5.4、5.5核裂变与核聚变 基本粒子 学案（原卷版+解析版） 2023-2024学年高二物理人教版2019选择性必修第三册

第五章 原子核 第四节 核裂变与核聚变 第五节 “基本”粒子 [核心素养·明目标] 核心素养 学习目标 物理观念 核裂变、核聚变、链式反应、核电站、夸克模型。 科学思维 理解热核反应可能的控制方法。 科学探究 探究核电站的组成及工作原理。 科学态度与责任 (1)了解常用裂变反应堆的类型，了解核电站及核能发电的优缺点。 (2)了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史，初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子和谐统一。 知识点一　重核裂变与链式反应 情景导学： 1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。 (1)巨大的核能是从哪里来的？ (2)重核裂变是一种天然现象吗？只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？ (3)在利用重核裂变制成的原子弹中，需不需要用镉制成的控制棒？ 答案提示：(1)铀核的裂变。 (2)重核的裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，故不是天然现象；只有达到链式反应的条件时，才会发生重核的裂变。 (3)不需要。 1.重核的裂变 (1)定义 用中子轰击铀核，发现铀核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量，这种核反应过程称为核裂变。 (2)铀核的裂变 ①一种常见的核反应方程：U＋n→Ba＋Kr＋3n。 ②在不同的裂变反应中，U核释放的能量也不同。如果按照一个U核裂变时释放200 MeV的能量来估算，1 kg的U全部裂变释放出的核能相当于两千余吨标准煤完全燃烧释放的能量。 2.链式反应 (1)定义：在U核裂变释放出巨大能量的同时，平均每次可以放出2～3个中子，这些中子称为第1代中子，如果其中至少有一个继续轰击U，使之发生裂变，就能产生第2代中子，这样不断继续下去，中子会不断增加，裂变反应就会不断加强，就形成了裂变的链式反应。能够发生链式反应的铀块的最小体积称为临界体积。 (2)发生条件：铀核的体积达到临界体积。 思考与讨论 (1)铀核的裂变是一种天然放射现象吗？ (2)铀核裂变的核反应方程是唯一的吗？ 答案提示：(1)不是。铀核在受到中子轰击后才发生裂变，不是天然放射现象。 (2)不是。铀核裂变的生成物并不确定，所以其核反应方程不是唯一的。 知识点二、反应堆与核电站 1.核电站：利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成： (1)核燃料：反应堆使用浓缩铀(铀235占3%～4%)制成铀棒作为核燃料，释放核能。 (2)减速剂：用石墨、重水或普通水，使裂变中产生的中子减速，以便被铀235吸收。 (3)控制棒：为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫做控制棒． (4)水泥防护层：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：靠水和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.工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高。 3.能量输出：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。 4.核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，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。 5.核电站与火电站相比有何优缺点 (1)优点：①核电站消耗的燃料很少。 ②作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量很大。 ③火电站烧煤要放出很多污染物，而核电站放出的污染物要少得多。 (2)缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污 ... ...