8　粒子和宇宙名师教学设计1

第8节

粒子和宇宙

学习目标

1.知道重核的裂变产物和链式反应发生的条件．

2.知道核聚变，了解受控聚变反应．

3.会判断和书写核裂变、核聚变方程，能计算核反应释放的能量．

4.知道粒子的分类及其应用，了解夸克模型．

5.了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化．

基础梳理

一、核裂变

1．核裂变：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程．

2．铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是

2351144891

92U＋0n→

56Ba＋36Kr＋30n．

3．链式反应：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应．

4．链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量．

二、核电站

1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成：

(1)燃料：铀棒．

(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水作慢化剂．

(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法调节中子的数目，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，用于发电．

4．核污染的处理：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，深埋地下．

三、核聚变与受控热核反应

1．核聚变

(1)定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应．

341(2)举例：21H＋1H→2He＋0n＋17.6 MeV (3)条件

①轻核的距离要达到10－15 m以内．

②需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．

(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹，需要用原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸．

(5)太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.5×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部聚变释放的核能．

2．受控热核反应

(1)聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高．第二：地球上聚变燃料的储量丰富．第三：轻核聚变更为安全、清洁，控制温度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理．

(2)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温．

(3)控制方法

①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器．

②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用激光从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应．

四、粒子和宇宙

1．“基本粒子”不基本

(1)直到19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是基本粒子．

(2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子组成的，并发现质子、中子等本身也有复杂结构．

2．发现新粒子

(1)新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等．

(2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子．

3．夸克模型：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21构成的，带电量为＋e或－e. 334．宇宙的演化

宇宙大爆炸――→温度为10K，产生了夸克、轻子、胶子等粒子――→温度下降到1013K左右，强子时代→温度下降到1011K时，轻子时代→温度下降到109K时，核合成时代――→温度下降到104K，混合电离态→温度下降到3 000 K时，中性的氢原子――→恒星和星系．

5．恒星的演化：宇宙尘埃→星云团→恒星诞生→氢核聚合成氦核→氦核聚合成碳核→其他聚变过程→无聚变反应，形成白矮星或中子星或黑洞．

判一判

(1)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去．(

) (2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．(

) (3)核聚变时吸收能量．(

) 一万年后继续冷却约10－44s后32约106s后－

(4)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大．(

) (5)夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单元．(

) (6)恒星在辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡阶段停留时间最长．(

) 提示：(1)√

(2)×

(3)×

(4)√

(5)√

(6)√

做一做

(多选)如图是慢中子反应堆的示意图，对于核反应堆，下列说法中正确的是(

)

A．铀235容易吸收快中子发生裂变反应

B．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

C．控制棒由镉做成，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

D．若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

提示：选BC．根据铀235的特点，它更容易吸收慢中子而发生裂变，A错误；在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量从而更易让铀235吸收引起裂变反应，B正确；链式反应的剧烈程度取决于裂变释放出的中子总数，镉控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反应的快慢，即插入的深，吸收的多，反应将变慢，反之将加快，C正确，D错误．

核裂变与核能的计算

1．常见的裂变方程

1139951(1)

23592U＋0n→

54Xe＋38Sr＋20n 1144891(2)

23592U＋0n→

56Ba＋36Kr＋30n 2．链式反应发生的条件

(1)铀块的体积大于临界体积．体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核．

(2)有足够浓度的铀235. (3)有足够数量的慢中子．

3．裂变反应的能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当

于2 800 t标准煤完全燃烧释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温．

命题视角1

对重核裂变的理解

关于重核的裂变，以下说法正确的是(

) A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量

B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应

C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少

D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能

[解析]

根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积．如果体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会发生．在裂变反应中核子数是不会减少的，如

23592U13623511361裂变为90→9038Sr和

54Xe的核反应，其核反应方程为

92U＋0n―38Sr＋

54Xe＋100n，其中各粒子质量分别为

mU＝235.043 9 u，mn＝1.008 67 u，

mSr＝89.907 7 u，mXe＝135.907 2 u，

质量亏损为

Δm＝(mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn)＝0.150 97 u.

可见铀核裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此选项A、B、C均错．

[答案]

D

命题视角2

裂变中核能的计算

1143A10

现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是235

92U＋0n→

60Nd＋ZZr＋30n＋8－1e＋

ν. (1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数．

(2)已知铀(U)核质量为235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u；又知1 u＝1.660 6×10是多少？

[思路点拨] 关键是计算裂变前后的质量亏损．

[解析]

(1)锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－146＝90；核反应方程中应用符号9040Zr表示．

1 000(2)1 kg铀235的铀核数为n＝×6.02×1023≈2.56×1024个．不考虑核反应中生成235－27 kg，试计算1 kg铀235大约能产生的能量

的电子质量，一个铀核反应发生的质量亏损为Δm＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn＝0.212 u．因此1 kg铀235完全裂变产生的能量约为E＝n·Δm×931.5 MeV＝2.56×1024×0.212×931.5 MeV≈5.06×1026 MeV.

[答案]

(1)40

90

(2)5.06×1026 MeV