第四章 第六节 第七节

第六节核能利用第七节小粒子与大宇宙[学习目标] 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、核反应堆及核电站1.核电站是利用核能发电，它的核心设施是反应堆，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：采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子的能力很强的特性，控制链式反应的速度.2.工作原理核燃料裂变释放能量，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，同时也使反应堆冷却.4.核污染的防护与处理在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线.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.[即学即用]判断下列说法的正误.(1)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度.(√)(2)核反应堆用过的核废料无毒无害.(×)二、小粒子和大宇宙1.从小粒子到大宇宙——空间跨度(1)对宇宙的时空结构、运动形态和物质演化的理论描述，称为宇宙模型.(2)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.(3)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从10－15 m到1027m，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：1018s.(2)微观粒子的最短寿命：10－25s.(3)物质世界的时间尺度：约从10－25s到1018s，跨越了将近43个数量级.一、核反应堆与核电站1.核反应堆的主要部件及作用如下表：(1)消耗的核燃料少.(2)作为核燃料的铀在地球上可采储量大，所能提供的能量大.(3)对环境的污染要比火力发电小.例1如图1是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是()图1A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B.快中子跟减速剂的原子核碰撞后的能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C.控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D.要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些答案B解析快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，选项C、D都错误.二、粒子的分类和夸克模型1.粒子的分类(1)夸克的提出：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的.(2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t). (3)夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的＋23或－13.例如，上夸克带的电荷量为＋2e 3，下夸克带的电荷量为－e3.(4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷.例2 目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u 夸克和d 夸克的两类夸克组成的.u 夸克带电荷量为23e ，d 夸克带电荷量为－13e ，e 为元电荷，下列论断中可能正确的是( )A.质子由1个u 夸克和2个d 夸克组成，中子由1个u 夸克和2个d 夸克组成B.质子由2个u 夸克和1个d 夸克组成，中子由1个u 夸克和2个d 夸克组成C.质子由1个u 夸克和2个d 夸克组成，中子由2个u 夸克和1个d 夸克组成D.质子由2个u 夸克和1个d 夸克组成，中子由2个u 夸克和1个d 夸克组成 答案 B解析 质子11H 带电荷量为2×23e ＋(－13e )＝e ，中子10n 带电荷量为23e ＋2×(－13e )＝0.可见B 正确. 1.(核反应堆的理解)(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是( ) 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 ABD解析 铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A 正确；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，故B 正确；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，故C 错误；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，故D 正确.2.(链式反应的认识)链式反应中，重核裂变时放出的可使裂变不断进行下去的粒子是( ) A.质子 B.中子 C.β粒子 D.α粒子 答案 B解析 在重核的裂变中，铀235需要吸收一个慢中子后才可以发生裂变，所以重核裂变时放出的可使裂变反应不断进行下去的粒子是中子.3.(基本粒子的理解)若π＋介子、π－介子都是由一个夸克(夸克u 或夸克d)和一个反夸克(反夸克u 或反夸克d )组成的，它们的带电荷量如表所示，表中e 为元电荷.(1)(2)按最简单的组成，π－介子由谁和谁组成？ 答案 (1)π＋介子是由夸克u 和反夸克d 组成的(2)π－介子由夸克d 和反夸克u 组成解析 (1)π＋介子带有＋e 的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克u 带＋23e 和反夸克d 带＋13e 合成电荷量为e .(2)π－介子带有－e 的电荷量，是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克d 带－13e 和反夸克u带－23e 合成电荷量为－e .4.(核能的计算)裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核235 92U 为燃料的反应堆中，当23592U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为23592U＋ 10n → 139 54Xe ＋ 9438Sr ＋ 310n235.043 9 1.008 7 138.917 8 93.915 4反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u 为单位)，已知1 u 的质量对应的能量为931.5 MeV ，此裂变反应释放出的能量是 MeV . 答案 180解析 此裂变反应的质量亏损为：(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 的质量对应的能量为931.5 MeV ， ΔE ＝931.5×0.193 3 MeV ≈180 MeV.一、选择题(1～5题为单选题，6～7题为多选题) 1.关于粒子，下列说法正确的是( )A.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B.强子都是带电的粒子C.夸克模型是探究三大类粒子结构的理论D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位 答案 D解析 由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A 、B 错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋23e 和－e3，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C 错误，D 正确.2.中国承诺到2020年碳排放量下降40%～45%，为了实现负责任大国的承诺，我们将新建核电站项目.目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是( )A.235 92U ＋10n →9038Sr ＋136 54Xe ＋1010nB.2411Na ―→2412Mg ＋0－1e C.14 7N ＋42He ―→17 8O ＋11H D.238 92U ―→234 90Th ＋42He答案 A解析 重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A 是裂变反应，A 正确；B 为β衰变，C 是发现质子的反应，D 是α衰变. 3.关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是( ) A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多 B.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大 C.聚变反应中粒子的平均结合能变小D.聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增大 答案 B4.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－2.5.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K R -与πR -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1A.1∶1B.1∶2C.1∶3D.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Bq v ＝m v 2R 得R ＝m vBq＝pBq，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K p -∶πp -＝K R -∶πR -＝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K p -＝－πp -＋0πp ，则πp -∶0πp ＝1∶3故A 、B 、D 错，C 对. 6.在某次核反应中，1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核，则下列说法中正确的是( ) A.这是一个聚变反应B.核反应方程式为21H ＋31H →42He ＋10nC.目前核电站都采用上述核反应发电D.该核反应没有质量亏损 答案 AB解析 1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核，反应方程为21H ＋31H →42He ＋10n ，这是聚变反应，故A 、B 正确；目前核电站采用核裂变发电，故C 错误；该反应放出热量，所以一定有质量亏损，故D 错误.7.日本福岛第一核电站在地震后，数秒内就将控制棒插入核反应堆芯，终止了铀的裂变链式反应.但海啸摧毁了机组的冷却系统，因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量，核燃料棒温度不断上升，对周边环境产生了巨大的危害.则下列说法正确的是( ) A.控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制B.日本后来向反应堆灌注海水，可以降温，但大量的被污染的海水外泄，对周边环境产生了巨大的危害C.核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大D.核泄漏中放射性物质对人类是有害的 答案 ABD解析 控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制，选项A 正确；日本后来向反应堆灌注海水，大量的被污染的海水外泄，泄漏中放射性物质对周边环境产生了巨大的危害，选项B 、D 正确；因为核反应有能量释放，可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小，故C 错误. 二、非选择题8.一个原来静止的锂核(63Li)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.答案 (1)63Li ＋10n ―→31H ＋42He (2)2.0×104 m/s 解析 (1)63Li ＋10n ―→31H ＋42He.(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 2v 2＝m n v 0＋m T v 1m He＝2.0×104 m/s.9.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 ＋10n ―→141 56Ba ＋9236Kr ＋310n 是反应堆中发生的许多核反应中的一种，以m U 、m Ba 、m Kr 分别表示235 92U 、141 56Ba 、9236Kr 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 ＝2.78×10－11J ，铀核的质量m U ＝390×10－27kg ，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的235 92U 的质量. 答案 (1)(m U －m Ba －m Kr －2m n )c 2 (2)1 104 kg 解析 (1)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%＝1.00×10640% 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.。