新教材適用2023-2024學(xué)年高中物理第5章原子核4核裂變與核聚變5“基本”粒子課件新人教版選擇性必修第三冊

第五章原子核4.核裂變與核聚變5.“基本”粒子課前預(yù)習(xí)反饋課內(nèi)互動探究課堂達標(biāo)檢測目標(biāo)體系構(gòu)建核心素養(yǎng)提升目標(biāo)體系構(gòu)建1．知道核裂變反應(yīng)及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件。2．知道裂變反應(yīng)堆的工作原理，知道核電站的工作流程。3．了解聚變反應(yīng)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(xué)的基礎(chǔ)知識及粒子的分類。1．知道什么是裂變、聚變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，知道鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和聚變的條件。2．會書寫裂變和聚變方程，會利用質(zhì)量虧損計算裂變和聚變產(chǎn)生的核能。3．了解核反應(yīng)堆的工作原理，知道如何控制核反應(yīng)的速度。4．了解粒子的發(fā)現(xiàn)史。5．知道粒子的分類及特點，了解夸克模型。課前預(yù)習(xí)反饋

核裂變的發(fā)現(xiàn)

知識點

11．核裂變：重核被_______轟擊后分裂成兩個質(zhì)量差不多的新原子核，并放出_______的過程。中子核能3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：當(dāng)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(xù)下去，這種由重核裂變產(chǎn)生的中子使________反應(yīng)一代一代繼續(xù)下去的過程，叫作核裂變的__________。4．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于___________或裂變物質(zhì)的質(zhì)量大于___________。核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)臨界體積臨界質(zhì)量『判一判』(1)只要鈾塊的體積大于臨界體積，就可以發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。(

)(2)重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減小。(

)××『選一選』鈾核裂變時，對于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的重要因素，下列說法中正確的是(

)A．重要因素是鈾塊的質(zhì)量，與體積無關(guān)B．為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好直接利用裂變時產(chǎn)生的中子C．若鈾235的體積超過它的臨界體積，裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就能夠發(fā)生D．能否發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與鈾塊的質(zhì)量無關(guān)C解析：

要使鈾核裂變產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，鈾塊的體積必須大于臨界體積或鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量，只要組成鈾塊的體積小于臨界體積，或質(zhì)量小于臨界質(zhì)量就不會產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的中子為快中子，這些快中子不能直接引發(fā)新的裂變。如果鈾塊的質(zhì)量大，則其體積大，若超過臨界體積則發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，由此知A、B、D錯誤，C正確。反應(yīng)堆與核電站

知識點

21．核能釋放的控制：通過可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實現(xiàn)核能釋放的裝置稱為___________。2．慢化劑：反應(yīng)堆中，為了使裂變產(chǎn)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(yīng)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(yīng)過于激烈時，可將其插入_____一些，多吸收一些_______，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會慢一些，這種鎘棒叫作_________。核反應(yīng)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(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___________，把反應(yīng)堆內(nèi)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(yīng)用。裂變循環(huán)流動熱量發(fā)電『判一判』(3)核反應(yīng)堆是通過調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度。(

)√『選一選』關(guān)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重核俘獲中子時得到的能量B．中子從鈾塊中通過時，一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少D．由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能D核聚變

知識點

31．定義：兩個輕核結(jié)合成___________的核，這樣的核反應(yīng)叫作_________。3．條件：(1)輕核的距離要達到______________以內(nèi)。(2)需要加熱到很高的_______，因此又叫___________。4．優(yōu)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(zhì)量較大核聚變10－15m溫度熱核反應(yīng)產(chǎn)能效率高聚變?nèi)剂习踩?、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(yīng)中平均每個核子放出的能量大。(

)(5)實現(xiàn)核聚變的難點是地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。(

)(6)質(zhì)子、中子不能再分。(

)(7)太陽目前正處于氫通過熱核反應(yīng)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?nèi)粘Ｉ钪惺遣豢商娲?，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？答案：來源于太陽內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。1．基本粒子不基本(1)直到19世紀(jì)末，人們都認為_______、電子、_______和中子是基本粒子。(2)隨著科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了很多的新粒子并不是由以上___________組成的，并發(fā)現(xiàn)_____________等本身也有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。粒子

知識點

4光子質(zhì)子基本粒子質(zhì)子、中子2．發(fā)現(xiàn)新粒子(1)新粒子：1932年發(fā)現(xiàn)了_________,1937年發(fā)現(xiàn)了_______，1947年發(fā)現(xiàn)了_________和_________及以后的超子等。(2)粒子的分類：大體可分為_______、_______、規(guī)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(xué)家蓋爾曼提出了強子的夸克模型，認為強子是由_______構(gòu)成的。說明：反粒子最顯著的特點是當(dāng)它們與相應(yīng)的正粒子相遇時，會發(fā)生“湮滅”，即同時消失而轉(zhuǎn)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(nèi)互動探究探究

重核的裂變及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)要|點|提|煉1．鈾核的裂變(1)核子受激發(fā)：當(dāng)中子進入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核，復(fù)核中由于核子的激烈運動，使核變成不規(guī)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(zhì)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?zhǔn)椒磻?yīng)的條件(1)要有足夠濃度的235U。(2)要有足夠數(shù)量的慢中子。(3)鈾塊的體積要大于臨界體積。3．裂變反應(yīng)的能量鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)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200MeV估算，1kg鈾235全部裂變放出的能量相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產(chǎn)生幾百萬度的高溫。典|例|剖|析A．1個α粒子 B．3個中子C．10個中子 D．10個質(zhì)子典例1C對點訓(xùn)練?C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(shè)施是核反應(yīng)堆，反應(yīng)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(huán)介質(zhì)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(tài)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(yīng)速度把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去屏蔽射線，防止放射性污染2．反應(yīng)堆工作原理(1)熱源：在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，如圖為簡化的核反應(yīng)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(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?，便于?35的吸收，發(fā)生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍。反應(yīng)堆示意圖(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反應(yīng)速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應(yīng)速度加快，采用電子儀器自動調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應(yīng)的劇烈程度。(3)冷卻劑：核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時通過水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動蒸汽機，使發(fā)電機發(fā)電。發(fā)生裂變反應(yīng)時，會產(chǎn)生一些有危險的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面。3．核電站發(fā)電的優(yōu)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(huán)境的污染要比火力發(fā)電小。典|例|剖|析

(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(

)典例2BCA．鈾235容易吸收快中子發(fā)生裂變反應(yīng)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(yīng)C．控制棒由鎘做成，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時，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)的速度就會快一些解題指導(dǎo)：深入理解核反應(yīng)堆的工作原理，是處理該類問題的關(guān)鍵。解析：根據(jù)鈾235的特點，它更容易吸收慢中子而發(fā)生裂變，A錯誤；在反應(yīng)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?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錯誤。

某反應(yīng)堆功率是P＝1×104kW，用的核燃料是含5%鈾235的濃縮鈾，已知每個鈾核裂變時釋放的能量為200MeV，則這個反應(yīng)堆一晝夜要消耗多少克核燃料？答案：210.8g對點訓(xùn)練?解析：反應(yīng)堆一天發(fā)出的電能E1＝Pt＝1×107W×24×3600s＝8.64×1011

JE1＝E2聯(lián)立解得m＝10.54g則這個反應(yīng)堆一晝夜要消耗核燃料的質(zhì)量m消耗＝20m＝10.54g×20＝210.8g。探究

氫核的聚變要|點|提|煉1．輕核聚變是放能反應(yīng)從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個放能反應(yīng)。2．聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變，就必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15m，但是原子核是帶正電的，要使它們接近10－15m就必須克服很大的庫侖斥力作用，這就要求原子核應(yīng)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(zhì)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(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)進行下去。(3)普遍性：熱核反應(yīng)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(yīng)堆。4．核聚變的應(yīng)用(1)核武器——氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置。它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。(2)可控?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探索階段。典|例|剖|析

中國核工業(yè)集團新一代可控核聚變研究裝置“中國環(huán)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(xué)項目中一直保持著領(lǐng)先。關(guān)于核聚變反應(yīng)，下列說法正確的是(

)A．核聚變反應(yīng)原理簡單，比裂變反應(yīng)容易實現(xiàn)B．兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的比結(jié)合能增加C．太陽目前正在進行的核反應(yīng)既有聚變反應(yīng)，也有裂變反應(yīng)典例3B

關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是(

)A．一次聚變反應(yīng)一定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多B．聚變反應(yīng)每個核子釋放的平均能量一定比裂變反應(yīng)多C．聚變反應(yīng)中粒子的比結(jié)合能變小D．聚變反應(yīng)中由于形成質(zhì)量較大的核，故反應(yīng)后質(zhì)量增大解析：

在一次聚變反應(yīng)中釋放的能量不一定比一次裂變反應(yīng)多，但平均每個核子釋放的平均能量一定比裂變反應(yīng)多，故A錯誤，B正確；由于聚變反應(yīng)中釋放出巨大的能量，則比結(jié)合能一定增加，質(zhì)量發(fā)生虧損，C、D錯誤。對點訓(xùn)練?B探究

粒子的分類及夸克模型要|點|提|煉1．新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點發(fā)現(xiàn)時間1932年1937年1947年20世紀(jì)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(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)量介于電子與核子之間其質(zhì)量比質(zhì)子大2．夸克模型(1)夸克的提出：1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼提出了強子的夸克模型，認為強子是由夸克構(gòu)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(shù)電荷。典|例|剖|析

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(shù)目比理論上的少是因為部分中微子在運動過程中轉(zhuǎn)化為一個μ子和一個τ子。關(guān)于上述研究有以下說法，正確的是(

)A．若發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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典例4C解析：

中微子轉(zhuǎn)化為一個μ子和一個τ子的過程中動量守恒，設(shè)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。A．質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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夸克組成對點訓(xùn)練?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(yīng)從質(zhì)子所帶電荷為e，中子不帶電荷的角度考慮，經(jīng)過分析知B項正確。核心素養(yǎng)提升輕核聚變與重核裂變的區(qū)別反應(yīng)方式比較項目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(zhì)量的原子核放出核能兩個輕核結(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)平均每個核子放出的能量大約要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡單得多反應(yīng)方式比較項目重核裂變輕核聚變原料的蘊藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢?，尤其用于核裂變?35U在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氚，氚在地球上的儲量非常豐富。1L海水中大約有0.03g氚，如果用來進行熱核反應(yīng)放出的能量約與燃燒300L汽油相當(dāng)可控性反應(yīng)速度比較容易進行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用裂變反應(yīng)釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它

(多選)據(jù)新華社報道，由我國自行設(shè)計、研制的世界第一套全超導(dǎo)核聚變實驗裝置(又稱“人造太陽”)已完成了首次工程調(diào)試。下列關(guān)于“人造太陽”的說法正確的是(

)C．核燃料的質(zhì)量相同時，聚變反應(yīng)釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多D．核燃料的質(zhì)量相同時，聚變反應(yīng)釋放的能量與裂變反應(yīng)相同案例AC課堂達標(biāo)檢測A．X是β粒子，具有很強的電離本領(lǐng)B．X是中子，中子是查德威克通過實驗最先發(fā)現(xiàn)的C．X是中子，中子是盧瑟福通過實驗最先發(fā)現(xiàn)的D．X是α粒子，穿透能力比較弱B解析：

根據(jù)核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知，X為中子，故A、D錯誤；根據(jù)物理學(xué)史可知，中子是查德威克通過實驗最先發(fā)現(xiàn)的，故B正確，C錯誤。2．鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊，這類核反應(yīng)被定義為核裂變。1947年中國科學(xué)家錢三強、何澤慧在實驗中觀察到鈾核也可能分裂為三部分或四部分，其概率大約是分裂為兩部分的概率的千分之三。關(guān)于鈾核的裂變，下列說法不正確的是(

)A．裂變的產(chǎn)物不是唯一的B．裂變的同時能放出2～3個或更多個中子C．裂變能夠釋放巨大的能量，每個核子平均釋放的能量在裂變反應(yīng)中比在聚變反應(yīng)中的大D．裂變物質(zhì)達到一定體積(即臨界體積)時，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)才可以持續(xù)下去C解析：鈾核受到中子的轟擊，會引起裂變，裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，具有極大的偶然性，但裂變成兩塊的情況多，也有的分裂成多塊，并放出2～3個或更多個中子，A、B正確；裂變能夠釋放巨大的能量，每個核子平均釋放的能量在裂變反應(yīng)中比在聚變反應(yīng)中的小，C錯誤；要引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，需使裂變物質(zhì)的體積達到臨界體積以上，D正確。本題選不正確的，故選C。二、反應(yīng)堆與核電站3．(2023·廣東佛山西樵高中高三月考)如圖所示是當(dāng)前核電站普遍使用的核反應(yīng)堆的示意圖，關(guān)于該反應(yīng)堆中進行的核反應(yīng)，下列說法中正確的是(

)A．圖示裝置中進行的核反應(yīng)類型是核聚變B．要使核反應(yīng)速度減慢，可以將鈾棒插入得更深C．裂變反應(yīng)的燃料是鈾，反應(yīng)過程質(zhì)量不守恒D．石墨起到降低反應(yīng)溫度的作用C解析：

圖示裝置中進行的核反應(yīng)類型是核裂變，故A錯誤；將鈾棒插入得更深，中子接觸的鈾原子更多，反應(yīng)加劇，故B錯誤；裂變反應(yīng)的燃料是鈾，反應(yīng)過程發(fā)生質(zhì)量虧損，質(zhì)量不守恒，故C正確；石墨主要是將快中子變?yōu)槁凶?，故D錯誤。三、核聚變4．2021年5月28日，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究的中國“人造太陽”核聚變技術(shù)創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，成功實現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行。下列關(guān)于核聚變的有