核聚變？核聚變過程中的能量轉化有什么特點？
3.兩個輕核結合成質量較大的核，這樣的核反應叫作核聚變。從比結合能圖線看，核聚變后比結合能增加，因此反應中要釋放能量。
課后習題
4．請分析：在地球上實現受控熱核反應的必要性、可能性和困難是什么？
4.必要性：由于地球上化石燃料和核裂變材料的儲量有限，開發核聚變能非常重要，并且是一項十分緊迫的任務。各國科學家都在加緊研究，以期盡快在地球上制造出人類自己的“太陽”,緩解甚至消除能源危機的困擾。
可能性：地球上核聚變燃料的儲量豐富。每升水中含有0.03g氘，地球上的河流、湖泊、
海洋等有138.6億億立方米的水，有40多億噸氘。反應中所用的氚可以利用鋰來提取，地球上鋰的儲量有2000億噸，用來制取氚足以滿足核聚變的需要。
困難：地球上沒有任何容器能夠經受住熱核反應所需要的高溫。
課后習題
5.在一個反應堆中用石墨做慢化劑使快中子減速。碳核的質量是中子的12倍，假設中子與碳核的每次碰撞都是彈性正碰，而且認為碰撞前碳核都是靜止的。
（1）設碰撞前中子的動能是E0，經過一次碰撞，中子失去的動能是多少？
（2）至少經過多少次碰撞，中子的動能才能小于10-6E0？
課后習題
6.秦山核電站第一期工程裝機容量為3×108W。如果1g鈾235完全核裂變時產生的能量為8.2×1010J，并且假定所產生的能量都變成了電能，那么每年要消耗多少鈾235？
7.太陽的總輸出功率為3.8×1026W，它來自三種核反應，這些反應的最終結果是氫轉變為氦24????????。按照總輸出功率計算，太陽每秒失去多少質量？
?
課后習題
課后習題
1.請設計和繪制一個合理的表格，在表格中填入相關的內容，全面概括你對粒子分類的了解
課后習題
2.查找華人科學家在粒子物理領域的成果和事跡，寫一篇文章，并與同學交流。

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