選擇性必修三學(xué)案第五章原子核第4節(jié)核裂變與核聚變第5節(jié)“基本”粒子一、新課標(biāo)要求1.了解重核的裂變反應(yīng)和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件。了解裂變反應(yīng)堆的工作原理及核電站和核能利用的優(yōu)缺點(diǎn)。2.了解核聚變發(fā)生的條件。3.會(huì)書寫核裂變、核聚變方程，能計(jì)算核反應(yīng)釋放的能量。4.知道電子、中子、質(zhì)子并不是組成物質(zhì)的最基本的粒子。知道粒子的分類及其作用，了解夸克模型。二、科學(xué)素養(yǎng)要求1.物理觀念：知道核裂變與核聚變、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及粒子的基本概念，了解原子彈、核反應(yīng)堆、熱核反應(yīng)條件、新粒子的內(nèi)容。2.科學(xué)思維：掌握鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及核聚變釋放能量的計(jì)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(xué)探究：通過對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的探究，理解原子彈、核反應(yīng)堆的原理，體會(huì)熱核反應(yīng)的條件及科學(xué)發(fā)現(xiàn)新粒子的進(jìn)步。4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：關(guān)注核技術(shù)應(yīng)用對(duì)人類生活和社會(huì)發(fā)展的影響，激發(fā)探索未來(lái)科學(xué)的熱情。三、教材研習(xí)要點(diǎn)一、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)由重核裂變產(chǎn)生的中子①使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫作核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。通常把核裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫作它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量②。要點(diǎn)二、核聚變兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變③。要點(diǎn)三、反粒子存在著這樣一類粒子，它們的質(zhì)量、壽命、自旋等物理性質(zhì)與過去已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子相同，而電荷等其他性質(zhì)相反，這些粒子叫作反粒子④?！咀灾魉伎肌竣贋榱耸光?35裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好直接利用裂變時(shí)產(chǎn)生的快中子去轟擊鈾核，這種說(shuō)法對(duì)嗎？③要使輕核發(fā)生聚變反應(yīng)，必須使核子間的距離達(dá)到10-15m以內(nèi)，核力才能起作用；同時(shí)由于原子核之間在此距離時(shí)的庫(kù)侖斥力十分巨大，因而需要核子有很大的動(dòng)能才能“撞④隨著量子物理學(xué)的興起，越來(lái)越多的研究深入到微觀世界，讓人類有了一個(gè)全新的研究方向，比如說(shuō)“反氫原子”就是其中之一，它也遵循著量子效應(yīng)，同時(shí)也是反物質(zhì)的一種重要組成形式。請(qǐng)推測(cè)反氫原子的結(jié)構(gòu)？四、名師點(diǎn)睛1.核裂變的理解（1）核裂變：重核被中子轟擊后分裂成兩個(gè)質(zhì)量差不多的新原子核，并放出核能的過程。（2）鈾核裂變：用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應(yīng)是?92（3）鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：鈾塊的體積大于或等于臨界體積或鈾塊的質(zhì)量大于或等于臨界質(zhì)量；有足夠數(shù)量的慢中子。2.核聚變的理解（1）核聚變：兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，釋放出核能的反應(yīng)，稱為核聚變，又稱為熱核反應(yīng)。（2）典型核聚變方程：?1（3）核聚變發(fā)生的條件：使輕核具有足夠的動(dòng)能。五、互動(dòng)探究探究點(diǎn)一、核裂變及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)情境探究1.觀察鈾核裂變示意圖（1）鈾核裂變是如何發(fā)生的？（2）只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)嗎？（3）鈾核裂變?cè)谧匀唤缰心茏园l(fā)進(jìn)行嗎？（4）重核裂變?yōu)槭裁茨茚尫藕四埽看蟮暮四?。探究歸納1.重核裂變的理解（1）重核裂變是中子轟擊質(zhì)量數(shù)較大的原子核，使之分裂成中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)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(yīng)，原因是核反應(yīng)前后質(zhì)量有虧損，根本原因是重核的比結(jié)合能相比中等質(zhì)量的核的比結(jié)合能要小。所以在重核分解為兩個(gè)中等質(zhì)量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠(yuǎn)大于它俘獲中子時(shí)得到的能量。（3）鈾的同位素中鈾235比鈾238更易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。2.常見的裂變方程（1）?（2）?【探究應(yīng)用】【典例】鈾核裂變時(shí)，對(duì)于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的重要因素，下列說(shuō)法中正確的是()A.鈾塊的質(zhì)量是重要因素，與體積無(wú)關(guān)B.為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好直接利用裂變時(shí)產(chǎn)生的中子C.若鈾235的體積超過它的臨界體積，裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就能夠發(fā)生D.能否發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與鈾的質(zhì)量無(wú)關(guān)【遷移應(yīng)用】1.一個(gè)?92235U原子核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應(yīng)，其裂變方程為A.X原子核中含有86個(gè)中子B.X原子核中含有141個(gè)核子C.因?yàn)榱炎儠r(shí)釋放能量，根據(jù)E=mcD.因?yàn)榱炎儠r(shí)釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少錯(cuò)誤。探究點(diǎn)二、核電站與核反應(yīng)堆情境探究1.如圖所示為核反應(yīng)堆示意圖：（1）鈾235是容易吸收快中子還是慢中子后發(fā)生裂變反應(yīng)？如何控制裂變反應(yīng)的激烈程度？（2）核電站發(fā)電有什么優(yōu)點(diǎn)？探究歸納1.核電站的主要組成及其作用核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆，反應(yīng)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(huán)介質(zhì)保護(hù)層采用的材料石墨、重水或普通水（也叫輕水）鎘水或液態(tài)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(yīng)速度把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去屏蔽射線，防止放射性污染2.反應(yīng)堆工作原理（1）熱源：在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，如圖為簡(jiǎn)化的核反應(yīng)堆示意圖：鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾（鈾235的含量占2%～4%）制成，石墨（重水）為慢化劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?，便于?35吸收，發(fā)生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍。（2）控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒。采用電子儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應(yīng)的劇烈程度。（3）冷卻劑：核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時(shí)通過水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把熱量傳輸出去，用于發(fā)電。（4）保護(hù)層：發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些有危險(xiǎn)的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護(hù)層可以防止射線輻射到外面。探究應(yīng)用【典例】如圖為普通使用的“慢中子”核反應(yīng)堆的示意圖，鈾棒是核燃料，一種典型的鈾核裂變方程?92235U+A.鋇核的比結(jié)合能比鈾核的大B.若碰撞前中子的動(dòng)能為E0，經(jīng)過一次彈性碰撞后中子動(dòng)能變成C.鎘棒插入深一些可增大鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度D.水泥防護(hù)層可用來(lái)屏蔽裂變產(chǎn)物放出的射線【遷移應(yīng)用】1.據(jù)悉我國(guó)第四代反應(yīng)堆—釷基熔鹽堆能源系統(tǒng)(TMSR)研究已獲重要突破。該反應(yīng)堆以釷為核燃料，釷俘獲一個(gè)中子后經(jīng)過若干次βA.為減小核反應(yīng)速度，還要插一些鎘棒，用來(lái)吸收掉一部分中子B.鈾核裂變的核反應(yīng)方程為?C.放射性元素衰變的快慢與原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無(wú)關(guān)，與核外電子的分布狀態(tài)有關(guān)D.重核分裂成中等大小的核，核子的比結(jié)合能減小探究點(diǎn)三、核聚變情境探究1.閱讀教材“核聚變”內(nèi)容，回答以下問題。（1）目前人們實(shí)現(xiàn)的核聚變是什么？（2）實(shí)現(xiàn)熱核反應(yīng)存在的困難是什么？可能實(shí)現(xiàn)對(duì)熱核反應(yīng)的控制的方法是什么？答案：提示（1）目前人們能實(shí)現(xiàn)的熱核反應(yīng)是氫彈的爆炸，是由化學(xué)炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸，但這是不可控制的。（2）實(shí)現(xiàn)熱核反應(yīng)存在的困難是：地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受住熱核反應(yīng)所需要的高溫。可能實(shí)現(xiàn)對(duì)熱核反應(yīng)的控制方法：一是磁約束：利用磁場(chǎng)來(lái)約束參與反應(yīng)的物質(zhì)，環(huán)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(qiáng)激光從各個(gè)方向照射參加反應(yīng)的物質(zhì)，使它們由于慣性還來(lái)不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)。探究歸納1.核聚變的特點(diǎn)（1）從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個(gè)放能反應(yīng)。（2）在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，輕核聚變比重核裂變釋放出更多的能量。（3）熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去。（4）普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆。2.核聚變的應(yīng)用（1）核武器——?dú)鋸棧阂环N不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置。它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸。（2）可控?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探索階段。3.重核裂變與輕核聚變的比較項(xiàng)目重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個(gè)核子放出的能量要多3～4倍核廢料處理難度聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡(jiǎn)單得多原料的蘊(yùn)藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽?chǔ)量有限，尤其用于核裂變的鈾235在天然鈾中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲(chǔ)量非常豐富，1?L水中大約有0.03?g氘，如果用來(lái)進(jìn)行熱核反應(yīng)，放出的能量與燃燒可控性比較容易進(jìn)行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應(yīng)釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它探究應(yīng)用【典例】2020年12月4日，新一代“人造太陽(yáng)”核聚變實(shí)驗(yàn)裝置——中國(guó)環(huán)流器二號(hào)（如圖所示）在四川成都建成并實(shí)現(xiàn)首次放電。這標(biāo)志著我國(guó)自主掌握了大型先進(jìn)托卡馬克裝置的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行技術(shù)，為我國(guó)核聚變堆的自主設(shè)計(jì)與建造打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。它是一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器裝置，容器外面纏繞著兩組線圈（如圖所示）。通電時(shí)，托卡馬克的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋形磁場(chǎng)，將1.5億攝氏度高溫的等離子體約束在環(huán)形真空室內(nèi)，以達(dá)到核聚變的目的。下列說(shuō)法正確的是()A.核能不屬于清潔能源B.托卡馬克內(nèi)部核反應(yīng)可能是?C.線圈1產(chǎn)生水平方向的環(huán)形磁場(chǎng)D.螺旋形磁場(chǎng)可以約束運(yùn)動(dòng)方向不同的帶電粒子【遷移應(yīng)用】1.（多選）下列關(guān)于聚變的說(shuō)法中正確的是()A.要使聚變產(chǎn)生，必須克服庫(kù)侖斥力做功B.輕核聚變需要幾百萬(wàn)攝氏度的高溫，因此聚變又叫作熱核反應(yīng)C.原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬(wàn)攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)D.自然界中不存在天然的熱核反應(yīng)探究點(diǎn)四、“基本”粒子知識(shí)深化1.新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)時(shí)間1932年1937年1947年20世紀(jì)60年代后新粒子正電子μ子K介子與π介子超子基本特點(diǎn)質(zhì)量與相對(duì)應(yīng)的粒子相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反比質(zhì)子的質(zhì)量小質(zhì)量介于電子與核子之間其質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量大很多2.粒子的分類分類參與的相互作用發(fā)現(xiàn)的粒子備注強(qiáng)子參與強(qiáng)相互作用質(zhì)子、中子強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸克”構(gòu)成；強(qiáng)子又分為介子和重子兩類輕子不參與強(qiáng)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(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)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(qiáng)相互作用希格斯玻色子希格斯玻色子是希格斯場(chǎng)的量子激發(fā)?；玖Ｗ右蚺c希格斯場(chǎng)耦合而獲得質(zhì)量。2012年，