PAGE8-第六節核能利用第七節小粒子與大宇宙[學習目標]1.知道什么是核反應堆．(重點)2.知道核電站的工作模式，了解核能的利用．(重點)3.了解宇宙及恒星的演化．一、反應堆核電站1．核反應堆(1)核反應堆是人工限制鏈式反應的裝置．(2)減速劑反應堆中，為了使裂變產生的快中子減速，在鈾棒四周要放“減速劑”，常用的減速劑有石墨、重水和一般水．(3)限制棒為了限制反應速度，還須要在鈾棒之間插進一些鎘棒，它汲取中子的實力很強，反應過于激烈時，可將其插入深一些，多汲取一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些，這種鎘棒叫作限制棒．(4)能量輸出核燃料裂變釋放的能量使反應區溫度上升，水或液態的金屬鈉等流體在反應堆外循環流淌，把反應堆內的熱量傳輸出去，用于發電．2．核電站及核能利用(1)核能發電的效益一座百萬千瓦級的核電站，每年只消耗30噸左右的濃縮鈾，而同樣功率的火電站，每年要消耗煤250萬噸．(2)核能的利用①核能發電②把反應堆小型化，可以使核能作為動力，制造核動力潛艇、核動力破冰船和核動力航空母艦，在某些動力裝置上也有利用的可能．③用來進行各種原子核物理試驗，制造各種放射性同位素．(3)核污染的處理為了防止鈾核裂變物放出的各種射線對人體的危害，在反應堆的外面須要修建很厚的水泥防護層，用來屏蔽射線，不讓它們透射出來，對放射性的廢料，也要裝入特制的容器，埋入深地層來處理．二、小粒子與大宇宙1．人類目前能夠觀測到的最大距離約為140億光年之遠．2．對宇宙的時空結構、運動形態和物質演化的理論描述，稱為宇宙模型，目前普遍被大家接受的模型是大爆炸宇宙模型．3．人類目前所能探討的物質世界的空間尺度，約從10－15m到1027m4．從宇宙大爆炸到現在，以秒為單位，宇宙年齡的數量級約為1018s.5．目前所知的微觀粒子中，壽命最短的只有10－25s.6．物質世界的時間尺度：約從10－25s到1018s，也跨越了將近43個數量級．1．正誤推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)限制棒是通過汲取中子多少來限制鏈式反應速度的． (√)(2)核裂變釋放的大量核能是通過在反應堆外循環流淌的液體傳輸出去的． (√)(3)核電廢料難以處理，對環境的污染比火電大． (×)(4)質子、中子、電子都是不行再分的基本粒子． (×)(5)強子是參加強相互作用的粒子． (√)2．如圖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()A．鈾235簡單汲取快中子后發生裂變反應B．快中子跟慢化劑中的原子核碰撞后能量削減，變成慢中子，慢中子簡單被鈾235俘獲而引起裂變反應C．限制棒由鎘做成，當反應過于激烈時，使限制棒插入淺一些，讓它少汲取一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些D．要使裂變反應更激烈一些，應使限制棒插入深一些，使大量快中子碰撞限制棒后變成慢中子，鏈式反應的速度就會快一些B[在核反應堆中，慢中子簡單被鈾235俘獲發生裂變反應，A選項錯誤；快中子跟慢化劑中的原子核碰撞后能量削減，變成慢中子，慢中子簡單被鈾235俘獲而引起裂變反應，B選項正確；在核電站中，通過限制棒(一般用石墨棒或鎘棒)汲取中子多少來限制反應速度，當反應過于激烈時，使限制棒插入深一些，讓它多汲取一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些，C選項錯誤；要使裂變反應更激烈一些，應使限制棒插入淺一些，讓它少汲取一些中子，鏈式反應的速度就會快一些，D選項錯誤．]3．已知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，它們所帶電荷量如下表所示，表中e為基元電荷．下列說法正確的是()π＋π－udeq\x\to(u)eq\x\to(d)電荷量＋e－e＋eq\f(2,3)e－eq\f(1,3)e－eq\f(2,3)e＋eq\f(1,3)eA.π＋由u和eq\x\to(d)組成B．π＋由eq\x\to(u)和d組成C．π－由u和eq\x\to(d)組成D．π－由eq\x\to(u)和d組成AD[依據電荷量的關系可知，由于π＋介子帶有＋e的電荷量，又由于π＋介子是由夸克和反夸克組成，依據題意可知π＋介子(＋e)應由一個夸克ueq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(2,3)e))和反夸克eq\x\to(d)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(1,3)e))合成，同理π－介子由夸克d和反夸克eq\x\to(u)構成，故A、D正確．]核能的利用1.核電站的主要組成核電站的核心設施是核反應堆，反應堆用的核燃料是鈾235，它的主要部件列表如下：部件名稱減速劑限制棒熱循環介質愛護層采納的材料石墨、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汲取汲取中子，限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.反應堆工作原理(1)熱源：在核電站中，核反應堆是熱源，如圖所示為簡化的核反應堆示意圖：鈾棒是燃料，由自然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)為減速劑，使反應生成的快中子變為慢中子，便于鈾235的汲取，發生裂變，減速劑附在鈾棒四周．反應堆示意圖(2)限制棒：鎘棒的作用是汲取中子，限制反應速度，所以也叫限制棒．限制棒插入深一些，汲取中子多，反應速度變慢，插入淺一些，汲取中子少，反應速度加快，采納電子儀器自動調整限制棒插入深度，就能限制核反應的猛烈程度．(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淌，把內能傳輸出去，用于推動蒸汽機，使發電機發電．發生裂變反應時，會產生一些有危急的放射性物質，很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面．3．核電站發電的優點(1)消耗的核燃料少．(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大．(3)對環境的污染要比火力發電?。纠?】eq\o\al(235,92)U受中子轟擊時會發生裂變，產生eq\o\al(144,56)Ba和eq\o\al(89,36)Kr，同時放出200兆電子伏特的能量．現要建設發電實力是50萬千瓦的核電站，用鈾235作為原子鍋爐的燃料．假設核裂變釋放的能量全部被用來發電，那么一天須要純鈾235的質量為多少？(阿伏加德羅常數取6.02×1023mol－1)[解析]核電站一天的發電量為：E＝Pt＝50×104×103×24×3600J＝4.32×1013J.據題意知，核電站一天的發電量就等于發電站在一天內鈾235裂變所釋放的總能量，故核電站每天所消耗的鈾235核的個數為：n＝eq\f(E,200×106×1.6×10－19)＝eq\f(4.32×1013,3.2×10－11)＝1.35×1024(個)．故發電站一天須要的純鈾235的質量為：m＝eq\f(n,NA)·M＝eq\f(1.35×1024,6.02×1023)×235×10－3kg＝0.527kg.[答案]0.527kg1．核電站釋放的核能是n個核反應釋放核能積累的結果E＝n·ΔE，ΔE＝Δmc2，n＝eq\f(m,Mmol)·NA.2．發電站用于發電的能量只占所釋放核能的一部分，則E電＝ηE.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．鎘棒的作用是限制反應堆的功率C．鈾棒的作用是限制反應堆的功率D．石墨的作用是汲取中子[解析]AB[鈾棒是核燃料，裂變時可放出能量，故A正確；鎘棒汲取中子的實力很強，作用是調整中子數目以限制反應速度，即限制反應堆功率，故B正確C錯誤；慢中子最簡單引發鈾核裂變，所以在快中子遇到鈾棒前要進行減速，石墨的作用是使中子減速，故D錯誤．]粒子1.新粒子的發覺及特點發覺時間1932年1937年1947年20世紀60年頭后新粒子反粒子μ子K介子與π介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大2.粒子的分類分類參加的相互作用發覺的粒子備注強子參加強相互作用質子、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加強相互作用電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未發覺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3.夸克的分類夸克有6種，它們是上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克，它們帶的電荷是電子或質子所帶電荷的eq\f(2,3)或eq\f(1,3).每種夸克都有對應的反夸克．4．兩點提示(1)質子是最早發覺的強子，電子是最早發覺的輕子，τ子的質量比核子的質量大，但力的性質確定了它屬于輕子．(2)粒子具有對稱性，有一個粒子，必存在一個反粒子，它們相遇時會發生“湮滅”，即同時消逝而轉化成其他的粒子．【例2】在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出．中微子的性質非常特殊，因此在試驗中很難探測.1953年，萊尼斯和柯文建立了一個由大水槽和探測器組成的試驗系統，利用中微子與水中eq\o\al(1,1)H的核反應，間接地證明了中微子的存在．(1)中微子與水中的eq\o\al(1,1)H發生核反應，產生中子(eq\o\al(1,0)n)和正電子(eq\o\al(0,＋1)e)，即中微子＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(0,＋1)e.可以判定，中微子的質量數和電荷數分別是______．(填寫選項前的字母)A．0和0 B．0和1C．1和0 D．1和1(2)上述核反應產生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后，可以轉變為兩個光子(γ)，即eq\o\al(0,＋1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ.已知正電子和電子的質量都為9.1×10－31kg，反應中產生的每個光子的能量約為________J．正電子與電子相遇不行能只轉變為一個光子，緣由是________．(3)試通過分析比較，具有相同動能的中子和電子的物質波波長的大?。甗解析](1)發生核反應前后，粒子的質量數和電荷數均不變，據此可知中微子的質量數和電荷數都是0，A正確．(2)產生的能量是由于質量虧損．兩個電子轉變為兩個光子之后，質量變為零，則E＝Δmc2，故一個光子的能量為eq\f(E,2)，代入數據得eq\f(E,2)＝8.2×10－14J．正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體，故系統總動量為零，故假如只產生一個光子是不行能的，因為此過程遵循動量守恒定律．(3)物質波的波長為λ＝eq\f(h,p)，要比較波長須要將中子和電子的動量用動能表示出來即p＝eq\r(2mEk)，因為mn>me，所以pn>pe，故λn<λe.[答案]見解析2．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行再分的最基本的粒子B．強子中沒有帶電的粒子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D[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；夸克模型是探討強子結構的理論，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．]課堂小結知識脈絡1.核反應堆是人工限制鏈式反應的裝置，其中鎘棒為限制棒.2.宇宙起源于大約150億年前的一次大爆炸，其后漸漸演化成現在的宇宙世界.3.粒子可分為三大類，有媒介子、輕子、強子，美國物理學家蓋爾曼提出，強子是由夸克構成.1．恒星的顏色取決于恒星的()A．體積B．溫度C．質量D．體積和溫度以及它與地球的距離B[恒星的表面顏色取決于它的表面溫度，溫度越低，顏色越偏紅，溫度越高，顏色越偏藍．恒星表面顏色主要有四種，分別是紅、黃、白、藍．太陽的表面顏色是黃色，屬于溫度中等偏低的恒星．以下是四種顏色對應的溫度．紅色：3000攝氏度；黃色：6000攝氏度；白色：10000攝氏度；藍色：20000攝氏度．因此恒星的顏色取決于恒星的溫度，B正確，A、C、D錯誤．]2．依據宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風采的時期，那么在大爆炸之后最早產生的粒子是()A．夸克、輕子、膠子等粒子B．質子和中子等強子C．光子、中微子和電子等輕子D．氫核、氘核、氦核等輕核A[宇宙形成之初產生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經驗了質子和中子等強子時代，再之后是自由光子、中微子、電子大量存在的輕子時代，再之后是中子和質子結合成氘核，并形成氦核的核合成時代，之后電子和質子復合成氫原子，最終形成恒星和星系，故A正確；B、C、D的產生都在A之后，故B、C、D錯誤．]3．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，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為基元電荷，下列論斷中可能正