2019-2020学年粤教版物理选修3-5新素养学案：第四章第六节核能利用第七节小粒子与大宇宙 Word版含答案

第六节 核能利用 第七节 小粒子与大宇宙

1.知道什么是反应堆，了解反应堆的工作原理． 2.知道什么是核电站，了解我

国核电站的发展．

3．了解物质世界的时间跨度和空间跨度．

一、反应堆

1．受控热核反应是人类对核聚变能量的利用． 2．核反应堆的建造是人类对核裂变能量的利用． 3．核反应堆是人工控制链式反应的装置．

核反应堆用天然铀或浓缩铀制成铀棒作为核燃料；用石墨、重水作为减速剂使中子减速；为调节中子数以控制反应速度需用镉棒作为控制棒；为控制反应堆的温度，需要用水、液体金属钠等流体作为冷却剂在反应堆内外循环流动，不断带走热能，同时可以用来输出热能加以利用；在反应堆外面修建很厚的水泥防护层来屏蔽射线，将放射性废料装入特制的容器，埋入地层深处来处理．

(1)在核反应中，中子的速度越大越容易击中铀核．( ) (2)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度．( ) (3)核反应堆用过的核废料无毒无害．( )

提示：(1)× (2)√ (3)× 二、核电站 核能利用

1．核电站：利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电．

2．核能利用：发电，制造核动力潜艇、核动力破冰船、核动力航空母舰，进行原子核物理实验，制造各种放射性同位素．

三、从小粒子到大宇宙——空间跨度

－

人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从1015 m到1027 m，共跨越了大约42个数量级．

四、从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度

－

物质世界的时间尺度，约从1025 s到1018 s，共跨越了将近43个数量级．

核电站

1．核电站是使原子核的链式反应在人工控制下进行，使释放的核能转化为内能，再由蒸汽轮机带动发电机转化为电能，使核能为人类和平建设服务．

2．核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是浓缩铀235，它的主要部件列表如下：

采用的 材料 作用 慢化剂 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 控制棒 镉 热循环 介质 水或液态 钠 把反应堆内的热量传输出去 保护层 很厚的水泥外壳 屏蔽射线，防止放射性污染 降低中子速度，吸收中子，控制便于铀235吸收 反应速度 3．核电站发电的优点

(1)消耗的核燃料少，一座百万千瓦的核电站，一年只消耗浓缩铀30 t左右，而同样功率的火电站每年要消耗250万吨优质煤．

(2)对环境的污染要比火力发电小．

235U＋1n→141Ba＋92Kr＋31n. 铀核裂变有多种形式，其中一种的核反应方程是 920 56360

235U、141Ba、92Kr、1n的质量分别为(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量．( 92 56360

235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u，1 u相当于931 MeV)

(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？它相当于燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107 J/kg)

(3)一座发电能力为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率为η＝40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，所用铀矿石中铀235的含量为4%，则该核电站一年消耗铀矿石多少吨？

[思路点拨] (1)计算释放的核能相当于燃烧多少煤，或需要多少铀时，先计算出一个铀核裂变放出的能量ΔE，ΔE乘以原子核数为放出的总能量E，再由E计算煤或铀的质量．

MM

(2)原子核数N＝＝NA.

M核M摩[解析] (1)裂变反应的质量亏损为

Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7) u＝0.215 3 u 一个铀235原子核裂变后释放的能量为 ΔE＝0.215 3×931 MeV≈200.4 MeV. (2)1 kg铀235中含原子核的个数为 m103

N＝NA＝×6.02×1023≈2.56×1024个

MU235则1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量 ΔEN＝NΔE＝2.56×1024×200.4 MeV≈5.13×1026 MeV 设q为煤的热值，m为煤的质量，有ΔEN＝qm

26619

ΔEN5.13×10×10×1.6×10－

所以m＝＝ kg

q2.94×107

≈2 791.8 t.

EPt

(3)核电站一年的发电量E＝Pt，需要的核能为＝

ηη

0.04MNA

设所用铀矿石质量为M，则铀235的含量为0.04M，对应的原子核数

MUPt0.04M因＝NΔE ηMUA

PtMU

则M＝

0.04ηNAΔE＝

109×365×24×60×60×235

0.04×40%×6.02×1023×200.4×106×1.6×10－19

g≈2.4×107 g＝24 t.

[答案] (1)200.4 MeV (2)5.13×1026 MeV 2 791.8 t (3)24 t

核能的利用与环境保护

1．核原料提供的能量巨大，1 kg铀全部释放的能量大约相当于2 700 t标准煤燃烧放出的能量．地球上的一般常规能源都无法跟核能相比．除铀外，钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富，如果能把钍利用起来，核电的发展前景将更为广阔．热核反应所需的氘如前所述更是储量丰富．核原料的运输和储存方便，如：一座100万千瓦核电站一年所需原料铀，只需6辆卡车就可全部运到现场．

核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护．

2．核电站为防止放射性物质的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物，外面密封锆合金包壳，第三道是压力边界，第四道是安全壳．这些措施大大提高了核能利用的安全性．

对核废料先回收利用，剩下的废料就很少了，将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后，储存在地下浅层废料库，对高放射性的废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库．加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性．

(多选)日本东海岸曾发生9.0级地震，地震引发的海啸摧毁了日本福岛第一核电

站的冷却系统，最终导致福岛第一核电站的6座核反应堆不同程度损坏，向空气中泄漏大量碘131、铯137、钡等放射性物质，这些放射性物质随大气环流飘散到许多国家．有效防治核污染，合理、安全利用核能成为当今世界关注的焦点和热点．下列说法中正确的是( )

A．福岛第一核电站是利用原子核衰变时释放的核能来发电 B．铯、碘、钡等衰变时释放能量，故会发生质量亏损

C．铯137进行β衰变时，往往同时释放出γ射线，γ射线具有很强的穿透能力，甚至能穿透几厘米厚的铅板

D．铯137进入人体后主要损害人的造血系统和神经系统，其半衰期是30.17年，如果将铯137的温度降低到0度以下，可以延缓其衰变速度

[解析] 核电站是利用重核裂变释放的能量来发电的，而不是靠衰变，A错误．释放能量就一定有质量亏损，B正确．β衰变往往同时释放出γ射线，γ射线具有很强的穿透能力，

能穿过几厘米厚的铅板，C正确．放射性元素的半衰期由其本身决定，与周围环境无关，D错误．

[答案] BC

有关核反应的综合问题

某一年， 7颗人造卫星同时接收到来自远方的中子星发射的γ光子，经分析确

认，1个负电子和1个正电子湮灭时放出2个频率相同的γ光子．已知负电子、正电子的静

－

止质量m0＝9.1×1031 kg，又已知静止质量为m0的粒子，其能量E和湮灭前的动量p满足

4

关系E2＝c2p2＋m20c.式中c为光速，若负电子、正电子的动量为零，则：

(1)写出湮灭的核反应方程式．

(2)用动量的有关知识说明上述核反应不可能只放出一个光子． (3)计算出γ光子的频率．

0[解析] (1)核反应方程式为－0→2γ. 1e＋1e―

(2)若只放出一个光子，说明反应后总动量不为零，而反应前总动量为零，违反动量守恒定律，所以只放出一个光子是不可能的．

(3)正、负电子湮灭前的动量为零，即c2p2项为零，可知其对应的能量为E＝m0c2，光子的能量满足E＝hν，由能量守恒有：m09.1×10－31×（3×108）2

Hz＝1.24×1020 Hz. 34－6.63×10

0[答案] (1)－0→2γ (2)见解析 1e＋1e―

(3)1.24×1020 Hz

c2＋m2

0c＝2hν，即得频率为

m0c2ν＝＝

h

本题中需明确光子、电子等微观粒子均有动量和能量，且动量守恒定律、能量守恒定律在核反应中同样适用．

[随堂检测]

1．根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是( )

A．夸克、轻子、胶子等粒子 B．质子和中子等粒子

C．光子、中微子和电子等粒子 D．氢核、氚核、氦核等轻核

解析：选A.宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子