第五章

原子核第4、5節

核裂變與核聚變、“基本”粒子課標解讀課標要求素養要求1.了解重核的裂變反應和鏈式反應發生的條件。了解裂變反應堆的工作原理及核電站和核能利用的優缺點。2.了解核聚變發生的條件。3.會書寫核裂變、核聚變方程，能計算核反應釋放的能量。4.知道電子、中子、質子并不是組成物質的最基本的粒子。知道粒子的分類及其作用，了解夸克模型。1.物理觀念：知道核裂變與核聚變、鏈式反應及粒子的基本概念，了解原子彈、核反應堆、熱核反應條件、新粒子的內容。2.科學思維：掌握鏈式反應及核聚變釋放能量的計算，理解核電站的工作原理，掌握輕核聚變的條件，提高分析、解決問題的能力。3.科學探究：通過對鏈式反應的探究，理解原子彈、核反應堆的原理，體會熱核反應的條件及科學發現新粒子的進步。4.科學態度與責任：關注核技術應用對人類生活和社會發展的影響，激發探索未來科學的熱情。要點一鏈式反應由重核裂變產生的______①使核裂變反應一代接一代繼續下去的過程，叫作核裂變的鏈式反應。通常把核裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積叫作它的臨界體積，相應的質量叫作__________②。

中子

臨界質量①為了使鈾235裂變的鏈式反應容易發生，最好直接利用裂變時產生的快中子去轟擊鈾核，這種說法對嗎？提示不對，鈾235俘獲慢中子發生裂變的概率大，快中子使鈾235發生裂變的幾率小，因此不能直接使用快中子。②為什么說鈾塊的質量大于臨界質量時鏈式反應才能不停地進行下去？提示鈾塊的大小是鏈式反應能否進行的重要因素。原子核的體積非常小，原子內部的空隙很大，如果鈾塊不夠大，中子在鈾塊中通過時就有可能碰不到鈾核跑到外面去，鏈式反應不能繼續。要點二核聚變

兩個輕核結合成質量較大的核，這樣的核反應叫作________③。

核聚變

提示輕核聚變需要的動能，表現在宏觀上就是核燃料需要達到極高的溫度。所以使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫，劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能，可以克服庫侖斥力，碰撞時十分接近，發生核聚變。要點三反粒子

存在著這樣一類粒子，它們的質量、壽命、自旋等物理性質與過去已經發現的粒子相同，而電荷等其他性質相反，這些粒子叫作________④。

反粒子④隨著量子物理學的興起，越來越多的研究深入到微觀世界，讓人類有了一個全新的研究方向，比如說“反氫原子”就是其中之一，它也遵循著量子效應，同時也是反物質的一種重要組成形式。請推測反氫原子的結構？

探究點一

核裂變及鏈式反應1.觀察鈾核裂變示意圖（1）鈾核裂變是如何發生的？

[答案]當中子進入鈾235后，便形成了處于激發狀態的復核，復核中由于核子的激烈運動，使核變成不規則的形狀。核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變反應一代接一代繼續下去，形成鏈式反應。（2）只要有中子轟擊鈾塊就可以產生鏈式反應嗎？

[答案]鈾塊體積應大于或等于臨界體積才能發生鏈式反應。（3）鈾核裂變在自然界中能自發進行嗎？

[答案]重核的裂變只能發生在人為控制的核反應中，在自然界中不會自發地發生。（4）重核裂變為什么能釋放核能？

[答案]中等質量的原子核的核子的平均質量較小，重核和輕核的核子的平均質量較大。如果原子序數較大的重核分裂成原子序數小一些的兩個核，會有質量虧損，放出巨大的核能。

1.重核裂變的理解（1）重核裂變是中子轟擊質量數較大的原子核，使之分裂成中等質量的原子核，同時釋放大量的能量，放出更多的中子的過程。（2）重核的裂變是放能核反應，原因是核反應前后質量有虧損，根本原因是重核的比結合能相比中等質量的核的比結合能要小。所以在重核分解為兩個中等質量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量。

（3）鈾的同位素中鈾235比鈾238更易發生鏈式反應。

例鈾核裂變時，對于產生鏈式反應的重要因素，下列說法中正確的是(

)A.鈾塊的質量是重要因素，與體積無關B.為了使裂變的鏈式反應容易發生，最好直接利用裂變時產生的中子C.若鈾235的體積超過它的臨界體積，裂變的鏈式反應就能夠發生D.能否發生鏈式反應與鈾的質量無關

C

A

探究點二

核電站與核反應堆1.如圖所示為核反應堆示意圖：（1）鈾235是容易吸收快中子還是慢中子后發生裂變反應？如何控制裂變反應的激烈程度？

[答案]慢中子。當反應過于激烈時，使鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些，反之，應使鎘棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈式反應的速度就會快一些。（2）核電站發電有什么優點？

[答案]核電站發電的優點有：消耗的核燃料少；作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采，儲量大；對環境的污染要比火力發電小。

1.核電站的主要組成及其作用核電站的核心設施是核反應堆，反應堆用的核燃料是鈾235，它的主要部件如表：部件名稱慢化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）控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應速度，所以也叫控制棒。采用電子儀器自動調節控制棒插入深度，就能控制核反應的劇烈程度。（3）冷卻劑：核反應釋放的能量大部分轉化為內能，這時通過水、液態鈉等作冷卻劑，在反應堆內外循環流動，把熱量傳輸出去，用于發電。（4）保護層：發生裂變反應時，會產生一些有危險的放射性物質，很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面。

C

AB

探究點三

核聚變1.閱讀教材“核聚變”內容，回答以下問題。（1）目前人們實現的核聚變是什么？

[答案]目前人們能實現的熱核反應是氫彈的爆炸，是由化學炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產生的高溫高壓引發熱核爆炸，但這是不可控制的。（2）實現熱核反應存在的困難是什么？可能實現對熱核反應的控制的方法是什么？

[答案]實現熱核反應存在的困難是：地球上沒有任何容器能夠經受住熱核反應所需要的高溫。可能實現對熱核反應的控制方法：一是磁約束：利用磁場來約束參與反應的物質，環流器是目前性能最好的一種磁約束裝置。二是慣性約束：利用強激光從各個方向照射參加反應的物質，使它們由于慣性還來不及擴散就完成了核反應。

1.核聚變的特點（1）從比結合能的圖線看，輕核聚變后比結合能增加，因此聚變反應是一個放能反應。（2）在消耗相同質量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放出更多的能量。（3）熱核反應一旦發生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就可以使反應進行下去。

（4）普遍性：熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆。2.核聚變的應用（1）核武器——氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反應裝置。它利用彈體內的原子彈爆炸產生的高溫高壓引發熱核爆炸。（2）可控熱核反應：目前處于探索階段。3.重核裂變與輕核聚變的比較項目重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質量的原子核，放出核能兩個輕核結合成質量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量要多3～4倍核廢料處理難度聚變反應的核廢料處理要比裂變反應簡單得多項目重核裂變輕核聚變原料的蘊藏量可控性比較容易進行人工控制，現在的核電站都是用核裂變反應釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它續表

D

1.（多選）下列關于聚變的說法中正確的是(

)A.要使聚變產生，必須克服庫侖斥力做功B.輕核聚變需要幾百萬攝氏度的高溫，因此聚變又叫作熱核反應C.原子彈爆炸能產生幾百萬攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發熱核反應D.自然界中不存在天然的熱核反應

ABC

探究點四

“基本”粒子

1.新粒子的發現及特點發現時間1932年1937年1947年20世紀60年代后新粒子正電子超子基本特點質量與相對應的粒子相同而電荷及其他一些物理性質相反比質子的質量小質量介于電子與核子之間其質量比質子的質量大很多

2.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、中子強子有內部結構，由“夸克”構成；強子又分為介子和重子兩類輕子不參與強相互作用未發現內部結構

2.粒子的分類分類參與的相互作用發現的粒子備注規范玻色子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子傳遞電磁相互作用，中間玻色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強相互作用希格斯玻色子希格斯玻色子是希格斯場的量子激發。基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質量。2012年，歐洲核子研究中心利用大型強子對撞機發現了希格斯玻色子1.關于粒子，下列說法正確的是(

)A.質子的反粒子的電荷量與質子相同，但帶的是負電荷B.強子都是帶電的粒子C.目前發現的輕子只有8種D.光子屬于輕子

A

AA.B.C.D.

1.推理是研究和學習物理的一種重要方法，正電子、負質子、反中子都是反粒子，它們跟通常所說的電子、質子、中子相比較，質量相等，電荷量相等，電性相反（中子和反中子都不帶電）。科學家已經發現反氦原子（已知氦原子核中有兩個質子和兩個中子）。你推測反氦原子的結構可能是(

)A.由兩個帶負電的質子和兩個帶正電的電子構成B.由兩個帶負電的質子、兩個電子和兩個中子構成C.由兩個質子、兩個電子和兩個中子構成D.由兩個帶負電的質子、兩個帶正電的電子和兩個不帶電的中子構成

D

[解析]組成反氦原子的粒子與組成氦原子的粒子應具有相同的質量，相等的電荷量但電性相反，據此分析可知反氦原子可能由兩個帶負電的質子（反質子）、兩個帶正電的電子（正電子）和兩個不帶電的中子構成。2.（2021廣西柳州高三一模）2020年1月10日，工程院院士黃旭華獲得國家最高科學技術獎，他為核潛艇研制和跨越式發展作出了巨大貢獻，下列說法正確的是(

)A.核潛艇的核反應也叫熱核反應B.原子彈中鈾或钚的質量可小于臨界質量C.核潛艇的核反應堆是利用鎘棒控制核反應速度D.核聚變和核裂變都能放出核能，故一切核反應都應放出核能

C

D

C

夸克模型夸克的提出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特性在粒子物理的標準模型中，夸克是唯一一種能經受全部四種基本相互作用（電磁、引力、強相互作用及弱相互作用）的基本粒子。夸克具有“緊閉”性，不能以自由的狀態單個出現夸克的種類續表夸克的電荷意義電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分數電荷

D

[解析]夸克不能以自由的狀態單個出現。

粒子帶電荷量

AD

B

A

[解析]熱核反應是氘和氚發生的聚變。3.如圖是慢中子反應堆的示意圖，下列對該反應堆的說法中正確的是(

)A.鈾235容易吸收快中子發生裂變反應B.快中子跟慢化劑中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

BC.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

[解析]在核反應堆中，慢中子容易被鈾235俘獲發生裂變反應；快中子跟慢化劑中的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子；在核電站中，通過控制棒吸收中子多少來控制反應速度。4.（2021河北邯鄲高三期末）2020年11月27日00時41分，華龍一號全球首堆——中核集團福清核電5號機組首次并網成功，經現場確認，該機組各項技術指標均符合設計要求，機組狀態良好，并創造了全球第三代核電首堆建設的最佳業績。這標志著中國打破了國外核電技術壟斷，正式進入核電技術先進國家行列，以下關于核能的有關說法正確的是(

)A.華龍一號發電的核能是利用輕核聚變B.華龍一號發電的核能是利用重核裂變C.重核裂變過程中釋放核能是因為新核的比結合能小D.輕核聚變過程中釋放核能是因為新核核子的平均質量大

B

[解析]目前核電站都是利用重核裂變釋放的能量，裂變之所以釋放核能是因為新核的比結合能大于原來重核的比結合能；同理，輕核聚變過程釋放能量是因為新核核子的平均質量小于原來核子的平均質量。5.對于氫彈的有關描述，下列說法正確的是(

)A.氫彈爆炸的原理是核聚變B.目前核電站的工作原理與氫彈相同C.低溫能延長放射性元素的半衰期D.核聚變的主要反應物是高能的質子和電子

A

[解析]氫彈爆炸的原理是核聚變，目前核電站的工作原理是核裂變。

D

B

[解析]核聚變