《高中物理第四章原子核第六、七节核能利用小粒子与大宇宙教学案粤教选修3-5》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理第四章原子核第六、七节核能利用小粒子与大宇宙教学案粤教选修3-5（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六、七节 核能利用 小粒子与大宇宙1核反应堆是人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来。2反应堆里用的铀棒是天然铀或浓缩铀；石墨、重水的作用是使快中子变成慢中子，充当减速剂；镉棒的作用是吸收减速后的中子，控制反应速度，充当控制棒。3为了防止铀核裂变物放出的射线对人体的危害，在反应堆外面要修建很厚的水泥防护层来屏蔽射线，对放射性的废料也要装入特制的容器，埋入深地层来处理。4我国已于广东大亚湾建成两座核电站，还有浙江的秦山核电站。5人类目前能够观测到的最大距离约是140亿光年之远。这一距离可以看成是目前观测到的宇宙半径。6对宇宙的时空结构、运动形态和物体演化的理论描述，称为宇宙模型。大
2、爆炸宇宙模型是一种被普遍接受的模型，它认为，宇宙起源于大约150亿年前突然发生的一次大爆炸，其后逐渐诞生出星球、星系、脉冲星、超新星、黑洞以及被称作类星体的遥远发光体等等，经历150亿年才演化成今天的样子。7人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从1015 m到1027 m，共跨越了大约42个数量级；目前所知的微观粒子中，寿命最短的只有1025 s，可见，物质世界的时间尺度，约从1025 s到1018 s，也跨越了将近43个数量级。核 反 应 堆1.核反应堆的主要组成部分如图461所示为简化的核反应堆示意图图461(1)核燃料：反应堆使用天然铀或浓缩铀(铀235占3%4%)制成铀棒，作为核燃
3、料，释放核能。(2)中子减速剂：铀235具有易俘获慢中子，不易俘获快中子的特点。而核反应中释放的中子多数为快中子，应使用减速剂使它们的速度降下来。常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水。(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法增减中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子能力很强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度。(4)保护层：核反应堆外层是很厚的水泥壁。可防止射线辐射出去。(5)热交换器：靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去。2核反应堆的用途。(1)核电站利用反应堆发电。(2)小型反应堆可以使核能作为动力制造核动力潜艇。(3)进行各种原子核物
4、理实验。3核电站、核能利用(1)核电站：利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电。(2)特点：消耗燃料少，但经济效益跟火电站大体相同。反应堆是核电站的核心，是核电站的热源，核电站靠反应堆产生的内能发电。1在核反应堆中采用控制棒来控制裂变反应的速度，关于控制棒的作用，下面说法正确的是()A使中子运动的速度减慢B使中子运动的速度增加C放出中子，使中子的数目增加D吸收中子，使中子的数目减少解析：核反应堆中的控制棒即镉棒对中子的吸收能力很强，可调节镉棒插入的深浅来控制反应速度，选项D正确。答案：D对粒子的认识1.“基本粒子”和新粒子(1)电子、质子和中子：直到19世纪末，人们都认为原子
5、是组成物质的不可再分的最小微粒，后来发现了电子、质子和中子，于是很多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子。然而，随着科学的进一步发展，科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也是复合粒子，并且还有着自己的复杂结构，所以电子、质子、中子并不是组成物质世界的基本粒子。(2)新粒子：1912年奥地利物理学家赫斯对宇宙射线观测时，发现了一些新粒子。宇宙射线中粒子的能量很高，但数量很少。人们用高能加速器进行实验，发现了更多的粒子。如1932年发现了正电子，1937年发现了子，1947年发现了K子和子。2三大类粒子按
6、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(1)夸克模型的提出：许多实验事实表明，强子是有内部结构的。1964年提出的夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克(cuark)。(2)夸克的分类：夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷分别为电荷的或。每种夸克都有对应的反夸克。(3)夸克模型的意义：夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。(4)夸克的“禁闭”：目前人们对夸克的认识还是很初步的，科学家们直到今天都还未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的状态单
7、个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”。能否解放被禁闭的夸克，是21世纪物理学面临的重大课题之一。2为了探究宇宙起源，“阿尔法磁谱仪”(AMS)将在太空中寻找“反物质”。所谓“反物质”是由“反粒子”构成的。“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，则反氢原子是()A由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成B由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成C由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成D由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成解析：根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异性电荷。因此“反氢原子”应该具有与氢原子相
8、同的质量，相反的电荷符号且等量的电荷量。所以反氢原子是由H核和e构成的。答案：B核 反 应 堆例1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UnBaKraX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为_，a_。以mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的光速，则在上述核反应过程中放出的核能E_。(2)有一座发电能力为P1.00106 kW的核电站，核能转化为电
9、能的效率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E2.781011 J，铀核的质量mU3901027kg，求每年(1年3.15107s)消耗的U的质量。解析(1)由铀核裂变的反应方程可知：X为n，根据质量数和电荷数守恒可得：235114192a，解得a3。反应过程中质量亏损mmUmBamKr2mn故释放能量Emc2(mUmBamKr2mn)c2(2)核电站消耗核能的功率P为：P kW2.5106 kW核电站每年消耗的核能W为：WPt2.51061033.15107 J7.8751016 J产生这些核能消耗的铀核数目n为：n个2.831027个故
10、每年消耗U的质量m为：mnmU2.8310273901027 kg1104 kg。答案(1)n3(mUmBamkr2mn)c2(2)1104 kg解决此类题目时要把已知量和所求量联系起来，注意各物理量间的过渡换算，必要时应用阿伏加德罗常数联系微观量与宏观量。U受中子轰击时会发生裂变，产生Ba和Kr，同时放出200兆电子伏特的能量。现要建设发电能力是50万千瓦的核电站，用铀235作为原子锅炉的燃料。假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天需要纯铀235的质量为多大？(阿伏加德罗常数取6.021023/摩尔)解析：核电站每一天的发电量为：EPt50104103243 600 J4.321013
11、 J.据题意知，核电站一天的发电量就等于发电站在一天时间内铀235裂变所释放的总能量，故核电站每天所消耗的铀235核的个数为：n1.351024个。故发电站每一天需要的纯铀235的质量为：mM235103 kg0.527 kg。答案：0.527 kg夸 克 模 型例2已经证实，质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为e，下夸克带电为e，e为电子所带电量的大小，如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l，l1.51015 m。试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力(库仑力)。解析质子带电为e，所以它是由2个上夸克和1个下夸克组成的。按题意，三个夸克必位于等边三角
12、形的三个顶点处，这时上夸克与上夸克之间的静电力应为Fuukk 。代入数值，得Fuu46 N，为斥力。上夸克与下夸克之间的静电力为Fudkk 。代入数值，得Fud23 N，为引力。答案上夸克间静电力Fuu46 N，为斥力上、下夸克间静电力Fud23 N，为引力。夸克模型认为强子是由夸克组成的，它指明电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。1目前核电站利用的核反应是()A裂变，核燃料为铀B聚变，核燃料为铀C裂变，核燃料为氘 D聚变，核燃料为氘解析：目前核电站利用的核反应是重核裂变，主要原料是铀核，故A对。答案：A2镉棒在核反应堆中的作用是()A使快中子变慢中子B使慢中子变快中子C使反应速度加
13、快D控制反应速度，调节反应速度的快慢解析：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，调节功率大小的作用。故D对。答案：D3某核反应方程为HHHeX.已知H的质量为2.013 6 u。H的质量为3.018 u，He的质量为4.002 6 u，X的质量为1.008 7 u。则下列说法中正确的是()AX是质子，该反应释放能量BX是中子，该反应释放能量CX是质子，该反应吸收能量DX是中子，该反应吸收能量解析：由质量数守恒有，X核的核子数A2341。由电荷数守恒有，X核的质子数：Z1120。由此可得X是中子。由题目给出的已知条件，可算出反应后的质量亏损：m(2.013 63
14、.0184.002 61.008 7)u 0.020 3 u0。由于反应过程存在质量亏损，因此该反应必定释放能量。故B对。答案：B4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，它的主要组成部分是()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，碰撞系统和热系统D原子燃料，中子源，原子能聚存和输送系统解析：核反应堆的主要部分包括燃料；减速剂，采用石墨、重水或水；控制棒，控制链式反应的速度；冷却系统，水或液态钠等流体在反应堆外循环流动，把反应堆的热量传输出去用于发电，故A正确，B、C、D错。答案：A5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：U原子核中有92个质子，有143个中子U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程式为：UnXeSr3nU是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期变短一个U裂变能放出200 MeV的能量，合3.21011 J以上说法中完全正确的有()A BC D解析：由U的质量数和电荷数的关系易知正确。由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知正确。半衰期不受外界因素干扰，故错误。通过计算知正确，故答案为D。
