2017-2018學年高中物理 第四章 原子核 第六節(jié) 核能利用 第七節(jié) 小粒子與大宇宙同步備課教學案 粵教版選修3-5

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1、 第六節(jié) 核能利用 第七節(jié) 小粒子與大宇宙 [學習目標]　1.了解裂變反應堆的工作原理.2.了解核電站和核能利用的優(yōu)缺點.3.了解小粒子和大宇宙間的空間跨度和時間跨度． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、核反應堆及核電站 1．核電站是利用核能發(fā)電，它的核心設施是反應堆，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，采用石墨、重水或普通水作減速劑； (3)控制棒：采用在反應堆中插入鎘棒的方法，利用鎘吸收中子的能力很強的特性，控制鏈式反應的速度． 2．工作原理 核燃料裂變釋放能量，使反應區(qū)溫度升高． 3．能量輸出 利用

2、水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應堆內外循環(huán)流動，把反應堆內的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應堆冷卻． 4．核污染的處理 在反應堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線．核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制的容器，埋入深地層來處理． [即學即用]　判斷下列說法的正誤． (1)核反應堆是通過調節(jié)中子數(shù)目以控制反應速度．(　√　) (2)核反應堆用過的核廢料無毒無害．(　×　) 二、小粒子和大宇宙 1．“基本粒子”不基本 (1)直到19世紀末，人們都認為原子是組成物質的不可再分的最小微粒，后來人們發(fā)現(xiàn)了光子、電子、質子、中子，并把它們叫做“基本粒子”． (2)隨

3、著科學的發(fā)展，科學們發(fā)現(xiàn)了很多的新粒子并不是由以上基本粒子組成的，并發(fā)現(xiàn)質子、中子等本身也有復雜結構． 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介子及以后的超子等． (2)粒子的分類：按照粒子與各種相互作用的關系，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． 4．從小粒子到大宇宙——空間跨度 (1)大爆炸宇宙模型：大約150億年前突然發(fā)生一次大爆炸，其后逐漸誕生出恒星、星團、脈沖星、超新星、黑洞以及被稱作類星體的遙遠發(fā)光體等，經(jīng)

4、歷150億年演化成今天的宇宙世界． (2)人類所能研究的物質世界的空間尺度：約從10－15_m到1027_m，共跨越了約42個數(shù)量級． 5．從粒子壽命到宇宙年齡——時間跨度 (1)宇宙的年齡的數(shù)量級：1018_s. (2)微觀粒子的最短壽命：10－25_s. (3)物質世界的時間尺度：約從10－25_s到1018_s，跨越了將近43個數(shù)量級. 一、核反應堆與核電站 1．核反應堆的主要部件及作用如下表： 　　　 部件 　 名稱 項目　　 減速劑 控制棒 熱循環(huán) 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(tài)的金屬鈉

5、 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.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?。? 例1　如圖1是慢中子反應堆的示意圖，對該反應堆的下列說法中正確的是(　　) 圖1 A．鈾235容易吸收快中子后發(fā)生裂變反應 B．快中子跟減速劑的原子核碰撞后的能量減少，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，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些

6、中子，鏈式反應的速度就會慢一些 D．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　B 解析　快中子容易與鈾235擦肩而過，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，選項B正確，A錯誤；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強，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，選項C、D都錯誤． 二、粒子的分類和夸克模型 1．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 質子、中子、介子、超子 強子

7、有內部結構，由“夸克”構成；強子又可分為介子和重子 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)內部結構 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、強相互作用 2.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)． (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＋或－.例如，上夸克帶的電荷量為＋，

8、下夸克帶的電荷量為－. (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． 例2　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，下列論斷中可能正確的是(　　) A．質子由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2個u夸克和1個d夸克組成 答案　B 解析　質子H帶電荷量為2×e＋(－e)＝e

9、，中子n帶電荷量為e＋2×(－e)＝0.可見B正確. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．(多選)關于核反應堆，下列說法正確的是(　　) A．鈾棒是核燃料，裂變時釋放核能 B．鎘棒的作用是控制反應堆的功率 C．石墨的作用是吸收中子 D．冷卻劑的作用是控制反應堆的溫度和輸出熱能 答案　ABD 解析　鈾棒是核燃料，裂變時可放出能量，故A正確；鎘棒吸收中子的能力很強，作用是調節(jié)中子數(shù)目以控制反應速度，即控制反應堆功率，故B正確；慢中子最容易引發(fā)核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進行減速，石墨的作用是使中子減速，故C錯誤；水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應堆內外循環(huán)流動，把反應堆內的熱量

10、傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應堆冷卻，控制溫度，故D正確． 2．鏈式反應中，重核裂變時放出的可使裂變不斷進行下去的粒子是(　　) A．質子 B．中子 C．β粒子 D．α粒子 答案　B 解析　在重核的裂變中，鈾235需要吸收一個慢中子后才可以發(fā)生裂變，所以重核裂變時放出的可使裂變反應不斷進行下去的粒子是中子． 3．若π＋介子、π－介子都是由一個夸克(夸克u或夸克d)和一個反夸克(反夸克或反夸克)組成的，它們的帶電荷量如表所示，表中e為元電荷． 粒子 π＋ π－ u d 帶電 荷量 ＋e －e ＋ － － ＋ (1)按最簡單的組成，π＋介子由誰

11、和誰組成？ (2)按最簡單的組成，π－介子由誰和誰組成？ 答案　(1)π＋介子是由夸克u和反夸克組成的 (2)π－介子由夸克d和反夸克組成 解析　(1)π＋介子帶有＋e的電荷量，且是由一個夸克和一個反夸克組成的，夸克u帶＋e和反夸克帶＋e合成電荷量為e. (2)π－介子帶有－e的電荷量，是由一個夸克和一個反夸克組成的，夸克d帶－e和反夸克帶－e合成電荷量為－e. 4．裂變反應是目前核能利用中常用的反應，以原子核U為燃料的反應堆中，當U俘獲一個慢中子后發(fā)生的裂變反應可以有多種方式，其中一種可表示為 U　 ＋　 n　 →　 Xe　 ＋　 Sr?。?n 235．043 9　1.00

12、8 7　138.917 8　93.915 4 反應方程下方的數(shù)字是中子及有關原子的靜止質量(以原子質量單位u為單位)，已知1 u的質量對應的能量為931.5 MeV，此裂變反應釋放出的能量是________ MeV. 答案　180 解析　此裂變反應的質量虧損為： (235.043 9＋1.008 7) u－(138.917 8＋93.915 4＋3×1.008 7) u＝0.193 3 u， 由于1 u的質量對應的能量為931.5 MeV， ΔE＝931.5×0.193 3 MeV≈180 MeV. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、選擇題(1～5題為單選題，6～

13、7題為多選題) 1．關于粒子，下列說法正確的是(　　) A．電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本的粒子 B．強子都是帶電的粒子 C．夸克模型是探究三大類粒子結構的理論 D．夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位 答案　D 解析　由于質子、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構的理論，不同夸克帶電不同，分別為＋e和－，說明電子電荷不再是電荷的最小單位，C錯誤，D正確． 2．中國承諾到2020年碳排放量下降40%～45%，為了實現(xiàn)負責任大國的承諾，我們將新建核電站項目．目前關于核電

14、站獲取核能的基本核反應方程可能是(　　) A.U＋n→Sr＋Xe＋10n B.Na―→Mg＋e C.N＋He―→O＋H D.U―→Th＋He 答案　A 解析　重核的裂變是指質量數(shù)較大的原子核分裂成兩個中等質量的原子核，A是裂變反應，A正確；B為β衰變，C是發(fā)現(xiàn)質子的反應，D是α衰變． 3．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大 C．聚變反應中粒子的平均結合能變小 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 4．現(xiàn)在科學家們正在設法探尋“反物質

15、”，所謂“反物質”是由“反粒子”構成的，“反粒子”與其對應的正粒子有相同的質量和相同的電荷量，但電荷符號相反．據(jù)此，若有反α粒子，它的質量數(shù)和電荷數(shù)分別為(　　) A．－4，－2 B．4，－2 C．－4,2 D．4,2 答案　B 解析　因“反粒子”與其對應的正粒子具有相同的質量、相同的電荷量，但電荷的符號相反．所以，反α粒子質量數(shù)為4，電荷數(shù)為－2. 5．K－介子衰變的方程為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．如圖1所示的1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(chǎn)生的π－介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點

16、相切，它們的半徑RK－與Rπ－之比為2∶1.π0介子的軌跡未畫出．由此可知π－的動量大小與π0的動量的大小之比為(　　) 圖1 A．1∶1 B．1∶2 C．1∶3 D．1∶6 答案　C 解析　帶電粒子K－與π－在磁場中做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力Bqv＝得R＝＝，K－介子與π－介子帶電量相同，故運動的半徑之比等于動量之比pK－∶pπ－＝RK－∶Rπ－＝2∶1，在衰變后π－介子與π0介子動量方向相反，設K－介子的動量為正，則π－介子動量為負值，由動量守恒pK－＝－pπ－＋pπ0，則pπ－∶pπ0＝1∶3故A、B、D錯，C對． 6．能源是社會發(fā)展的基礎，發(fā)展核能是解決

17、能源問題的途徑之一，下列釋放核能的反應方程，表述正確的有(　　) A.H＋H―→He＋n是核聚變反應 B.H＋H―→He＋n是β衰變 C.U＋n―→Ba＋Kr＋3n是核裂變反應 D.U＋n―→Xe＋Sr＋2n是α衰變 答案　AC 解析　兩個輕核聚合成一個較重的核的反應為核聚變反應，故A對，B錯；重核被中子轟擊后分裂成兩個中等質量的原子核并放出若干個中子的反應為核裂變反應，故C對；原子核放出α或β粒子后變成另一種原子核的反應稱為原子核的衰變．原子核的衰變的反應物只有一種，故D錯． 7．日本福島第一核電站在地震后，數(shù)秒內就將控制棒插入核反應堆芯，終止了鈾的裂變鏈式反應．但海嘯摧毀了機

18、組的冷卻系統(tǒng)，因裂變遺留的產(chǎn)物銫、鋇等繼續(xù)衰變不斷釋放能量，核燃料棒溫度不斷上升，對周邊環(huán)境產(chǎn)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(xiàn)對核反應的控制 B．日本后來向反應堆灌注海水，可以降溫，但大量的被污染的海水外泄，對周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害 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(xiàn)對核反應速度的控制，選項A正確；日本后來向反應堆灌注海水，大量的被污染的海水外泄，泄漏中放射性物質對周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害，選項B、D正確；因為核反應有能量釋放，可知銫、鋇等

19、原子的質量比鈾原子質量小，故C錯誤． 二、非選擇題 8．一個原來靜止的鋰核(Li)俘獲一個速度為7.7×104 m/s的中子后，生成一個氚核和一個氦核，已知氚核的速度大小為1.0×103 m/s，方向與中子的運動方向相反． (1)試寫出核反應方程； (2)求出氦核的速度大?。? 答案　(1)Li＋n―→H＋He　(2)2×104 m/s 解析　(1)Li＋n―→H＋He. (2)取中子的運動方向為正方向，由動量守恒定律得 mnv0＝－mTv1＋mHev2 v2＝＝2×104 m/s. 9．在所有能源中核能具有能量密度大、區(qū)域適應性強的優(yōu)勢，在核電站中，核反應堆釋放的核能被轉化

20、為電能．核反應堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應，釋放出大量核能． (1)核反應方程式U＋n―→Ba＋Kr＋310n是反應堆中發(fā)生的許多核反應中的一種，以mU、mBa、mKr分別表示U、Ba、Kr的質量，mn、mp分別表示中子、質子的質量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應過程中放出的核能ΔE＝______. (2)有一座發(fā)電能力為P＝1.00×106 kW的核電站，核能轉化為電能的效率η＝40%.假定反應堆中發(fā)生的裂變反應全是本題(1)中的核反應，已知每次核反應過程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，鈾核的質量mU＝390×10－27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的U的質量． 答案　(1)(mU－mBa－mKr－2mn)c2　(2)1 104 kg 解析　(1)釋放的能量為 ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2. (2)因核電站發(fā)電效率為40%， 故核電站消耗U的功率為 P′＝＝ kW＝2.5×106 kW. 核電站每年消耗U的能量為 W＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J 產(chǎn)生這些能量消耗的鈾核的數(shù)目： n＝＝≈2.83×1027(個) 每年消耗U的質量為 M＝nmU＝2.83×1027×390×10－27 kg≈1 104 kg. 9