2017-2018學(xué)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(xué)案 粵教版選修3-5

第六節(jié) 核能利用 第七節(jié) 小粒子與大宇宙學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解裂變反應(yīng)堆的工作原理.2.了解核電站和核能利用的優(yōu)缺點(diǎn).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(yīng)堆及核電站1核電站是利用核能發(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、重水或普通水作減速劑；(3)控制棒：采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法，利用鎘吸收中子的能力很強(qiáng)的特性，控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度2工作原理核燃料裂變釋放能量，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核污染的處理在反應(yīng)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(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器，埋入深地層來處理即學(xué)即用判斷下列說法的正誤(1)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()(2)核反應(yīng)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(jì)末，人們都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的不可再分的最小微粒，后來人們發(fā)現(xiàn)了光子、電子、質(zhì)子、中子，并把它們叫做“基本粒子”(2)隨著科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)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(zhì)子、中子等本身也有復(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)了子，1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和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(guān)系，可將粒子分為三大類：強(qiáng)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(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)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(tuán)、脈沖星、超新星、黑洞以及被稱作類星體的遙遠(yuǎn)發(fā)光體等，經(jīng)歷150億年演化成今天的宇宙世界(2)人類所能研究的物質(zhì)世界的空間尺度：約從1015_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：1025_s.(3)物質(zhì)世界的時間尺度：約從1025_s到1018_s，跨越了將近43個數(shù)量級.一、核反應(yīng)堆與核電站1核反應(yīng)堆的主要部件及作用如下表： 部件 名稱項(xiàng)目減速劑控制棒熱循環(huán)介質(zhì)保護(hù)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.核電站發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)(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)電小例1如圖1是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對該反應(yīng)堆的下列說法中正確的是()圖1A鈾235容易吸收快中子后發(fā)生裂變反應(yīng)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(yīng)C控制棒由鎘做成，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會慢一些D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(yīng)，選項(xiàng)B正確，A錯誤；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強(qiáng)，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，選項(xiàng)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(qiáng)子參與強(qiáng)相互作用質(zhì)子、中子、介子、超子強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸克”構(gòu)成；強(qiáng)子又可分為介子和重子輕子不參與強(qiáng)相互作用電子、電子中微子、子、子中微子、子、子中微子未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(qiáng)相互作用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(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)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?jǐn)?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，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?jǐn)?shù)電荷例2目前普遍認(rèn)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(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夸克組成答案B解析質(zhì)子H帶電荷量為2×e(e)e，中子n帶電荷量為e2×(e)0.可見B正確.1(多選)關(guān)于核反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(qiáng)，作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，即控制反應(yīng)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(jìn)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(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，控制溫度，故D正確2鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，重核裂變時放出的可使裂變不斷進(jìn)行下去的粒子是()A質(zhì)子 B中子 C粒子 D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(yīng)不斷進(jìn)行下去的粒子是中子3若介子、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ud帶電荷量ee(1)按最簡單的組成，介子由誰和誰組成？(2)按最簡單的組成，介子由誰和誰組成？答案(1)介子是由夸克u和反夸克組成的(2)介子由夸克d和反夸克組成解析(1)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)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(yīng)是目前核能利用中常用的反應(yīng)，以原子核U為燃料的反應(yīng)堆中，當(dāng)U俘獲一個慢中子后發(fā)生的裂變反應(yīng)可以有多種方式，其中一種可表示為U n Xe Sr3n235043 91.008 7138.917 893.915 4反應(yīng)方程下方的數(shù)字是中子及有關(guān)原子的靜止質(zhì)量(以原子質(zhì)量單位u為單位)，已知1 u的質(zhì)量對應(yīng)的能量為931.5 MeV，此裂變反應(yīng)釋放出的能量是_ MeV.答案180解析此裂變反應(yīng)的質(zhì)量虧損為：(235.043 91.008 7) u(138.917 893.915 43×1.008 7) u0.193 3 u，由于1 u的質(zhì)量對應(yīng)的能量為931.5 MeV，E931.5×0.193 3 MeV180 MeV.一、選擇題(15題為單選題，67題為多選題)1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(qiáng)子都是帶電的粒子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答案D解析由于質(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(qiáng)子，有的強(qiáng)子帶電，有的強(qiáng)子不帶電，故A、B錯誤；夸克模型是研究強(qiáng)子結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)負(fù)責(zé)任大國的承諾，我們將新建核電站項(xiàng)目目前關(guān)于核電站獲取核能的基本核反應(yīng)方程可能是()A.UnSrXe10nB.NaMgeC.NHeOHD.UThHe答案A解析重核的裂變是指質(zhì)量數(shù)較大的原子核分裂成兩個中等質(zhì)量的原子核，A是裂變反應(yīng)，A正確；B為衰變，C是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的反應(yīng)，D是衰變3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)中粒子的平均結(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)量增大答案B4現(xiàn)在科學(xué)家們正在設(shè)法探尋“反物質(zhì)”，所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子有相同的質(zhì)量和相同的電荷量，但電荷符號相反據(jù)此，若有反粒子，它的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別為()A4，2 B4，2C4,2 D4,2答案B解析因“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量、相同的電荷量，但電荷的符號相反所以，反粒子質(zhì)量數(shù)為4，電荷數(shù)為2.5K介子衰變的方程為K0.其中K介子和介子是帶負(fù)電的基元電荷，0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(qiáng)磁場中，其軌跡為圓弧AP，衰變后產(chǎn)生的介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點(diǎn)相切，它們的半徑RK與R之比為21.0介子的軌跡未畫出由此可知的動量大小與0的動量的大小之比為()圖1A11 B12C13 D16答案C解析帶電粒子K與在磁場中做勻速圓周運(yùn)動，洛倫茲力提供向心力Bqv得R，K介子與介子帶電量相同，故運(yùn)動的半徑之比等于動量之比pKpRKR21，在衰變后介子與0介子動量方向相反，設(shè)K介子的動量為正，則介子動量為負(fù)值，由動量守恒pKpp0，則pp013故A、B、D錯，C對6能源是社會發(fā)展的基礎(chǔ)，發(fā)展核能是解決能源問題的途徑之一，下列釋放核能的反應(yīng)方程，表述正確的有()A.HHHen是核聚變反應(yīng)B.HHHen是衰變C.UnBaKr3n是核裂變反應(yīng)D.UnXeSr2n是衰變答案AC解析兩個輕核聚合成一個較重的核的反應(yīng)為核聚變反應(yīng)，故A對，B錯；重核被中子轟擊后分裂成兩個中等質(zhì)量的原子核并放出若干個中子的反應(yīng)為核裂變反應(yīng)，故C對；原子核放出或粒子后變成另一種原子核的反應(yīng)稱為原子核的衰變原子核的衰變的反應(yīng)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(nèi)就將控制棒插入核反應(yīng)堆芯，終止了鈾的裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)但海嘯摧毀了機(jī)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(shí)現(xiàn)對核反應(yīng)的控制B日本后來向反應(yīng)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(zhì)量可能比鈾原子質(zhì)量大D核泄漏中放射性物質(zhì)對人類是有害的答案ABD解析控制棒通過吸收中子來實(shí)現(xiàn)對核反應(yīng)速度的控制，選項(xiàng)A正確；日本后來向反應(yīng)堆灌注海水，大量的被污染的海水外泄，泄漏中放射性物質(zhì)對周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害，選項(xiàng)B、D正確；因?yàn)楹朔磻?yīng)有能量釋放，可知銫、鋇等原子的質(zhì)量比鈾原子質(zhì)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(yùn)動方向相反(1)試寫出核反應(yīng)方程；(2)求出氦核的速度大小答案(1)LinHHe(2)2×104 m/s解析(1)LinHHe.(2)取中子的運(yùn)動方向?yàn)檎较颍蓜恿渴睾愣傻胢nv0mTv1mHev2v22×104 m/s.9在所有能源中核能具有能量密度大、區(qū)域適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢，在核電站中，核反應(yīng)堆釋放的核能被轉(zhuǎn)化為電能核反應(yīng)堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量核能(1)核反應(yīng)方程式UnBaKr310n是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)中的一種，以mU、mBa、mKr分別表示U、Ba、Kr的質(zhì)量，mn、mp分別表示中子、質(zhì)子的質(zhì)量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應(yīng)過程中放出的核能E_.(2)有一座發(fā)電能力為P1.00×106 kW的核電站，核能轉(zhuǎn)化為電能的效率40%.假定反應(yīng)堆中發(fā)生的裂變反應(yīng)全是本題(1)中的核反應(yīng)，已知每次核反應(yīng)過程中放出的核能E2.78×1011 J，鈾核的質(zhì)量mU390×1027 kg，求每年(1年3.15×107 s)消耗的U的質(zhì)量答案(1)(mUmBamKr2mn)c2(2)1 104 kg解析(1)釋放的能量為E(mUmBamKr2mn)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 kW2.5×106 kW.核電站每年消耗U的能量為WPt2.5×109×3.15×107 J7.875×1016 J產(chǎn)生這些能量消耗的鈾核的數(shù)目：n2.83×1027(個)每年消耗U的質(zhì)量為MnmU2.83×1027×390×1027 kg1 104 kg.9