高中物理第四章原子核46核能利用47小粒子与大宇宙教学案粤教版5

第六节核能利用

第七节小粒子与大宇宙

[目标定位] 1.了解裂变反应堆的工作原理.2.了解核电站和核能利用的优缺点.3.了解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时间跨度．

一、反应堆

1．核反应堆是人工控制链式反应的装置．它主要由以下几部分组成：

(1)燃料：铀棒；

(2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水作减速剂；

(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．

2．工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高．

3．能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内、外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．

4．核污染的处理：修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，埋入深地层来处理．

二、核电站、核能利用

1．核电站

利用反应堆工作时释放的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站．

2．核能利用

(1)核力发电；

(2)核动力；

(3)原子核物理实验制造各种放射性同位素．

三、小粒子与大宇宙

1．从小粒子到大宇宙——空间跨度

(1)大爆炸宇宙模型：大约150亿年前突然发生一次大爆炸，其后逐渐诞生出恒星、星团、脉冲星、超新星、黑洞以及被称作类星体的遥远发光体等，经历150亿年演化成今天的宇宙世界．

(2)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从10－15_m到1027_m，共跨越了约42个数量级．2．从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度

(1)宇宙的年龄的数量级：1018_s.

(2)微观粒子的最短寿命：10－25_s.

(3)物质世界的时间尺度：约从10－25_s到1018_s，跨越了将近43个数量级．

预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中

问题1 问题2 问题3

一、核反应堆

裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理如下表：

组成部分 材料 作用 裂变材料 (核燃料) 浓缩铀(235

92U) 提供核燃料

慢化剂 (减速剂) 石墨、重水 和普通水 使裂变产生的快中子减速 控制棒 镉 吸收减速后的中子，控制反应速

度 反射层 石墨 阻止中子逃逸

热交换器

水 产生高温蒸汽，推动汽轮发电机

发电

防护层

金属套和 钢筋混凝土

防止射线对人体及其他生物体

的侵害

在重水中可与2

1H 核碰撞减速，在石墨中与12

6C 核碰撞减速．上述碰撞可简化为弹性碰撞模型．某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？ 答案 见解析

解析 设中子质量为m n ，靶核质量为m ，由动量守恒定律得：m n v 0＝m n v 1＋mv 2 由能量守恒得：12m n v 02＝12m n v 12

＋12mv 22

解得v 1＝

m n －m

m n ＋m

v 0， 在重水中靶核质量m H ＝2m n

v 1H ＝m n －m H m n ＋m H v 0＝－13

v 0，

在石墨中靶核质量m C ＝12m n ，

v 1C ＝m n －m C m n ＋m C v 0＝－1113

v 0

与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好．

借题发挥 (1)中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒、能量守恒．

(2)因为靶核的质量大于中子的质量，故靶核的质量比中子的质量大得越少，减速效果越好，如质量相等时可以使中子的速度减为零．

针对训练1 在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是( ) A ．使用浓缩铀 B ．改变铀块的临界体积

C ．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以改变中子数

D ．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度 答案 C

解析 控制核反应的速度是靠调节中子数目来实现，即用镉棒吸收中子改变中子数目． 二、核电站的工作原理

核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应．

铀235裂变需要一定的条件：(1)要有足够浓度的铀235；(2)要有足够数量的慢中子；(3)铀块的体积要大于临界体积．当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状，核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能，这就叫链式反应．

原子弹中裂变一旦开始，裂变放出的快中子，又引起其他铀核裂变的速度很快，在极短的时间内释放大量的能量，因此杀伤力强大．

在核电站中，核反应堆是热源，如图1为简化的核反应堆的示意图：

图1

铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成．石墨(或重水)为减速剂，使反应生成的快中子变为慢中子，利于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围．镉棒

的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深些，吸收中子多，反应速度变慢，插浅一些，吸收中子少，反应速度加快．采用电子仪器自动地调节控制棒的升降，就能使反应堆安全正常地工作．

【例2】 在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．

(1)核反应方程式235

92U ＋1

0n ―→141

56Ba ＋92

36Kr ＋a X 是反应堆中发生的许多核反应中的一种，1

0n 为中子，X 为待求粒子，a 为X 的个数，则X 为________，a ＝__________.以m U 、m Ba 、m Kr 分别表示235

92U 、141

56Ba 、92

36Kr 的质量，m n 、m p 分别表示中子、质子的质量，c 为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE ＝________.

(2)有一座发电能力为P ＝1.00×106

kW 的核电站，核能转化为电能的效率η＝40 %.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE ＝2.78×10－11

J ，铀核的质量m U ＝390×10

－27

kg ，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的235

92U 的质

量．

答案 (1)1

0n 3 (m U －m Ba －m Kr －2m n )c 2

(2)1 104 kg

解析 (1)由反应方程可知：X 为1

0n ，a 为3， 释放的能量为ΔE ＝(m U －m Ba －m Kr －2m n )c 2

. (2)因核电站发电效率为40 %， 故核电站消耗235

92U 的功率为

P ′＝P

40 %＝1.00×106

40 % kW ＝2.5×106 kW.

核电站每年消耗235 92U 的能量为

W ＝P ′t ＝2.5×109×3.15×107 J ＝7.875×1016 J

产生这些能量消耗的铀核的数目： n ＝W

ΔE ＝7.875×1016

J 2.78×10－11

J ≈2.83×1027

(个) 每年消耗235

92U 的质量为

M ＝nm U ＝2.83×1027×390×10－27 kg≈1 104 kg.

针对训练2 1964年10月16日，我国在新疆罗布泊沙漠成功地进行了第一颗原子弹试验，结束了中国无核时代．

(1)原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量，由于裂变物质的体积超过临界体积而爆炸．

①完成核裂变反应方程式：

235 92

U ＋10n→( )Xe ＋9438Sr ＋21

0n ＋200 MeV

②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么？产生这种反应的条件必须是什么？

(2)为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染环境，需采用哪些措施？(举两种)

答案(1)①140 54②链式反应中子再生率大于1

(2)核反应堆外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线；放射性核废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理．

三、对粒子的认识

【例3】正电子、负质子等都属于反粒子，它们跟普通电子、质子的质量、电量均相等，而电性相反．科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质.1997年初和年底，欧洲和美国的科研机构先后宣布：他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是( )

A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成

B．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成

C．由一个不带电荷的中子与一个带负电荷的电子构成

D．由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成

答案 B

解析反氢原子的结构是由反粒子构成的物质，正电子、负质子等都属于反粒子

核反应堆

1．原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置．它主要有哪四部分组成( ) A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统

B．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统

C．原子燃料、调速剂、碰撞系统和控制调节系统

D．原子燃料、减速剂、原子能聚存系统和输送系统

答案 A

解析目前核反应组成有：原子燃料、减速剂、控制调节系统、与冷却系统．

2．关于原子核反应堆，下列说法不正确的是( )

A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能

B．镉棒的作用是控制反应堆的功率

C．石墨的作用是吸收中子

D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能

答案 C

解析铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，A对；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，B对；慢中子最容易引发核裂变，所以在快中

子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，C错；水或液态金属钠等流体在反应堆内、外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控制温度，D对．

核电站

3．秦山核电站第三期工程的两个6×105 kW发电机组已实现并网发电. 发电站的核能来源于U的裂变，下列说法正确的是( )

A．反应堆中核反应速度通常是采用调节U的体积来控制的

B.U的一种可能的裂变是

C.U是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短

D．虽然核电站能提供很大的能量，但它对环境的污染比火电站严重

答案 B

解析反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制，A错；U裂变有多

种可能性，是其中常见的一种，B对；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温度、压强等外界条件无关，C错；核电站的核能是清洁能源，污染少，D错．

(时间：60分钟)

题组一核反应堆

1．利用重核裂变释放核能时选用铀235核，主要原因是( )

A．它裂变放出核能比其他重核裂变多

B．它可能分裂成三部分或四部分

C．它能自动裂变，与体积无关

D．它比较容易发生链式反应

答案 D

解析铀235俘获任何能量的中子都会发生裂变反应，故D正确．

2．关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是( )

A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度

B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量

C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量

D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度

答案 C

解析镉棒并不能释放中子，也不能使中子减速，对铀核裂变也没有阻碍作用，而是利用对中子吸收能力强的特点，控制中子数量的多少而控制核反应速度，故C正确．

3．镉棒在核反应中的作用是( )

A．使快中子变成慢中子

B．使慢中子变成快中子

C．使反应速度加快

D．控制反应速度，调节反应速度的快慢

答案 D

解析在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，镉棒起吸收中子，控制反应速度，调节反应速度的快慢．

4．为使链式反应平稳进行，可采用下列的办法( )

A．铀块可制成任何的体积

B．铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核

C．通过慢化剂将产生的中子减速

D．用镉棒可作为慢化剂使中子减速

答案 C

解析由于使铀块发生链式反应的体积应大于临界体积，故A错误；铀核裂变释放出的为快中子，不能直接再去轰击铀核，必须用慢化剂减速，而镉棒是用于控制中子数量的，故C 正确，B、D错误．

题组二核电站

5．(多选)山东荣成石岛湾核电站总装机规模400 万千瓦．核电站与火电站相比较，其优势在于( )

A．核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量

B．就可采储量来说，地球上核燃料资源远多于煤炭

C．核电站造成的污染大于相等发电能力的火电站

D．核电站比火电站更容易建造

答案AB

解析核电站与火电站相比，相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多．地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的15倍．只要措施得当，核电站造成的污染很小，核能属于清洁能源，A、B均正确，C错误；核电站的建造难度较大，D错误．6．(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是( )

A．核能发电对环境的污染比火力发电要小

B．核能发电对环境的污染比火力发电要大

C．目前所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能

D．目前既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能

答案AC

解析目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A、C正确，B、D错．

7．我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U 的裂变，现有四种说法：

①U原子核中有92个质子，143个中子；

②U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程为

③235 92U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45 亿年，升高温度半衰期缩短；

④一个U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×10－11 J.

以上说法中完全正确的是( )

A．①②③B．②③④

C．①③④D．①②④

答案 D

解析由U的质量数和电荷数关系知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；通过计算知④正确，故答案为D.

题组三对粒子的认识

8．现在科学家们正在设法探寻“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量，但电荷符号相反．据此，若有反α粒子，它的质量数和电荷数分别为( )

A．－4，－2 B．4，－2

C．－4,2 D．4,2

答案 B

解析因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量、相同的电荷量，但电荷的符号相反．所以，反α粒子质量数为4，电荷数为－2.

9．K－介子衰变的方程为K－―→π－＋π0.其中K－介子和π－介子是带负电的基元电荷，π0介子不带电．如图1所示的1个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆

弧AP，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径R K－与Rπ－之比为2∶1.π0介子的轨迹未画出．由此可知π－的动量大小与π0的动量的大小之比为( )

图1

A．1∶1 B．1∶2

C．1∶3 D．1∶6

答案 C

解析带电粒子K－与π－在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力Bqv＝mv2

R

得R＝

mv

Bq

＝p

Bq

，K－介子与π－介子带电量相同，故运动的半径之比等于动量之比p K－∶pπ－＝R K－∶Rπ－

＝2∶1，在衰变后π－介子与π0介子动量方向相反，设K－介子的动量为正，则π－介子动量为负值，由动量守恒p K－＝－pπ－＋pπ0，则pπ－∶pπ0＝1∶3故A、B、D错，C对．

题组四综合应用

10．如下一系列核反应是在恒星内部发生的：

其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，μ为一种中微子．已知质子的质量m p＝1.672 648×10－27kg，α粒子的质量mα＝6.644 929×10－27kg，正电子的质量m e＝9.11×10－31kg，中微子的质量可忽略不计．真空中的光速c＝3.0×108m/s.试计算该系列反应完成后释放的能量．

答案 3.95×10－12 J

解析为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的各核反应方程左、右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为4p―→α＋2e＋＋2μ.

设反应后释放的能量为Q，

根据质能关系和能量守恒得 4m p c 2

＝m αc 2

＋2m e c 2

＋Q ， 代入数据可得Q ≈3.95×10

－12

J.

11．一个原来静止的锂核(6

3Li)俘获一个速度为7.7×104

m/s 的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103

m/s ，方向与中子的运动方向相反． (1)试写出核反应方程； (2)求出氦核的速度大小；

(3)若一个氘核和一个氚核发生聚变时可产生一个氦核，同时放出一个中子，求这个核反应释放出的能量．(已知氘核质量为m D ＝2.014 102 u ，氚核质量为m T ＝3.016 050 u ，氦核质量m He ＝4.002 603 u ，中子质量m n ＝1.008 665 u,1 u ＝1.660 6×10－27

kg)

答案 (1)6

3Li ＋1

0n ―→3

1H ＋4

2He (2)2×104 m/s (3)2.82×10

－12 J

解析 (1)6

3Li ＋1

0n ―→3

1H ＋4

2He

(2)取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得

m n v 0＝－m T v 1＋m He v 2

v 2＝m n v 0＋m T v 1m He ＝1×7.7×104＋3×1.0×1034

m/s

＝2×104

m/s

(3)质量亏损为Δm ＝m D ＋m T －m He －m n

＝(2.014 102＋3.016 050－4.002 603－1.008 665) u ＝0.018 884 u≈3.136×10－29

kg

根据爱因斯坦质能方程 ΔE ＝Δmc 2

＝3.136×10

－29

×(3×108)2 J≈2.82×10

－12

J