新教材物理人教版選擇性必修三學(xué)案5.45.5核裂變與核聚變基本粒子

4.核裂變與核聚變5.“基本”粒子必備知識·素養(yǎng)奠基一、核裂變及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)1.核裂變:重核被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊的核反應(yīng)。2.鈾核裂變:用中子轟擊鈾核時,鈾核發(fā)生裂變,其產(chǎn)物是多樣的,其中一種典型的裂變是QUOTEUQUOTEnQUOTEBaQUOTEKr+QUOTEn。3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng):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)下去的過程叫核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。4.臨界體積和臨界質(zhì)量:把裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫作它的臨界體積,相應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量。5.核裂變的能量:1kg鈾235全部裂變放出的能量相當(dāng)于2__800__t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時釋放的化學(xué)能。

二、核電站1.核電站:利用核能發(fā)電,它的核心設(shè)施是反應(yīng)堆,它主要由以下幾部分組成:(1)燃料:鈾棒。(2)慢化劑:鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng),采用石墨、重水或普通水作慢化劑。(3)控制棒:為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度,還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒。鎘吸收中子的能力很強,當(dāng)反應(yīng)過于激烈時,將鎘棒插入深一些,讓它多吸收一些中子,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度會慢一些,這種鎘棒叫作控制棒。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:利用水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動,把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去,用于發(fā)電。同時也使反應(yīng)堆冷卻。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,核反應(yīng)堆中的核廢料具有很強的放射性,需要裝入特制的容器,深埋地下。三、核聚變【思考】提示:需要足夠大的能量使輕核間的距離達到10-15m以內(nèi)。1.定義:兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核,并釋放出能量的反應(yīng)。2.舉例:QUOTEHQUOTEHQUOTEHeQUOTEn+17.6MeV3.條件:要使輕核發(fā)生聚變,必須使它們的距離達到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能,有一種方法就是把它們加熱到很高的溫度,溫度高達幾百萬開爾文,因此聚變又叫熱核反應(yīng)。4.應(yīng)用:目前,人工產(chǎn)生的熱核反應(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。5.太陽能:太陽的主要成分是氫,太陽中心溫度可達1.6×107K,在此高溫下,氫核聚變成氦核的反應(yīng)不停地進行著,太陽能就來自于太陽內(nèi)部聚變釋放的核能。四、受控?zé)岷朔磻?yīng)1.聚變的優(yōu)點:第一:輕核聚變產(chǎn)能效率高。第二:地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富。第三:輕核聚變更為安全、清潔,控制溫度,可控制反應(yīng),而且生成的廢物數(shù)量少、易處理。2.聚變的難點:地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受熱核反應(yīng)的高溫。3.控制方法:(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,在極短時間內(nèi)來不及擴散就完成了核反應(yīng),在慣性約束下,用激光從各個方向照射反應(yīng)物,使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。五、“基本”粒子1.基本粒子不基本:(1)19世紀(jì)末,人們都認為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子。(2)隨著科學(xué)的發(fā)展,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了很多的新粒子都不是由質(zhì)子、中子、電子組成的,又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。2.發(fā)現(xiàn)新粒子:(1)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介子及以后的質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量大的超子。(2)粒子的分類:按照粒子與各種相互作用的不同關(guān)系,可將粒子分為三大類:強子、輕子和媒介子。(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,認為強子是由更基本的成分組成,這種成分叫作夸克。夸克模型指出電子電荷不再是電荷的最小單位,即存在分數(shù)電荷。關(guān)鍵能力·素養(yǎng)形成一對重核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的分析1.鈾核的裂變和裂變方程:(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)則的形狀。(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或3個中子,這些中子又引起其他鈾核裂變,這樣,裂變就會不斷地進行下去,釋放出越來越多的核能。(3)常見的裂變方程:QUOTEUQUOTEnXeQUOTESr+QUOTEn。QUOTEUQUOTEnBaQUOTEKr+QUOTEn。2.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件:(1)由慢中子轟擊。(2)鈾塊的體積大于臨界體積,或鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量。以上兩個條件滿足一個,則另一個條件自動滿足。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。4.鈾的同位素中鈾235比鈾238更易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng):在天然鈾中,主要有兩種同位素,99.3%的是鈾238,0.7%的是鈾235,中子能引起這兩種鈾核發(fā)生裂變,但它們和中子發(fā)生作用的情況不同。(1)鈾235:俘獲各種能量的中子都會發(fā)生裂變,且俘獲低能量的中子發(fā)生裂變的概率大。(2)鈾238:只有俘獲能量大于1MeV的中子才能發(fā)生裂變,且裂變的幾率小。能量低于1MeV的中子只與鈾核發(fā)生彈性碰撞,不引起裂變。因此,為了使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生,最好利用純鈾235。(1)裂變的中子方面:鈾核裂變的產(chǎn)物是多樣的,放出的中子數(shù)目有多有少,中子的速度也有快有慢。(2)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件方面:裂變物的體積必須大于臨界體積才能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)?！舅伎肌び懻摗咳鐖D為核裂變示意圖。(1)試寫出一種鈾核裂變的核反應(yīng)方程。提示QUOTEUQUOTEnBaQUOTEKr+QUOTEn。(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)嗎?提示:有中子轟擊鈾塊,鈾塊的體積大于臨界體積,這樣就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。【典例示范】據(jù)伊朗新聞電視臺2019年9月7日消息,伊朗原子能組織發(fā)言人卡邁勒萬迪當(dāng)天宣布,作為第三階段中止履行伊核協(xié)議的措施,伊朗已啟動了“先進離心機”,以增加濃縮鈾儲量。關(guān)于鈾核的裂變,下列敘述正確的是 ()A.核反應(yīng)堆中鈾核俘獲一個中子后分裂為兩個或幾個中等質(zhì)量的原子核,并吸收大量能量B.核反應(yīng)堆中鈾核自發(fā)分裂為兩個或幾個中等質(zhì)量的原子核,同時釋放大量的核能C.要使核反應(yīng)堆中鈾核發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng),必須要有慢中子的轟擊D.要使核反應(yīng)堆中鈾核發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng),必須要有快中子的轟擊【解析】選C。核反應(yīng)堆中鈾核俘獲一個中子后分裂為兩個或幾個中等質(zhì)量的原子核,同時釋放大量的核能,故A、B錯誤;要使核反應(yīng)堆中鈾核發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng),必須要有慢中子的轟擊,快中子不易捕獲,故C正確,D錯誤?！舅仞B(yǎng)訓(xùn)練】1.日本東北地區(qū)發(fā)生的強烈地震引發(fā)福島核電站反應(yīng)堆泄漏大量放射性物質(zhì)。其中QUOTETh(釷)具有天然放射性,能放出一個β粒子而變?yōu)镼UOTETh(鏷)。則下列說法中正確的是 ()A.QUOTETh比QUOTETh質(zhì)量數(shù)少1B.發(fā)生β衰變時所釋放出的電子是原子的核外電子發(fā)生電離而發(fā)射出來的C.該核反應(yīng)方程為QUOTEThQUOTEThQUOTEβD.精確地講,一個QUOTETh核的質(zhì)量比一個QUOTETh核與一個β粒子的質(zhì)量和要大【解析】選DQUOTETh和QUOTETh質(zhì)量數(shù)都是234,故A錯誤;β衰變的實質(zhì):β衰變時釋放的電子是由核內(nèi)一個中子轉(zhuǎn)變成一個質(zhì)子的同時釋放出來的,故B錯誤;該核反應(yīng)方程為QUOTEThQUOTEThQUOTEe,故C錯誤;衰變過程中有質(zhì)量虧損,所以精確地講,一個QUOTETh核的質(zhì)量比一個QUOTETh核與一個β粒子的質(zhì)量和要大,故D正確。2.(多選)核電站利用原子核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)獲得能量進行發(fā)電。已知QUOTEU是核電站常用的核燃料,其常見的反應(yīng)方程式為QUOTEUQUOTEnQUOTEBaQUOTEKr+3XQUOTEUQUOTEnQUOTEXeQUOTESr+2X。則下列說法正確的是 ()A.X是β粒子B.兩個核反應(yīng)一定都有質(zhì)量虧損CQUOTEBa的結(jié)合能小于QUOTEU的結(jié)合能D.要使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生,裂變物質(zhì)的體積要小于它的臨界體積【解析】選B、C。核反應(yīng)過程中,質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒,故X的質(zhì)量數(shù)為1,電荷數(shù)為零,故為中子,故A錯誤;裂變反應(yīng),一定釋放能量,根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程可知,一定存在質(zhì)量虧損,故B正確;核子數(shù)越多的原子核,結(jié)合能越大,故QUOTEBa的結(jié)合能小于QUOTEU的結(jié)合能,故C正確;要使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生,條件是裂變物質(zhì)的體積要大于它的臨界體積,故D錯誤。【補償訓(xùn)練】1.(多選)關(guān)于重核的裂變,以下說法正確的是 ()A.核裂變釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量B.鈾核裂變在自然界中會自發(fā)地產(chǎn)生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【解析】選A、D。根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變釋放能量的原理分析可知,裂變時因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應(yīng),是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程,因而釋放的能量遠大于其俘獲中子時吸收的能量;重核裂變只能發(fā)生在人為核反應(yīng)中;在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會減少的,因此A正確,B、C錯誤。重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時,由于平均質(zhì)量減小,必然發(fā)生質(zhì)量虧損,從而釋放出核能,所以D正確。2.核電站利用原子核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)放出的巨大能量進行發(fā)電,QUOTEU是核電站常用的核燃料QUOTEU受一個中子轟擊后裂變成QUOTEBa和QUOTEKr兩部分,并產(chǎn)生________個中子。要使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生,裂變物質(zhì)的體積要________(選填“大于”或“小于”)它的臨界體積。

【解析】由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知QUOTEUQUOTEnBaQUOTEKr+QUOTEn,可見產(chǎn)生了3個中子,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一個條件是鈾燃料的體積必須大于或等于臨界體積。答案:3大于二核電站的結(jié)構(gòu)及工作原理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:部件名稱項目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)為慢化劑,使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?便于鈾235的吸收,發(fā)生裂變,慢化劑附在鈾棒周圍。(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?？刂瓢舨迦肷钜恍?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,所能提供的能量大。(3)對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小?！舅伎肌び懻摗咳鐖D所示為核電站工作流程示意圖:(1)核電站的核心設(shè)施是什么?提示:核反應(yīng)堆是核電站的核心設(shè)施,原子核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在此進行。(2)核電站發(fā)電有什么優(yōu)點?提示:消耗原料少;作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大;對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小?！镜淅痉丁筷P(guān)于核電站的核反應(yīng)堆,下列說法正確的是 ()A.利用熱中子是因為熱中子的速度快,增加反應(yīng)速度B.在鈾棒的周圍放重水或普通水的目的是冷卻反應(yīng)堆C.控制棒通過使中子減速達到控制反應(yīng)速度的目的D.若核反應(yīng)劇烈,可將控制棒插入深一些,減慢反應(yīng)速度【解析】選D。因為核裂變產(chǎn)生的是速度很大的快中子,中子速度不能太快,否則會和鈾核擦肩而過,鈾核不能“捉”住它,不能發(fā)生核裂變,所以必須控制好中子的速度,為了使快中子減速,在鈾棒的周圍放重水或者普通水,目的就是使中子冷卻而減速,故A、B、C錯誤;根據(jù)核反應(yīng)堆控制棒的作用可知,控制棒插入深一些,讓它多吸收中子,中子數(shù)減少,反應(yīng)速率會慢一些,故D正確?！舅仞B(yǎng)訓(xùn)練】1.日本大地震曾引發(fā)了福島核電站核泄漏事故,下列關(guān)于核電站的說法正確的是 ()A.核電站利用核聚變反應(yīng)時釋放的能量進行發(fā)電B.核電站利用海洋的潮汐能發(fā)電C.核能是可再生能源D.核泄漏釋放的放射性物質(zhì)發(fā)出的射線對人體是有危害的【解析】選D。目前核電站均采用重核裂變進行發(fā)電的,故A、B錯誤;核能是利用重核裂變進行的,是不可再生能源,故C錯誤;長時間接受核輻射會使正常細胞發(fā)生癌變,故D正確。2.近段時間,朝鮮的“核危機”引起了全世界的矚目,其焦點問題就是朝鮮核電站采用的是輕水堆還是重水堆。因為重水堆核電站在發(fā)電的同時還可以產(chǎn)出供研制核武器的钚239QUOTEPu)。這種钚QUOTEPu),可由鈾239QUOTEU)經(jīng)過衰變而產(chǎn)生,則下列判斷正確的是 ()AQUOTEPu與QUOTEU的核內(nèi)具有相同的中子數(shù)BQUOTEPu與QUOTEU的核內(nèi)具有相同的質(zhì)子數(shù)CQUOTEU經(jīng)過2次β衰變產(chǎn)生QUOTEPuDQUOTEU經(jīng)過1次α衰變產(chǎn)生QUOTEPu【解析】選CQUOTEPu的核內(nèi)中子數(shù)為:239-94=145QUOTEU的核內(nèi)中子數(shù)為:239-92=147,故它們中子數(shù)不相等,故A錯誤;QUOTEPu的核內(nèi)質(zhì)子數(shù)為94QUOTEU的核內(nèi)質(zhì)子數(shù)為:92,故它們質(zhì)子數(shù)不相等,故B錯誤;根據(jù)質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒可知QUOTEUQUOTEPu+QUOTEe,故C正確,D錯誤?！狙a償訓(xùn)練】1.現(xiàn)已建成的核電站發(fā)電的能量來自 ()A.天然放射性元素衰變放出的能量B.人工放射性同位素放出的能量C.重核裂變放出的能量D.化學(xué)反應(yīng)放出的能量【解析】選C?，F(xiàn)在核電站所用原料主要是鈾,利用鈾裂變放出的核能發(fā)電,故C項正確。2.(多選)秦山核電站第三期工程的兩個6×105kW發(fā)電機組已實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。發(fā)電站的核能來源于QUOTEU的裂變,下列說法正確的是 ()A.反應(yīng)堆中核反應(yīng)速度通常是采用調(diào)節(jié)QUOTEU的體積來控制的BQUOTEU的一種可能的裂變是QUOTEUQUOTEnQUOTEXeQUOTESr+QUOTEnCQUOTEU是天然放射性元素,升高溫度后它的半衰期會縮短D.一個QUOTEU裂變能放出200MeV的能量,合3.2×10-11J【解析】選B、D。反應(yīng)堆中核反應(yīng)速度由控制棒(鎘棒)吸收中子的多少來控制,A錯誤QUOTEU裂變有多種可能性,這是其中常見的一種,B對;放射性元素的半衰期由原子核本身決定,與溫度、壓強等外界條件無關(guān),C錯誤;200MeV=200×106×1.6×10-19J=3.2×10-11J,D正確。三核聚變的特點及應(yīng)用1.聚變發(fā)生的條件:要使輕核聚變,必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10-15m,這要克服電荷間強大的斥力作用,要求使輕核具有足夠大的動能,有一種辦法就是把它們加熱到幾百萬開爾文的高溫。2.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)。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。5.重核裂變與輕核聚變的區(qū)別: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)簡單得多原料的蘊藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢拗饕鲜请?氘在地球上的儲量非常豐富可控性速度比較容易進行人工控制,現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應(yīng)釋放核能目前,除氫彈以外,人們還不能控制它【思考·討論】如圖為氫彈原理示意圖。(1)若要發(fā)生核聚變,對原子核間的距離有什么要求?提示:原子核間的距離達到10-15m以內(nèi)。(2)核聚變?yōu)楹斡纸袩岷朔磻?yīng)?提示:核聚變需要在幾百萬開爾文的高溫下才能進行,因此核聚變又叫熱核反應(yīng)?！镜淅痉丁?2019·全國卷Ⅱ)太陽內(nèi)部核反應(yīng)的主要模式之一是質(zhì)子-質(zhì)子循環(huán),循環(huán)的結(jié)果可表示為QUOTEHQUOTEHe+QUOTEe+2ν,已知QUOTEH和QUOTEHe的質(zhì)量分別為mp=1.0078u和mα=4.0026u,1u=931MeV/c2,c為光速。在4個QUOTEH轉(zhuǎn)變成1個QUOTEHe的過程中,釋放的能量約為 ()A.8MeV B.16MeVC.26MeV D.52MeV【解析】選C。根據(jù)質(zhì)能方程ΔE=Δm·c2,得ΔE=(4mp-mα-2me)·c2,因核反應(yīng)前后質(zhì)量虧損約為Δm=(1.0078×4-4.0026)u=0.0286u,故釋放的能量約為ΔE=931MeV/c2×Δm=26.6MeV,C正確,A、B、D錯誤?！舅仞B(yǎng)訓(xùn)練】1.“人造太陽”實驗中的可控?zé)岷朔磻?yīng)的聚變方程是QUOTEHQUOTEHQUOTEHeQUOTEn,反應(yīng)原料氘QUOTEH)富存于海水中,氚QUOTEH)可以用中子轟擊鋰核QUOTELi)得到,則關(guān)于中子轟擊鋰核產(chǎn)生一個氚核和一個新核,下列說法正確的是 ()A.該核反應(yīng)方程為QUOTELiQUOTEnQUOTEHeQUOTEHB.核反應(yīng)生成物中的α粒子具有很強的電離本領(lǐng),但穿透能力較弱C.在中子轟擊鋰核QUOTELi)的核反應(yīng)生成物中有α粒子,故該核反應(yīng)屬于α衰變D.核聚變的條件是要達到高溫高壓的熱核反應(yīng)狀態(tài),故核聚變過程不能釋放出核能【解析】選B。根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒得該核反應(yīng)為QUOTELiQUOTEnQUOTEHeQUOTEH,故A錯誤;α射線的電離本領(lǐng)較強,穿透能力較弱,故B正確;該核反應(yīng)為人工核反應(yīng),故C錯誤;在聚變方程式QUOTEHQUOTEHQUOTEHeQUOTEn中會釋放大量的熱量,故D錯誤。2.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)大C.聚變反應(yīng)中粒子的結(jié)合能變大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)量增加【解析】選B。在一次聚變反應(yīng)中釋放的能量不一定比裂變反應(yīng)多,但平均每個核子釋放的能量一定大,故A錯誤,B正確;由于聚變反應(yīng)中釋放出巨大能量,則比結(jié)合能一定增加,質(zhì)量發(fā)生虧損,并非結(jié)合能增加,故C、D錯誤?！狙a償訓(xùn)練】1.(多選)下列關(guān)于聚變的說法,正確的是 ()A.要使聚變產(chǎn)生,必須克服庫侖斥力做功B.輕核聚變需要幾百萬開爾文的高溫,因此聚變又叫作熱核反應(yīng)C.原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬開爾文的高溫,所以氫彈可以利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)D.太陽和許多恒星內(nèi)部都在激烈地進行著熱核反應(yīng),在地球內(nèi)部也可以自發(fā)地進行【解析】選A、B、C。輕核聚變時,要使輕核之間距離達到10-15m,必須克服庫侖斥力做功,A正確;原子核必須有足夠的動能,才能使它們接近到核力能發(fā)生作用的范圍,實驗證實,原子核必須處在幾百萬開爾文的高溫下才有這樣的能量,這樣高的溫度可以通過原子彈爆炸獲得,故B、C正確;在太陽和其他恒星內(nèi)部都存在著熱核反應(yīng),但在地球內(nèi)部不會自發(fā)地進行,D錯誤。2.(多選)如圖所示,托卡馬克(Tokamak)是研究受控核聚變的一種裝置,這個詞是toroidal(環(huán)形的)、kamera(真空室)、magnet(磁)的頭兩個字母以及kotushka(線圈)的第一個字母組成的縮寫詞。根據(jù)以上信息,下述判斷中可能正確的是 ()A.這種裝置的核反應(yīng)原理是輕核的聚變,同時釋放出大量的能量,和太陽發(fā)光的原理類似B.線圈的作用是通電產(chǎn)生磁場使帶電粒子在磁場中旋轉(zhuǎn)而不溢出C.這種裝置同我國秦山、大亞灣核電站所使用核裝置的核反應(yīng)原理相同D.這種裝置可以控制熱核反應(yīng)速度,使聚變能緩慢而穩(wěn)定地進行【解析】選A、B、D。聚變反應(yīng)原料在裝置中發(fā)生聚變,放出能量,故A正確;線圈通電時產(chǎn)生磁場,帶電粒子在磁場中受洛倫茲力作用不飛出,故B正確;核電站的原理是裂變,托卡馬克的原理是聚變,故C錯誤;該裝置使人們可以在實驗中控制反應(yīng)速度,平穩(wěn)釋放核能,故D正確。四新粒子的發(fā)現(xiàn)和夸克模型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年代后新粒子正電子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.粒子的分類:分類參與的相互作用發(fā)現(xiàn)的粒子備注強子參與強相互作用質(zhì)子、中子、介子、超子有內(nèi)部結(jié)構(gòu),由“夸克”構(gòu)成,可分為介子和重子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(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)范玻色子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子傳遞電磁相互作用,中間玻色子傳遞弱相互作用,膠子傳遞強相互作用希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā)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)。(3)夸克所帶電荷:夸克所帶的電荷量是分數(shù)電荷量,即其電荷量為元電荷的-QUOTE或+QUOTE。例如,上夸克帶的電荷量為+QUOTE,下夸克帶的電荷量為-QUOTE。(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。【思考·討論】圖為歐洲粒子加速器,能使粒子獲得13萬億電子伏特的能量。(1)高速粒子碰撞能產(chǎn)生一些新的粒子,試說出部分20世紀(jì)30年代以來發(fā)現(xiàn)的新粒子。提示:介子、超子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子等。(2)隨著新粒子的發(fā)現(xiàn),質(zhì)子與中子為什么不再被稱為“基本粒子”?提示:因為質(zhì)子與中子也有著復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),它們也是由更基本的粒子組成,質(zhì)子與中子不再被稱為“基本粒子”。【典例示范】關(guān)于粒子,下列說法正確的是 ()A.電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子B.強子中都是帶電的粒子C.夸克模型是探究三大類粒子結(jié)構(gòu)的理論D.夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位【解析】選D。由于質(zhì)子、中子是由不同夸克組成的,它們不是最基本的粒子,不同夸克構(gòu)成強子,有的強子帶電,有的強子不帶電,故A、B錯誤;夸克模型是研究強子結(jié)構(gòu)的理論,不同夸克帶電不同,分別為+QUOTEe和-QUOTE,說明電子電荷不再是電荷的最小單位,C錯誤,D正確?！舅仞B(yǎng)訓(xùn)練】1.(多選)下列關(guān)于夸克模型的說法正確的是 ()A.強子是由更基本的夸克組成的B.夸克的電荷量分別為元電荷的+QUOTE或-QUOTEC.每種夸克都有對應(yīng)的反夸克D.夸克能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn)【解析】選A、B、C?？淇瞬荒芤宰杂傻臓顟B(tài)單個出現(xiàn),D錯誤,A、B、C正確。2.目前普遍認為,質(zhì)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QUOTEe,d夸克的帶電荷量為-QUOTEe,e為元電荷,下列論斷中可能正確的是 ()A.質(zhì)子由1個u夸克和2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2個u夸克和1個d夸克組成【解析】選B。質(zhì)子QUOTEH帶電荷量為2×QUOTEe+(-QUOTEe)=e,中子QUOTEn帶電荷量為QUOTEe+2×(-QUOTEe)=0?？梢夿正確?！狙a償訓(xùn)練】1.(多選)關(guān)于人們發(fā)現(xiàn)的新粒子,下列說法正確的是 ()A.許多粒子都有自己的反粒子B.粒子分為強子、輕子、規(guī)范玻色子、希格斯玻色子四類C.質(zhì)子屬于強子D.光子屬于輕子【解析】選A、B、C?！胺戳Ｗ印迸c其對應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量和相同的電量,但電荷的符號相反,故A正確;粒子分為強子、輕子、規(guī)范玻色子、希格斯玻色子四類,B正確;質(zhì)子屬于強子,光子屬于規(guī)范玻色子,故C正確,D錯誤。2.(多選)下列說法中正確的是 ()A.目前還未發(fā)現(xiàn)媒介子、輕子和夸克這三類粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)B.自然界存在著能量守恒定律、動量守恒定律及電荷守恒定律,對基本粒子不適用C.反粒子與其對應(yīng)的粒子相遇時,會發(fā)生湮滅現(xiàn)象D.強子是參與強相互作用的粒子,質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強子【解析】選A、C、D。媒介子、輕子和夸克在現(xiàn)代實驗中還沒有發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu),故A正確;自然界存在著能量守恒定律、動量守恒定律及電荷守恒定律,對基本粒子同樣適用,故B錯誤;粒子與其反粒子帶等量異種電荷,反粒子與其對應(yīng)的粒子相遇時會發(fā)生湮滅現(xiàn)象,故C正確;強子是參與強相互作用的粒子,質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強子,中子、介子和超子也是強子,故D正確?！就卣估}】考查內(nèi)容:裂變過程的核能計算【典例】用中子轟擊鈾核QUOTEU),其中的一個可能反應(yīng)是分裂成鋇QUOTEBa)和氪QUOTEKr)兩部分,放出3個中子。各個核和中子的質(zhì)量如下:mU=390.3139×10-27kg,mn=1.6749×10-27kgmBa=234.0016×10-27kg,mKr=152.6047×10-27kg試寫出核反應(yīng)方程,算出反應(yīng)中釋放的核能?！窘馕觥扛鶕?jù)反應(yīng)前后核的質(zhì)量數(shù)守恒、核電荷數(shù)守恒和反應(yīng)中的能量守恒,可以寫出核反應(yīng)方程為QUOTEnQUOTEUBaQUOTEKr+QUOTEn核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=0.3578×10-27kg由愛因斯坦質(zhì)能方程可得釋放的核能為ΔE=Δmc2=0.3578×10-27×(3×108)2J=3.2202×10-11J。答案QUOTEnQUOTEUBaQUOTEKr+QUOTEn3.2202×10-11J【課堂回眸】課堂檢測·素養(yǎng)達標(biāo)1.下面列出的是一些核反應(yīng)方程,針對核反應(yīng)方程下列說法正確的是 ()QUOTEUQUOTETh+XQUOTEHQUOTEHQUOTEHe+YQUOTEBeQUOTEHQUOTEB+KQUOTEUQUOTEnQUOTESrQUOTEXe+10MA.核反應(yīng)方程①是重核裂變,X是α粒子B.核反應(yīng)方程②是輕核聚變,Y是中子C.核反應(yīng)方程③是太陽內(nèi)部發(fā)生的核聚變,K是正電子D.核反應(yīng)方程④是衰變方程,M是中子【解析】選B。根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知,X為QUOTEHe,即α粒子,該反應(yīng)為α衰變,故A錯誤;根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知,Y為QUOTEn,即中子,該反應(yīng)為輕核聚變,故B正確;根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知,K為QUOTEn,即中子,該反應(yīng)為人工核反應(yīng),故C錯誤;根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知,M為QUOTEn,即中子,該反應(yīng)為鈾核裂變反應(yīng),故D錯誤。2.據(jù)新華網(wǎng)2019年6月24日報道,中國科學(xué)院空天信息研究院和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位聯(lián)合研制出高速高精度激光湯姆孫散射儀,為我國未來磁約束聚變能裝置的高精度測量奠定了堅實的基礎(chǔ)。下列說法正確的是 ()A.激光被散射后頻率不變B.激光被散射后頻率增大C.核聚變反應(yīng)在常溫下就可以發(fā)生D.核聚變反應(yīng)能夠釋放能量【解析】選D。根據(jù)康普頓效應(yīng)可知,激光與其他粒子碰撞時,把一部分動量轉(zhuǎn)移給對方,根據(jù)λ=QUOTE可知,激光散射后波長λ變長,根據(jù)c=λν可知,頻率減小,故A、B錯誤;核聚變反應(yīng)又稱為熱核反應(yīng),需要高溫條件,在常溫下不能發(fā)生,故C錯誤;核聚變反應(yīng)發(fā)生質(zhì)量虧損,釋放能量,故D正確。3.(多選)下列說法正確的是 ()A.目前我國核電事業(yè)蓬勃發(fā)展,新建核電站的能量來源可以是輕核聚變B.無論裂變還是聚變都要從比結(jié)合能小的原子核向比結(jié)合能大的原子核變化C.半衰期是大量原子核內(nèi)的核子有統(tǒng)計意義上的半數(shù)發(fā)生變化的時間,它不隨溫度或壓強變化而變化D.重核發(fā)生α衰變后的產(chǎn)物的總結(jié)合能小于原重核的結(jié)合能【解析】選B、D。輕核聚變現(xiàn)在還無法進行控制,新建核電站的能量來源于重