學必求其心得，業必貴于專精學必求其心得，業必貴于專精學必求其心得，業必貴于專精第六節核能利用第七節小粒子與大宇宙［學習目標]1。了解裂變反應堆的工作原理.2.了解核電站和核能利用的優缺點。3。了解小粒子和大宇宙間的空間跨度和時間跨度．一、核反應堆及核電站1．核電站是利用核能發電，它的核心設施是反應堆，它主要由以下幾部分組成：（1）燃料：鈾棒．(2）慢化劑:鈾235容易捕獲慢中子發生反應，采用石墨、重水或普通水作減速劑；(3）控制棒:采用在反應堆中插入鎘棒的方法，利用鎘吸收中子的能力很強的特性，控制鏈式反應的速度．2．工作原理核燃料裂變釋放能量，使反應區溫度升高．3．能量輸出利用水或液態的金屬鈉等流體在反應堆內外循環流動，把反應堆內的熱量傳輸出去，用于發電，同時也使反應堆冷卻．4．核污染的處理在反應堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變產物放出的各種射線．核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制的容器,埋入深地層來處理．［即學即用］判斷下列說法的正誤．(1）核反應堆是通過調節中子數目以控制反應速度．（√）（2）核反應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世紀末，人們都認為原子是組成物質的不可再分的最小微粒，后來人們發現了光子、電子、質子、中子,并把它們叫做“基本粒子”．(2)隨著科學的發展,科學們發現了很多的新粒子并不是由以上基本粒子組成的，并發現質子、中子等本身也有復雜結構．2．發現新粒子(1)新粒子：1932年發現了正電子，1937年發現了μ子，1947年發現了K介子和π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系，可將粒子分為三大類：強子、輕子和媒介子．3．夸克模型的提出1964年美國物理學家蓋爾曼提出了強子的夸克模型，認為強子是由夸克構成的．4．從小粒子到大宇宙——空間跨度（1）大爆炸宇宙模型：大約150億年前突然發生一次大爆炸，其后逐漸誕生出恒星、星團、脈沖星、超新星、黑洞以及被稱作類星體的遙遠發光體等，經歷150億年演化成今天的宇宙世界．（2)人類所能研究的物質世界的空間尺度：約從10－15_m到1027_m，共跨越了約42個數量級．5．從粒子壽命到宇宙年齡——時間跨度（1)宇宙的年齡的數量級:1018_s.（2）微觀粒子的最短壽命：10－25_s。（3)物質世界的時間尺度:約從10－25_s到1018_s，跨越了將近43個數量級。一、核反應堆與核電站1．核反應堆的主要部件及作用如下表：部件名稱項目減速劑控制棒熱循環介質保護層采用的材料石墨、重水或普通水(也叫輕水）鎘水或液態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，控制反應速度把反應堆內的熱量傳輸出去屏蔽射線,防止放射性污染2.核電站發電的優點（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)對環境的污染要比火力發電小．例1如圖1是慢中子反應堆的示意圖，對該反應堆的下列說法中正確的是()圖1A．鈾235容易吸收快中子后發生裂變反應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C．控制棒由鎘做成，當反應過于激烈時,使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些D．要使裂變反應更激烈一些，應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，鏈式反應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，選項B正確，A錯誤;控制棒由鎘做成,鎘吸收中子的能力很強,當反應過于激烈時，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些,選項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現的粒子備注強子參與強相互作用質子、中子、介子、超子強子有內部結構,由“夸克"構成；強子又可分為介子和重子輕子不參與強相互作用電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未發現內部結構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、強相互作用2。夸克模型（1）夸克的提出:1964年美國物理學家蓋爾曼提出了強子的夸克模型，認為強子是由夸克構成的．（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數電荷量，即其電荷量為元電荷的＋eq\f(2,3）或－eq\f(1，3).例如，上夸克帶的電荷量為＋eq\f（2e,3)，下夸克帶的電荷量為－eq\f（e，3)。（4)意義：電子電荷不再是電荷的最小單位，即存在分數電荷．例2目前普遍認為，質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eq\f(2,3)e，d夸克帶電荷量為－eq\f（1,3）e，e為元電荷，下列論斷中可能正確的是()A．質子由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解析質子eq\o\al(1，1)H帶電荷量為2×eq\f(2，3)e＋（－eq\f(1，3）e)＝e,中子eq\o\al（1，0)n帶電荷量為eq\f(2，3）e＋2×(－eq\f(1,3）e)＝0.可見B正確.1．(多選）關于核反應堆，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,作用是調節中子數目以控制反應速度，即控制反應堆功率,故B正確；慢中子最容易引發核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進行減速，石墨的作用是使中子減速，故C錯誤；水或液態金屬鈉等流體在反應堆內外循環流動，把反應堆內的熱量傳輸出去，用于發電,同時也使反應堆冷卻，控制溫度，故D正確．2．鏈式反應中，重核裂變時放出的可使裂變不斷進行下去的粒子是（)A．質子B．中子C．β粒子D．α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生裂變，所以重核裂變時放出的可使裂變反應不斷進行下去的粒子是中子．3．若π＋介子、π－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eq\x\to(u)或反夸克eq\x\to（d）)組成的,它們的帶電荷量如表所示,表中e為元電荷．粒子π＋π－udeq\x\to（u）eq\x\to（d)帶電荷量＋e－e＋eq\f（2e,3)－eq\f（e，3)－eq\f（2e,3）＋eq\f(e，3)(1)按最簡單的組成，π＋介子由誰和誰組成？(2)按最簡單的組成,π－介子由誰和誰組成？答案(1）π＋介子是由夸克u和反夸克eq\x\to(d）組成的(2)π－介子由夸克d和反夸克eq\x\to（u）組成解析(1）π＋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＋eq\f（2，3)e和反夸克eq\x\to（d)帶＋eq\f(1,3）e合成電荷量為e.(2）π－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－eq\f(1,3)e和反夸克eq\x\to（u)帶－eq\f(2，3）e合成電荷量為－e。4．裂變反應是目前核能利用中常用的反應，以原子核eq\o\al（235,92)U為燃料的反應堆中，當eq\o\al（235,92）U俘獲一個慢中子后發生的裂變反應可以有多種方式，其中一種可表示為eq\o\al(235,92）U＋eq\o\al（1,0）n→eq\o\al（139，54）Xe＋eq\o\al（94,38)Sr＋3eq\o\al(1，0）n235．04391。0087138.917893.9154反應方程下方的數字是中子及有關原子的靜止質量(以原子質量單位u為單位)，已知1u的質量對應的能量為931。5MeV，此裂變反應釋放出的能量是________MeV.答案180解析此裂變反應的質量虧損為：（235.0439＋1.0087）u－(138。9178＋93。9154＋3×1.0087)u＝0.1933u，由于1u的質量對應的能量為931.5MeV，ΔE＝931.5×0.1933MeV≈180MeV.一、選擇題（1～5題為單選題,6~7題為多選題）1．關于粒子,下列說法正確的是()A．電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本的粒子B．強子都是帶電的粒子C．夸克模型是探究三大類粒子結構的理論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,不同夸克構成強子，有的強子帶電，有的強子不帶電，故A、B錯誤;夸克模型是研究強子結構的理論，不同夸克帶電不同，分別為＋eq\f（2,3）e和－eq\f(e，3），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％，為了實現負責任大國的承諾，我們將新建核電站項目．目前關于核電站獲取核能的基本核反應方程可能是()A.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0）n→eq\o\al(90,38）Sr＋eq\o\al（136,54）Xe＋10eq\o\al（1,0）nB。eq\o\al（24，11）Na→eq\o\al(24,12)Mg＋eq\o\al(0,－1）eC。eq\o\al（14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al（17，8)O＋eq\o\al(1，1）HD.eq\o\al(238，92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al（4,2）He答案A解析重核的裂變是指質量數較大的原子核分裂成兩個中等質量的原子核,A是裂變反應,A正確；B為β衰變,C是發現質子的反應，D是α衰變．3．關于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是()A．一次聚變反應一定比一次裂變反應釋放的能量多B．聚變反應每個核子釋放的平均能量一定比裂變反應大C．聚變反應中粒子的平均結合能變小D．聚變反應中由于形成質量較大的核，故反應后質量增大答案B4．現在科學家們正在設法探尋“反物質”，所謂“反物質"是由“反粒子”構成的,“反粒子”與其對應的正粒子有相同的質量和相同的電荷量，但電荷符號相反．據此，若有反α粒子，它的質量數和電荷數分別為()A．－4，－2 B．4，－2C．－4，2 D．4，2答案B解析因“反粒子”與其對應的正粒子具有相同的質量、相同的電荷量，但電荷的符號相反．所以，反α粒子質量數為4,電荷數為－2.5．K－介子衰變的方程為K－→π－＋π0.其中K－介子和π－介子是帶負電的基元電荷，π0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磁場中,其軌跡為圓弧AP，衰變后產生的π－介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點相切,它們的半徑RK－與Rπ－之比為2∶1.π0介子的軌跡未畫出．由此可知π－的動量大小與π0的動量的大小之比為()圖1A．1∶1 B．1∶2C．1∶3 D．1∶6答案C解析帶電粒子K－與π－在磁場中做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力Bqv＝eq\f（mv2，R)得R＝eq\f（mv，Bq）＝eq\f(p,Bq)，K－介子與π－介子帶電量相同，故運動的半徑之比等于動量之比pK－∶pπ－＝RK－∶Rπ－＝2∶1,在衰變后π－介子與π0介子動量方向相反,設K－介子的動量為正，則π－介子動量為負值,由動量守恒pK－＝－pπ－＋pπ0,則pπ－∶pπ0＝1∶3故A、B、D錯，C對．6．能源是社會發展的基礎，發展核能是解決能源問題的途徑之一，下列釋放核能的反應方程，表述正確的有()A.eq\o\al（3，1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al（4，2)He＋eq\o\al(1，0)n是核聚變反應B。eq\o\al（3，1）H＋eq\o\al(2,1）H→eq\o\al(4，2)He＋eq\o\al（1,0）n是β衰變C。eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0）n→eq\o\al（144，56)Ba＋eq\o\al（89,36)Kr＋3eq\o\al（1，0）n是核裂變反應D。eq\o\al（235,92)U＋eq\o\al（1，0）n→eq\o\al（140,54）Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al（1，0）n是α衰變答案AC解析兩個輕核聚合成一個較重的核的反應為核聚變反應，故A對，B錯；重核被中子轟擊后分裂成兩個中等質量的原子核并放出若干個中子的反應為核裂變反應，故C對；原子核放出α或β粒子后變成另一種原子核的反應稱為原子核的衰變．原子核的衰變的反應物只有一種，故D錯．7．日本福島第一核電站在地震后,數秒內就將控制棒插入核反應堆芯，終止了鈾的裂變鏈式反應．但海嘯摧毀了機組的冷卻系統，因裂變遺留的產物銫、鋇等繼續衰變不斷釋放能量，核燃料棒溫度不斷上升，對周邊環境產生了巨大的危害．則下列說法正確的是（）A．控制棒通過吸收中子來實現對核反應的控制B．日本后來向反應堆灌注海水，可以降溫，但大量的被污染的海水外泄，對周邊環境產生了巨大的危害C．核裂變遺留物銫、鋇等原子的質量可能比鈾原子質量大D．核泄漏中放射性物質對人類是有害的答案ABD解析控制棒通過吸收中子來實現對核反應速度的控制，選項A正確；日本后來向反應堆灌注海水，大量的被污染的海水外泄，泄漏中放射性物質對周邊環境產生了巨大的危害,選項B、D正確；因為核反應有能量釋放，可知銫、鋇等原子的質量比鈾原子質量小，故C錯誤．二、非選擇題8．一個原來靜止的鋰核（eq\o\al（6,3)Li)俘獲一個速度為7。7×104m/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1.0×103m/s，方向與中子的運動方向相反．(1)試寫出核反應方程;（2）求出氦核的速度大小．答案(1）eq\o\al（6，3）Li＋eq\o\al(1,0）n→eq\o\al（3，1)H＋eq\o\al(4，2)He(2)2×104m/s解析（1)eq\o\al(6，3)Li＋eq\o\al(1，0）n→eq\o\al（3，1)H＋eq\o\al（4,2）He。（2)取中子的運動方向為正方向，由動量守恒定律得mnv0＝－mTv1＋mHev2v2＝eq\f（mnv0＋mTv1,mHe）＝2×104m/s。9．在所有能源中核能具有能量密度大、區域適應性強的優勢,在核電站中,核反應堆釋放的核能被轉化為電能．核反應堆的工作原理是利用中子轟擊重核發生裂變反應，釋放出大量核能．(1）核反應方程式eq\o\al（235,92)U＋eq\o\al（1,0)n→eq\o\al(141,56）Ba＋eq\o\al(92,36）Kr＋310n是反應堆中發生的許多核反應中的一種，以mU、mBa、mKr分別表示eq\o\a