資源簡介

第五章　4.　5.
基礎達標練
1．(多選)下列所述正確的是( 　　)
A．強子是參與強相互作用的粒子
B．輕子是不參與強相互作用的粒子
C．膠子是輕子中的一種粒子
D．微觀粒子是通過交換規范玻色子發生相互作用
答案：ABD
解析：強子是參與強相互作用的粒子，質子是最早發現的強子，故A正確；輕子是不參與強相互作用的粒子，電子是最早發現的輕子，故B正確；膠子是負責在兩個夸克之間傳遞強作用力的基本粒子，類似光子負責在兩個帶電粒子之間傳遞電磁力一般，膠子無質量，可知膠子不是輕子，故C錯誤；粒子之間的基本相互作用是通過交換某種粒子來傳遞的，即基本相互作用都是由媒介粒子傳遞的，這類媒介粒子統稱為規范玻色子，即微觀粒子是通過交換規范玻色子發生相互作用，故D正確。
2．下列說法不正確的是( 　　)
A．核裂變反應中慢化劑的作用是使中子更適于引發核裂變
B．人工產生的熱核反應主要用在核武器上，例如氫彈
C．原子彈是利用重核裂變的鏈式反應制成的
D．通常把核裂變物質能夠發生鏈式反應的最大體積稱為它的臨界體積
答案：D
解析：核裂變反應中慢化劑的作用是使中子減速，更適于引發核裂變，A正確；人工產生的熱核反應指輕核聚變，主要用在核武器上，例如氫彈，B正確；原子彈是利用重核裂變的鏈式反應制成的，C正確；通常把核裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積稱為它的臨界體積，D錯誤。
3．(多選)日本福島第一核電站在地震后，數秒內就將控制棒插入核反應堆內，終止了鈾的裂變鏈式反應。但海嘯摧毀了機組的冷卻系統，因裂變遺留的產物銫、鋇等繼續衰變不斷釋放能量，核燃料棒溫度不斷上升，對周邊環境產生了巨大的危害。則下列說法正確的是( 　　)
A．控制棒通過吸收中子來實現對核反應的控制
B．控制棒插入核反應堆芯后，被吸收的中子數量變多
C．核裂變遺留物銫、鋇等原子的質量可能比鈾原子質量大
D．核泄漏中放射性物質對人類是有害的
答案：ABD
解析：控制棒通過吸收中子來實現對核反應速度的控制，故A、B正確；核泄漏中放射性物質對周邊環境產生了巨大的危害，故D正確； 因為核裂變反應有能量釋放，可知銫、鋇等原子的質量比鈾原子質量小，故C錯誤。
4．(2024·河南許昌一模)2024年1月6日，“華龍一號”4號機組內穹頂吊裝就位，我國“華龍一號”是當前核電市場接受度最高的三代核電機型之一，其全面建成有力支撐了我國由核電大國向核電強國的跨越。核反應堆是利用中子轟擊重核發生裂變反應，釋放出大量核能。U＋n―→Ba＋Kr＋aX是反應堆中發生的許多核反應中的一種，X是某種粒子，a是X粒子的個數，用mU、mBa、mKr分別表示U、Ba、Kr核的質量，mX表示X粒子的質量，c為真空中的光速。以下說法正確的是( 　　)
A．X為中子，a＝2
B．太陽就是一個巨大的鈾核裂變反應堆
C．上述核反應中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2
D．鈾塊體積必須達到臨界體積，有質子通過時，才能發生鏈式反應
答案：C
解析：由電荷數守恒知X的電荷數為0，故X為中子，由質量數守恒知a＝3，故A錯誤；太陽發生的是輕核聚變，所以太陽是一個巨大的熱核反應堆，故B錯誤；由題意知，核反應過程中的質量虧損Δm＝mU＋mX－mBa－mKr－3mX，由質能方程可知，釋放的核能ΔE＝Δmc2＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2，故C正確；根據鏈式反應的條件可知，鈾塊體積必須達到臨界體積，有中子通過時，才能發生鏈式反應，故D錯誤。
5．中國核工業集團新一代可控核聚變研究裝置“中國環流器二號M”，取得了聚變溫度1.5億攝氏度、等離子體電流2.5兆安培的重要進展，在這個全球競爭的聚變科學項目中一直保持著領先。關于核聚變反應，下列說法正確的是( 　　)
A．核聚變反應原理簡單，比裂變反應容易實現
B．兩個輕核結合成質量較大的核，核子的比結合能增加
C．太陽目前正在進行的核反應既有聚變反應，也有裂變反應
D．核聚變反應的核反應方程可能是H＋H―→He＋2n
答案：B
解析：核聚變反應原理簡單，但需要極高的溫度，所以比裂變反應更難實現，選項A錯誤；兩個輕核結合成質量較大的核的過程中要釋放能量，核子的平均質量減小，比結合能增加，選項B正確；太陽目前正在進行的核反應是聚變反應，選項C錯誤；根據核反應中質量數守恒和電荷數守恒可知，D項中的核反應方程不正確，正確的可能為H＋H―→He＋n。
6．(2024·青海模擬預測)宇宙中一些熾熱的恒星通過熱核反應正源源不斷地向外輻射能量，其中一種熱核反應為2H―→X＋n，若H、X的比結合能分別為E1、E2，光在真空中傳播的速度為c，下列說法正確的是( 　　)
A．該反應是吸熱反應
B．核反應中的X為He
C．X的中子數為1
D．核反應中質量虧損為
答案：C
解析：由題意可知該核反應為放熱反應，故A錯誤；根據核反應前后質量數、電荷數守恒，可知X為He，故B錯誤；X的中子數為3－2＝1，故C正確；核反應中質量虧損為Δm＝＝，故D錯誤。
7．目前普遍認為，質子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克的兩類夸克組成的，u夸克帶電荷量為＋e，d夸克帶電荷量為－e，e為元電荷，下列論斷可能正確的是( 　　)
A．質子由1個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成
B．質子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成
C．質子由1個u夸克和2個d夸克組成，中子由2個u夸克和1個d夸克組成
D．質子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和1個d夸克組成
答案：B
解析：題目中給出的信息是u夸克與d夸克帶的電荷量，故應從質子所帶電荷為e，中子不帶電荷的角度考慮，經過分析知B項正確。
8．太陽中含有大量的氘核，因氘核不斷發生核反應釋放大量的核能，以光和熱的形式向外輻射。若已知兩個氘核H聚變產生一個中子n和一個氦核He。已知氘核質量為2.013 6 u，氦核質量為3.015 0 u，中子質量為1.008 7 u,1 u的質量相當于931.5 MeV的能量。則：
(1)寫出核反應方程；
(2)求核反應中釋放的核能；
(3)兩氘核以相等的動能0.35 MeV進行對心碰撞，并且核能全部轉化為機械能，求反應中產生的中子和氦核的動能。
答案：(1)H＋H―→He＋n
(2)3.26 MeV
(3)2.97 MeV　0.99 MeV
解析：(1)核反應方程為H＋H―→He＋n。
(2)核反應過程中質量減少了
Δm＝2×2.013 6 u－1.008 7 u－3.015 0 u＝0.003 5 u
釋放的核能ΔE＝0.003 5×931.5 MeV≈3.26 MeV。
(3)據動量守恒定律得p1＋p2＝0
而E＝，又mHe＝3mn，則En＝3EHe
由能量守恒定律得En＋EHe＝ΔE＋2Ek
代入數據解得En＝2.97 MeV，EHe＝0.99 MeV。
能力提升練
9.K－介子衰變方程為K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子是帶負電的基元電荷，π0介子不帶電。一個K－介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中，其軌跡為圓弧AP，衰變后產生的π－介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點相切，它們的半徑RK－與Rπ－之比為2∶1，如圖所示，π0介子的軌跡未畫出，由此可知π－介子的動量大小與π0介子的動量大小之比為( 　　)
A．1∶1 B．1∶2
C．1∶3 D．1∶6
答案：C
解析：因為RK－＝，Rπ－＝，它們的半徑RK－與Rπ－之比為2∶1，因電荷量相同，則＝，K－介子在P點發生衰變，衰變后π－介子的運動方向與K－介子相反，衰變過程動量守恒：pK－＝－pπ－＋pπ0，解得pπ0＝pK－＋pπ－＝3pπ－，所以有＝，選項C正確。
10．(多選)在核電站中，核反應堆釋放的核能被轉化為電能。核反應堆的工作原理是利用中子轟擊鈾核發生裂變反應，釋放出大量核能。已知核反應方程式U＋n―→Ba＋Kr＋aX是反應堆中發生的眾多反應中的一種，其中U的相對原子質量是235.043 9 u(單位原子質量1 u＝1.66×10－27 kg)，每次該核反應釋放出的核能為173.8 MeV。現有一座核電站發電能力為3.6×106 kW，核能轉化為電能的效率為45%，假定反應堆中發生的裂變全是本題中的核反應，下列說法正確的是( 　　)
A．X是n，a＝3
B．為使核反應堆持續正常工作，必須由外界不斷地向鈾塊射入高速中子流
C．該裂變反應每次釋放出的核能與氫原子光譜中波長最短的一個光子的能量相當
D．該核電站每年(1年按3×107 s計算)消耗的鈾核質量約為3.4 t
答案：AD
解析：據電荷數守恒知X是n，據質量數守恒知a＝235＋1－141－92＝3，故A正確；核反應過程中產生中子，故不需要一直由外界射入高速中子流，故B錯誤；氫原子光譜波長最短的光子能量為13.6 eV，該裂變反應每次釋放出的核能為173.8 MeV，兩者不相等，故C錯誤；此核電站一年產生的電能為E電＝Pt。設質量為M的鈾核提供的能量為E總＝ΔE，又知E電＝ηE總，可得M≈3.4×103 kg＝3.4 t，故D正確。
11．(2024·河北一模)統計顯示，一座百萬千瓦電功率的核電廠和燃煤電廠相比，每年可以減少二氧化碳排放600多萬噸，可見核能是減排效應較大的能源之一。下列對于鈾235相關的核反應的描述中，說法正確的是( 　　)
A．鈾塊的體積越小，越容易發生鏈式反應
B．發生鏈式反應的核反應方程為U―→Ba＋Kr＋2n
C．在核反應堆中，中子的速度越快，鈾核越容易發生核裂變
D．核反應堆中，在鈾棒之間插入一些鎘棒，主要是為了調節中子數量，控制反應速度
答案：D
解析：要使鏈式反應發生，鈾塊必須達到臨界體積，故A錯誤；只有中子轟擊鈾核，才能發生裂變反應，其方程為U＋n―→Ba＋Kr＋3n，故B錯誤；在核反應堆中，中子的速度越快，會與鈾235“擦肩而過”，鈾核越不容易發生核裂變，故C錯誤；核反應堆中，在鈾棒之間插入一些鎘棒，可以吸收中子，主要是為了調節中子數量，控制反應速度，故D正確。
12．(多選)圖示為當前普遍使用的“慢中子”核反應堆的示意圖，鈾棒是核燃料，一種典型的鈾核裂變方程為U＋n―→Ba＋Kr＋3n，用重水作慢化劑可使快中子減速。假設中子與重水中的氘核(H)的每次碰撞都是彈性正碰，而且認為碰撞前氘核是靜止的，氘核的質量是中子的兩倍，則下列說法正確的是( 　　)
A．鋇核(Ba)的比結合能比鈾核(U)的大
B．若碰撞前中子的動能為E0，經過一次彈性碰撞，中子動能變成E0
C．鎘棒插入深一些可增大鏈式反應的速度
D．水泥防護層可用來屏蔽裂變產物放出的射線
答案：ABD
解析：鈾核在裂變過程中，釋放出核能，表明鋇核比鈾核更加穩定，所以鋇核的比結合能要比鈾核的大，故A正確；根據動量守恒定律有mnv0＝mnv1＋mHv2，根據能量守恒定律有mnv＝mnv＋mHv，由于氘核的質量是中子的兩倍，解得v1＝－v0，v2＝v0，可知mnv＝mn2＝×mnv＝E0，故B正確；鎘棒插入越深，則鎘棒吸收中子數越多，鏈式反應速度越小，故C錯誤；水泥防護層可以屏蔽裂變產物放出的射線，故D正確。
13．“軌道電子俘獲”是放射性同位素衰變的一種形式，它是指原子核(稱為母核)俘獲一個核外電子，使其內部的一個質子變為中子，并放出一個中微子，從而變成一個新核(稱為子核)的過程。中微子的質量遠小于質子的質量，且不帶電，很難被探測到，人們最早就是通過核的反沖而間接證明中微子的存在的。一個靜止的原子核發生“軌道電子俘獲”，衰變為子核并放出中微子，下列說法正確的是( 　　)
A．母核的質量數小于子核的質量數
B．母核的電荷數大于子核的電荷數
C．子核的動量與中微子的動量相同
D．子核的動能大于中微子的動能
答案：B
解析：原子核(稱為母核)俘獲一個核外電子，使其內部的一個質子變為中子，并放出一個中微子，從而變成一個新核(稱為子核)的過程。電荷數少1，質量數不變，故A錯誤，B正確；原子核(稱為母核)俘獲電子的過程中動量守恒，初狀態系統的總動量為0，則子核的動量和中微子的動量大小相等，方向相反，故C錯誤；子核的動量大小和中微子的動量大小相等，由于中微子的質量很小，根據Ek＝，知中微子的動能大于子核的動能，故D錯誤，故選B。
14．太陽現在正處于主序星演化階段，它主要是由電子和質子、氦核等組成，維持太陽輻射的是它內部的核聚變反應，核反應為兩個電子與四個質子聚變為氦。已知太陽的質量為2×1030 kg，太陽向周圍空間輻射能量的總功率為3.8×1026 W。
(1)寫出上述聚變反應的方程；
(2)已知質子質量mp＝1.67×10－27 kg，氦核質量mα＝6.645 8×10－27 kg，電子質量me＝9.0×10－31 kg，光速c＝3.0×108 m/s，求每發生一次上述核反應所釋放的能量；
(3)根據題目中數據計算太陽1秒鐘減少的質量。求太陽還能用多少年？
答案：(1)2e＋4H―→He　(2)3.24×10－12 J
(3)4.2×109 kg　1.5×1013年
解析：(1)根據聚變反應滿足質量數、電荷數守恒得核反應方程為2e＋4H―→He。
(2)反應中的質量虧損
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，
由愛因斯坦質能方程可知核反應釋放的能量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量Δm＝＝ kg＝4.2×109 kg，
太陽還能用t＝＝ s≈4.76×1020 s，
＝1.5×1013年。
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第五章　原子核
4．核裂變與核聚變
5．“基本”粒子
目標體系構建
1．知道核裂變反應及鏈式反應的條件。
2．知道裂變反應堆的工作原理，知道核電站的工作流程。
3．了解聚變反應及條件。會判斷和填寫核聚變方程，并能計算聚變釋放的能量。
4．初步了解粒子物理學的基礎知識及粒子的分類。
1．知道什么是裂變、聚變和鏈式反應，知道鏈式反應和聚變的條件。
2．會書寫裂變和聚變方程，會利用質量虧損計算裂變和聚變產生的核能。
3．了解核反應堆的工作原理，知道如何控制核反應的速度。
4．了解粒子的發現史。
5．知道粒子的分類及特點，了解夸克模型。
課前預習反饋
知識點 1
1．核裂變：重核被______轟擊后分裂成兩個質量差不多的新原子核，并放出______的過程。
核裂變的發現
3．鏈式反應：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，且能不斷繼續下去，這種由重核裂變產生的中子使________反應一代一代繼續下去的過程，叫作核裂變的__________。
4．鏈式反應的條件：發生裂變物質的體積大于__________或裂變物質的質量大于__________。
中子
核能
核裂變
鏈式反應
臨界體積
臨界質量
『判一判』
(1)只要鈾塊的體積大于臨界體積，就可以發生鏈式反應。( 　　)
(2)重核裂變釋放出大量能量，產生明顯的質量虧損，所以核子數要減小。( 　　)
×
×
『選一選』
鈾核裂變時，對于產生鏈式反應的重要因素，下列說法中正確的是( 　　)
A．重要因素是鈾塊的質量，與體積無關
B．為了使裂變的鏈式反應容易發生，最好直接利用裂變時產生的中子
C．若鈾235的體積超過它的臨界體積，裂變的鏈式反應就能夠發生
D．能否發生鏈式反應與鈾塊的質量無關
答案：C
解析：要使鈾核裂變產生鏈式反應，鈾塊的體積必須大于臨界體積或鈾塊的質量大于臨界質量，只要組成鈾塊的體積小于臨界體積，或質量小于臨界質量就不會產生鏈式反應。裂變反應中產生的中子為快中子，這些快中子不能直接引發新的裂變。如果鈾塊的質量大，則其體積大，若超過臨界體積則發生鏈式反應，由此知A、B、D錯誤，C正確。
知識點 2
1.核能釋放的控制：通過可控制的鏈式反應實現核能釋放的裝置稱為__________。
2．慢化劑：反應堆中，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______、______和________(也叫輕水)。
3．控制棒：為了控制反應速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒，它吸收______的能力很強，反應過于激烈時，可將其插入____一些，多吸收一些______，鏈式反應的速度就會慢一些，這種鎘棒叫作________。
反應堆與核電站
核反應堆
石墨
重水
普通水
中子
深
中子
控制棒
4．能量輸出：核燃料______釋放的能量使反應區溫度升高，水或液態的金屬鈉等流體在反應堆外__________，把反應堆內的______傳輸出去，用于______。
說明：核裂變是可以控制的，如核電站的建立和應用。
『判一判』
(3)核反應堆是通過調節中子數目以控制反應速度。( 　　)
裂變
循環流動
熱量
發電
√
『選一選』
(2024·遼寧丹東二模)核電作為清潔低碳、安全高效、穩定且可大規模發展的綠色低碳能源，在推動綠色發展和助力“雙碳”目標實現方面發揮著重要的作用。據統計，一座百萬千瓦電功率的核電廠和燃煤電廠相比，每年可以減少二氧化碳排放600多萬噸，可見核能是減排效應較大的能源之一。下列關于核反應的說法正確的是( 　　)
A．重核裂變過程中能釋放能量而輕核聚變過程中只吸收能量
答案：C
知識點 3
1.定義：兩個輕核結合成__________的核，這樣的核反應叫作________。
核聚變
3．條件：(1)輕核的距離要達到_____________以內。
(2)需要加熱到很高的______，因此又叫__________。
4．優點：(1)輕核聚變____________。
(2)地球上__________的儲量豐富。
(3)輕核聚變更為____________。
5．約束方法有________和慣性約束。
質量較大
核聚變
10－15 m
溫度
熱核反應
產能效率高
聚變燃料
安全、清潔
磁約束
『判一判』
(4)核聚變平均每個核子放出的能量，比裂變反應中平均每個核子放出的能量大。( 　　)
(5)實現核聚變的難點是地球上沒有任何容器能夠經受如此高的溫度。( 　　)
(6)質子、中子不能再分。( 　　)
(7)太陽目前正處于氫通過熱核反應成為氦，以電磁波的形式向外輻射核能。( 　　)
√
√
×
√
『想一想』
萬物生長靠太陽(如圖)，太陽在我們日常生活中是不可替代的，它提供給地球足夠的能源，如果說太陽一旦沒有了，那么地球上的一切生物都將隨之消失。
你知道太陽的能量來源嗎？
提示：來源于太陽內部的核聚變反應。
知識點 4
1.基本粒子不基本
(1)直到19世紀末，人們都認為______、電子、______和中子是基本粒子。
(2)隨著科學的發展，科學家們發現了很多的新粒子并不是由以上__________組成的，并發現______、______等本身也有復雜結構。
粒子
光子
質子
基本粒子
質子
中子
2．發現新粒子
(1)新粒子：1932年發現了________,1937年發現了______，1947年發現了__________和________及以后的超子等。
(2)粒子的分類：大體可分為______、______、規范玻色子和希格斯玻色子幾種類型。
(3)夸克模型的提出：1964年美國物理學家蓋爾曼提出了強子的夸克模型，認為強子是由______構成的。
說明：反粒子最顯著的特點是當它們與相應的正粒子相遇時，會發生“湮滅”，即同時消失而轉化成其他的粒子。
正電子
μ子
K介子
π介子
強子
輕子
夸克
課內互動探究
探究?
重核的裂變及鏈式反應
要點提煉
1.鈾核的裂變
(1)核子受激發：當中子進入鈾235后，便形成了處于激發狀態的復核，復核中由于核子的激烈運動，使核變成不規則的形式。
(2)核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出2～3個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣裂變就會不斷進行下去，釋放出越來越多的核能。
(3)常見的裂變方程：
2．鏈式反應的條件
(1)要有足夠濃度的235U。
(2)要有足夠數量的慢中子。
(3)鈾塊的體積要大于臨界體積。
3．裂變反應的能量
鈾核裂變為中等質量的原子核，發生質量虧損，所以放出能量。一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200 MeV估算，1 kg鈾235全部裂變放出的能量相當于2 800 t標準煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產生幾百萬度的高溫。
典例剖析
1．(多選)關于鈾核裂變，下列說法正確的是( 　　)
A．鈾核裂變的產物是多種多樣的，但只能裂變成兩種不同的核
B．鈾核裂變時還能同時釋放2～3個中子
C．為了使裂變的鏈式反應容易進行，最好用鈾235而不用鈾238
D．鈾塊的體積對產生鏈式反應無影響
答案：BC
解析：鈾核裂變成兩塊的情況居多，也有裂變成多塊的情形；每個鈾核裂變會放出2～3個中子，故A錯誤，B正確；鈾235受中子的轟擊時，裂變的概率大，而鈾238只能俘獲能量在1 MeV以上的中子才能引起裂變，且裂變的概率小，故C正確；要引起鏈式反應，需使鈾塊體積大于或等于臨界體積，故D錯誤。
關于重核的裂變，以下說法正確的是( 　　)
A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量
B．中子從鈾塊中通過時，一定發生鏈式反應
C．重核裂變釋放出大量能量，產生質量虧損，所以核子數要減少
D．重核的核子的平均質量大于中等質量核的核子的平均質量，所以重核裂變為中等質量的核時，要發生質量虧損，放出核能
答案：D
對點訓練
解析：鈾核俘獲中子而裂變，裂變時釋放的能量遠大于其俘獲中子時吸收的能量，故A錯誤；鏈式反應是有條件的，鈾塊的體積必須大于臨界體積，且中子速度也有要求，故B錯誤；重核裂變為中等質量的核時，發生質量虧損，放出核能，但核子數守恒，故C錯誤，D正確。
探究?
核電站
要點提煉
1.核電站的主要組成
核電站的核心設施是核反應堆 ，反應堆用的核燃料是鈾235，它的主要部件列表如下：
部件名稱 慢化劑 控制棒 熱循環介質 保護層
采用的
材料 石墨、重水或普通水(也叫輕水) 鎘 水或液態鈉 很厚的水泥外殼
作用 降低中子速度，便于鈾235吸收 吸收中子，控制反應速度 把反應堆內的熱量傳輸出去 屏蔽射線，防止放射性污染
2.反應堆工作原理
(1)熱源：在核電站中，核反應堆是熱源，如圖為簡化的核反應堆示意圖：鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，石墨、重水或普通水為慢化劑，使反應生成的快中子變為慢中子，便于鈾235的吸收，發生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍。
反應堆示意圖
(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反應速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應速度加快，采用電子儀器自動調節控制棒插入深度，就能控制核反應的劇烈程度。
(3)冷卻劑：核反應釋放的能量大部分轉化為內能，這時通過水、液態鈉等作冷卻劑，在反應堆內外循環流動，把內能傳輸出去，用于推動蒸汽機，使發電機發電。
發生裂變反應時，會產生一些有危險的放射性物質，很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面。
3．核電站發電的優點
(1)消耗的核燃料少。
(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大。
(3)對環境的污染要比火力發電小。
典例剖析
2．(多選)如圖是慢中子反應堆的示意圖，對核反應堆的下列說法中正確的是( 　　)
A．鈾235容易吸收快中子發生裂變反應
B．快中子跟慢化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
C．控制棒由鎘做成，當反應過于激烈時，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些
D．若要使裂變反應更激烈一些，應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，鏈式反應的速度就會快一些
答案：BC
解析：根據鈾235的特點，它更容易吸收慢中子而發生裂變，A錯誤；在反應堆中慢化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；鏈式反應的劇烈程度取決于裂變釋放出的中子總數，鎘控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反應的快慢，即插入的深，吸收的多，反應將變慢，反之將加快，C正確，D錯誤。
答案：BD
對點訓練
探究?
氫核的聚變
要點提煉
1.輕核聚變是放能反應
從比結合能的圖線看，輕核聚變后比結合能增加，因此聚變反應是一個放能反應。
2．聚變發生的條件
要使輕核聚變，就必須使輕核接近核力發生作用的距離10－15 m，但是原子核是帶正電的，要使它們接近10－15 m就必須克服很大的庫侖斥力作用，這就要求原子核應具有足夠的動能。方法是給原子核加熱，使其達到幾百萬度的高溫。
3．核聚變的特點
(1)在消耗相同質量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。
(2)熱核反應一旦發生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就可以使反應進行下去。
(3)普遍性：熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆。
4．核聚變的應用
(1)核武器——氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反應裝置。它利用彈體內的原子彈爆炸產生的高溫高壓引發熱核聚變爆炸。
(2)可控熱核反應：目前處于探索階段。
典例剖析
3．太陽能源于其內部的聚變反應，太陽質量也隨之不斷減少。設每次聚變反應可看作4個氫核結合成1個氦核，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．該聚變反應在常溫下也容易發生
B．太陽每秒鐘減少的質量約為4.4×109 kg
D．目前核電站采用的核燃料主要是氫核
答案：B
一個質子和兩個中子聚變為一個氚核，已知質子質量mH＝1.007 3 u，中子質量mn＝1.008 7 u，氚核質量mτ＝3.018 0 u。1 u相當于931.5 MeV的能量。
(1)寫出聚變方程。
(2)釋放出的核能為多大？
(3)平均每個核子釋放的能量是多大？
對點訓練
解析：(1)聚變方程
(2)質量虧損：Δm＝mH＋2mn－mT＝(1.007 3＋2×1.008 7－ 3.018 0)u＝0.006 7 u，釋放的核能ΔE＝0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV。
要點提煉
1.新粒子的發現及特點
探究?
粒子的分類及夸克模型
發現時間 1932年 1937年 1947年 20世紀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 質量與相對應的粒子相同而電荷及其他一些物理性質相反 比質子的質量小 質量介于電子與核子之間 其質量比質子大
2.粒子的分類
分類 參與的相互作用 發現的粒子 說明
強子 參與強相互作用 質子、中子、介子、超子等 強子有內部結構
輕子
(六種) 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 輕子都有反粒子
未發現輕子有內部結構
分類 參與的相互作用 發現的粒子 說明
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 基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質量 希格斯玻色子 2012發現的，是希格斯場的量子激發
3.夸克模型
(1)夸克的提出：1964年美國物理學家蓋爾曼提出了強子的夸克模型，認為強子是由夸克構成的。
(2)夸克的種類：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和頂夸克(t)。
(4)意義：電子電荷不再是電荷的最小單位，即存在分數電荷。
典例剖析
4．關于粒子，下列說法中正確的是( 　　)
A．光子、電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本粒子
B．質量比核子大的粒子都參與強相互作用
C．強子、輕子、媒介子都由更基本的粒子夸克組成
D．許多粒子都存在反粒子
答案：D
解析：質子、中子本身也有復雜結構，故A錯誤；τ子的質量比核子的質量大，它屬于輕子，不參與強相互作用，故B錯誤；目前為止還沒有發現輕子的內部結構，故C錯誤；許多粒子都存在反粒子，故D正確。
某中微子觀測站揭示了中微子失蹤的原因，即觀測到的中微子數目比理論上的少是因為部分中微子在運動過程中轉化為一個μ子和一個τ子。關于上述研究有以下說法，正確的是( 　　)
A．若發現μ子和中微子運動方向一致，則τ子運動方向與中微子運動方向一定相反
B．若發現μ子和中微子運動方向一致，則τ子運動方向與中微子運動方向一定相同
C．若發現μ子和中微子運動方向相反，則τ子運動方向與中微子運動方向一定相同
D．若發現μ子和中微子運動方向相反，則τ子運動方向與中微子運動方向一定相反
對點訓練
答案：C
解析：中微子轉化為一個μ子和一個τ子的過程中動量守恒，設中微子運動方向為正方向，有m中v中＝mμvμ＋mτvτ，若μ子和中微子運動方向一致，則m中v中－mμvμ＝mτvτ，由v中大于0，vμ大于0可知，vτ也可能小于0，即τ子運動方向與中微子運動方向可能相同，也可能相反，A、B錯誤；若μ子和中微子運動方向相反，則m中v中－mμvμ＝mτvτ，由v中大于0，vμ小于0可知，vτ一定大于0，則τ子運動方向與中微子運動方向一定相同，C正確，D錯誤。
核心素養提升
區分核反應的四種類型
說明：重核裂變和輕核聚變都有質量虧損而釋放能量，相同質量的核燃料，輕核聚變反應比重核裂變反應放出的能量更多，主要原因有以下兩個方面：
(1)聚變反應平均每個核子放能較多，比裂變反應中平均每個核子放出的能量大3～4倍。如一個氚核和一個氘核結合成一個氦核時放出能量17.6 MeV，平均每個核子放出能量約3.5 MeV；而鈾235裂變時，平均每個核子放出能量約0.85 MeV。
(2)同樣質量的情況下，輕核的原子核個數多。
下列說法正確的是( 　　)
案例
答案：B
課堂達標檢測
一、核裂變的發現
1．我國物理學家錢三強、何澤慧夫婦，1946年在法國巴黎發現了鈾的三分裂和四分裂，這是我國科學家在核物理研究中做出的貢獻，這是將中子打入鈾核后所發生的核反應，它屬于( 　　)
A．人工核轉變 B．重核的裂變
C．鈾核的衰變 D．輕核的聚變
答案：B
解析：核裂變是一個原子核分裂成幾個原子核的變化，中子打入鈾核后所發生的核反應是重核裂變反應，故B正確。
A．Z＝10，A＝20
B．γ射線具有很強的穿透本領
C．該反應屬于核裂變
D．該反應一定釋放能量
答案：C
解析：根據反應過程中滿足質量數和電荷數守恒可知Z＝12－2×1＝10，A＝22－2×1＝20，故A正確；γ射線具有很強的穿透本領，故B正確；核裂變是在中子的轟擊下一個大核變成兩個中核和多個中子，該反應不屬于核裂變，故C錯誤；該反應存在質量虧損，一定釋放能量，故D正確。
二、反應堆與核電站
3．2020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，標志著中國正式進入核電技術先進國家行列。核電站的產熱核心是放射性重元素，通常為鈾235。以下關于華龍一號的說法正確的是( 　　)
A．華龍一號中發生的是核聚變
C．核反應堆中可采用重水、石墨作為慢化劑
D．核反應過程中遵循質量守恒定律
答案：C
三、核聚變
B．輕核聚變和重核裂變都沒有放射性危害
C．17.6 MeV是輕核聚變過程釋放的核能
D．要實現核聚變，需要將輕核加熱到很高的溫度，使它們具有足夠的動能才能克服核力作用而結合在一起
答案：AC
5．關于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是( 　　)
A．一次聚變反應一定比一次裂變反應釋放的能量多
B．聚變反應每個核子釋放的平均能量一定比裂變反應多
C．聚變反應中粒子的比結合能變小
D．聚變反應中由于形成質量較大的核，故反應后質量增大
答案：B
解析：在一次聚變反應中釋放的能量不一定比一次裂變反應多，但平均每個核子釋放的平均能量一定比裂變反應多，故A錯誤，B正確；由于聚變反應中釋放出巨大的能量，則比結合能一定增加，質量發生虧損，C、D錯誤。
四、基本粒子
6．以下說法正確的是( 　　)
A．最早發現的輕子是電子，最早發現的強子是中子
B．質子、中子、介子和超子都屬于強子
C．現代實驗發現強子、輕子都有內部結構
D．τ子質量比核子質量大，τ子不屬于輕子
答案：B
解析：最早發現的強子是質子，最早發現的輕子是電子，故A錯誤；強子有內部結構，由夸克組成，現代實驗還沒有發現輕子的內部結構，故C錯誤；質子、中子、介子、超子都屬于強子，τ子質量比核子質量大，但仍屬于輕子，故B正確，D錯誤。

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