1、第六节第六节 核能利用核能利用 第七节第七节 小粒子与大宇宙小粒子与大宇宙 1了解核电站的工作原理 2了解核能利用的优缺点 3知道小粒子和大宇宙间的跨度 一、反应堆 核反应堆是人们控制链式反应的装置它 主要由以下几部分组成： (1)燃料： ； (2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应， 采用 、 和 作减速剂； (3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就 要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中 插入镉棒的方法，利用镉 的特性，就可以容易地控制链 式反应的速度 铀棒铀棒 石墨石墨 重水重水 普通水普通水 吸收中子强吸收中子强 工作原理：核燃料 释放的能量，使 反应区温度升高 在反应堆内外 ，把
2、反应堆内的 热量传输出去，用于发电 对人体的伤害 和 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 ，用来屏蔽裂变反应放出的各 种射线，核废料具有很强的 ，需要装 入特制的容器， 裂变裂变 循环流动循环流动 射线射线 放射性物质放射性物质 水泥层水泥层 放射性放射性 深埋地下深埋地下 二、核电站、核能利用 核电站：利用反应堆工作时释放的热能使 水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核 电站 核能利用：(1) ，(2) ， (3)原子核物理实验制造各种放射性同位 素 核能发电的优点、缺点 优点：污染小；可采储量大；比较 经济 缺点：一旦核泄漏会造成严重的核污染； 核废料处
3、理困难 核力发电核力发电 核动力核动力 1.图片对齐 在我们插入PPT图片或是输入文字的时候，为了整齐都需要将插入的文本框对齐 ，但是又不想一个一个的进行操作，这时按住Ctrl键将需要进行对齐的文本选中 ，点击开始排列对齐垂直居中即可； 2.巧用格式刷 在制作PPT的时候为了保证PPT风格的统一，很多任通常会使用复制粘贴来确保 每一页PPT格式相同，这样对于少页数来说可以进行操作，但是碎玉多页面的话 就有点麻烦了，其实我们可以巧用格式刷：首先，在开始菜单栏下方有一个格式 刷，点击格式刷，很快就能看到效果； 3.去除所有动画效果 很多人在制作PPT的时候都是直接在模板库里下载模板进行使用的，但是
4、下载的 模板大多数都是有幻灯片的，这样在演讲的时候很不方便，怎样将其进行去除呢 ？单击幻灯片放映选择设置幻灯片放映，放映类型选择演讲者放映；换片方式 选择手动即可； 4.PPT快键 PPT逼格提升技巧逼格提升技巧 三、小粒子与大宇宙 空间跨度 (1)大爆炸宇宙模型：大约150亿年前突然发 生一次 ，其后逐渐诞生出星球、 星系、脉冲星、超新星、黑洞、以及被称 作类星体的遥远发光体等，经历150亿年演 化成今天的宇宙世界 (2)人类所能研究的物质世界的空间尺度： 约为 到 ，共跨越了约42个数量 级 大爆炸大爆炸 10 15 m 1027 m 时间跨度 (1)宇宙的年龄的数量级： (2)微观粒子的
5、最短寿命： (3)物质世界的时间尺度：约从1025 s到 1018 s，跨越了将近 个数量级. 1018 s 10 25 s 43 一、核反应堆 要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生 作用的距离1015 m，这要克服电荷间强大 的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动 能要使原子核具有足够大的动能，就要 给它们加热，使物质达到几百万开尔文的 高温 核反应堆核电站的心脏 裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人 工控制链式反应的装置，可以使核能较平 缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作 原理如下表： 组成部分 材料 作用 裂变材料 (核燃料) 浓缩铀 ( U) 提供核燃料 慢化剂 (减速剂) 石墨、重水
6、 和普通水 使裂变产生的快中 子减速 控制棒 镉 吸收减速后的中子， 控制反应速度 反射层 石墨 阻止中子逃逸 热交换器 水 产生高温蒸汽，推 动汽轮发电机发电 防护层 金属套和 钢筋混凝土 防止射线对人体及 其他生物体的侵害 235 92 二、原子弹和核电站的工作原理 原子弹和核电站都是重核裂变，一方面核 武器严重的威胁着人类的安全；另一方面， 人们积极的把核能应用到为人类造福的研 究中怎样能够引起重核裂变呢？又怎样 进行控制呢？ 原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时 间内释放出来核电站是利用缓慢释放的 核能来发电的，这是核能的和平利用，因 此核电站是可控的链式反应 铀235裂变需要一定的条
7、件：(1)要有足够浓 度的铀235；(2)要有足够数量的慢中子；(3) 铀块的体积要大于临界体积当中子进入铀 235后，便形成了处于激发状态的复核，复核 中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的 形状，核子间的距离增大，因而核力迅速减 弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢 复原状，这样就分裂成几块，同时放出23 个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这 样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来 越多的核能，这就叫链式反应 原子弹中裂变一旦开始，裂变放出的快中子， 又引起其他铀核裂变速度很快，在极短的时 间内释放大量的能量，因此杀伤力强大 在核电站中，核反应堆是热源，如图46、7 1为简化的核反应堆
8、的示意图： 图图46、71 铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的 含量占2%4%)制成石墨(或重水)为减速 剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于 铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周 围镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度， 所以也叫控制棒控制棒插入深些，吸收中 子多，反应速度变慢，插浅一些，吸收中子 少，反应速度变快反应速度加快采用电 子仪器自动地调节控制棒的升降，就能使反 应堆安全正常地工作 三、小粒子和大宇宙 宏观世界和微观世界之间存在着巨大的差 异，从空间范围来讲，宏观世界已扩展到 现代天文学观测所能探及的约1027 m之外 的宇宙深处；微观世界则已深入到约10 19 m之外的
9、夸克和轻子，从时间范围来讲， 宏观世界的“寿命”至少不少于150亿年； 微观世界中的粒子寿命有的长10亿年，而 有的却短到仅1023 s这两个在空间上 和时间上有“天壤之别”的世界之间，却 存在着千丝万缕的联系 要真正理解我们的宇宙，就必须从研究极微 小的粒子开始，看看那里都发生了些什么情 况，然后再来遥望整个宇宙，因为宏观世界 的许多基本问题往往可在对微观世界的研究 中得到解决其实，任何关于其中一个世界 的新知识，都可以促进人们对另一个世界的 了解. 核反应堆核反应堆 【典例【典例 1】 在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、重在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、重 水和石墨等常用作减
10、速剂中子在重水中可与水和石墨等常用作减速剂中子在重水中可与2 1H 核碰撞 核碰撞 减速，在石墨中与减速，在石墨中与12 6C 核碰撞减速上述碰撞可简化为弹 核碰撞减速上述碰撞可简化为弹 性碰撞模型某反应堆中快中子与静止的性碰撞模型某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心靶核发生对心 正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石 墨作减速剂，哪种减速效果更好？墨作减速剂，哪种减速效果更好？ 解析解析 设中子质量为设中子质量为 mn，靶核质量为，靶核质量为 m，由动量守恒定律：，由动量守恒定律： mnv0mnv1mv2 由能量守恒：由能量守恒：1
11、2mnv 2 0 1 2mnv 2 1 1 2mv 2 2 解得解得 v1m n m mnmv0， ， 在重水中靶核质量在重水中靶核质量 mH2mn v1Hm n mH mnmHv0 1 3v0， ， 在石墨中靶核质量在石墨中靶核质量 mC12mn， v1Cm n mC mnmCv0 11 13v0 与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好 答案答案 见解析见解析 借题发挥 (1)中子与靶核碰撞过程中满足动 量守恒、能量守恒 (2)因为靶核的质量大于中子的质量，故只有 靶核的质量比中子的质量大得越少，减速效 果越好，如质量相等时可以使中子的速
12、度为 零 【变式1】 在核反应中，控制铀235核裂变反 应速度的方法是 ( ) A使用浓缩铀 B改变铀块的临界体积 C通过自动控制装置，改变镉棒插入的 深度，以改变 中子数 D利用石墨与中子的碰撞来改变中子的 速度 解析 控制核反应的速度是靠调节中子数目 来实现，即用镉棒吸收中子改变中子数目 答案 C 【典例2】 在其他能源中，核能具有能量密 度大，地区适应性强的优势在核电站中， 核反应堆释放的核能被转化为电能核反 应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生 裂变反应，释放出大量核能 核电站核电站 (1)核反应方程式核反应方程式235 92U 1 0n 141 56Ba 92 36Kr aX 是反应
13、堆中发是反应堆中发 生的许多核反应中的一种，生的许多核反应中的一种，n 为中子，为中子，X 为待求粒子，为待求粒子，a 为为 X 的个数，则的个数，则 X 为为_，a_mU、mBa、mKr 分别表示分别表示235 92U、 、141 56Ba、 、92 36Kr 的 的核的质量，核的质量，mn、mP分别表示分别表示 中子、质子的质量，中子、质子的质量，c 为光在真空中传播的速度，则在上述为光在真空中传播的速度，则在上述 核反应过程中放出的核能核反应过程中放出的核能 E_ (2)有一座发电能力为有一座发电能力为 P1.00106 kW 的核电站， 核能转化的核电站， 核能转化 为电能的效率为电能
14、的效率 40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是假定反应堆中发生的裂变反应全是 本题本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能 E 2.7810 11 J， ， 235 92U 核的质量 核的质量 mU39010 27 kg.求每年 求每年(1 年年3.15107 s)消耗的消耗的235 92U 的质量 的质量 解析解析 (1)依据核电荷数守恒和质量数守恒定律可判断依据核电荷数守恒和质量数守恒定律可判断 X 为为 中子中子(1 0n)，且 ，且 a3，据爱因斯坦的质能方程，据爱因斯坦的质能方程Emc2，即，即 EmU(mBamKr2mn) c2
15、. (2)因核电站的核能转化效率为因核电站的核能转化效率为 40% 故电站消耗故电站消耗235 92U 的功率 的功率 P为为 P P 40% 106 40% kW 2.5106 kW 则电站每年消耗则电站每年消耗235 92U 所释放的能量为 所释放的能量为 EPt2.51061033.15107 J 7.8751016 J 故每年消耗故每年消耗235 92U 的质量为 的质量为 m E E mU7.875 1016 2.7810 1139010 27 kg 1 105 kg 答案答案 (1)中子中子 3 mU(mBamKr2mn)c2 (2)1 105 kg 借题发挥借题发挥 (1)此裂变
16、方程式满足质量数、电荷数守恒此裂变方程式满足质量数、电荷数守恒 (2)核电站向外输送的能量是一个个核反应释放核能累加的核电站向外输送的能量是一个个核反应释放核能累加的 结果，故结果，故 n E E， ，mnmU得得 m E E mU. 【变式2】 1964年10月16日，我国在新疆罗 布泊沙漠成功地进行了第一颗原子弹试验， 结束了中国无核时代 (1)原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时 释放出很大能量，由于裂变物质的体积超 过临界体积而爆炸 完成核裂变反应方程式： 铀原子核裂变自动持续下去的反应过程 叫什么？产生这种反应的条件必须是什么？ (2)为了防止铀核裂变产物放出的各种射 线危害人体和污染环
17、境，需采用哪些措施？ (举两种) 235 92U 1 0n ( )Xe94 38Sr 21 0n 200 MeV 答案答案 (1)140 54 链式反应链式反应 中子再生率大于中子再生率大于 1 (2)核反应堆外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射核反应堆外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射 线；放射性核废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处线；放射性核废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处 理理 【典例3】 下列说法中不正确的是 ( ) A目前还未发现媒介子、轻子和夸克三 类粒子的内部 结构 B自然界存在的能量守恒定律、动量守 恒定律及电荷 守恒定律，对基本粒子不适用 C反粒子与其
18、对应的粒子相遇时，会发 生湮灭现象 D强子是参与强相互作用的粒子，质子 是最早发现的 强子 对粒子的认识对粒子的认识 解析 媒介子、轻子和夸克在现代实验中还 没有发现其内部结构，故A正确反粒子与其 对应的正粒子带等量异种电荷，反粒子与其 对应的正粒子相遇时会发生湮灭现象，故C正 确质子是最早发现的强子，故D正确 答案 B 【变式3】 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质子和中子等强子 C光子、中微子和电子等轻子 D氦核、氚核、氦子等轻核 解析 由大爆炸理论可知，大爆炸之后最 早产生的粒子是
19、夸克、轻子、胶子等粒子， 故A选项正确 答案 A 1关于原子核反应堆，下列说法不正确的是 ( ) A铀棒是核燃料，裂变时释放核能 B镉棒的作用是控制反应堆的功率 C石墨的作用是吸收中子 D冷却剂的作用是控制反应堆的温度和 输出热能 核反应核反应 解析 铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，A 对；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节 中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功 率，B对；慢中子最容易引发核裂变，所以快 中子碰到铀棒前要进行减速，石墨作用是使 中子减速，C错；水或液态金属钠等流体在反 应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输 出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控 制温度，D对 答案 C 2秦
20、山核电站第秦山核电站第三期工程的两个三期工程的两个 6105 kW 发电机组已实发电机组已实 现并网发电现并网发电. 发电站的核能来源于发电站的核能来源于235 92U 的裂变， 下列说的裂变， 下列说 法正确的是法正确的是 ( ) A 反应堆中核反应速度通常是采用调节反应堆中核反应速度通常是采用调节235 92U 的体积来的体积来 控制的控制的 B.235 92U 的一种可能的裂变是的一种可能的裂变是235 92U1 0n 139 54Xe95 38Sr 21 0n. 核电站核电站 C.235 92U 是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期 会缩会缩短短
21、 D虽然核电站能提供很大的能量，但它对环境的污虽然核电站能提供很大的能量，但它对环境的污 染比染比火电站严重火电站严重 解析解析 反应堆中核反应速度由控制棒反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒镉棒)吸收中子的多少吸收中子的多少 来控制，来控制，A 错；错；235 92U 裂变有多种可能性，这是其中常见的裂变有多种可能性，这是其中常见的 一种，一种，B 对；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温对；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温 度压强等外界条件无关，度压强等外界条件无关，C 错；核电站的核能是清洁能源，错；核电站的核能是清洁能源， 污染少，污染少，D 错错 答案答案 B 对粒子的认识 3正电子、负质子等都属于反粒子，它们跟 普通电子、质子的质量、电荷量均相等， 而电性相反科学家设想在宇宙的某些部 分可能存在完全由反粒子构成的物质 反物质.1997年初和年底，欧洲和美国的 科研机构先后宣布：他们分别制造出9个 和7个反氢原子，这是人类探索反物质的 一大进步，你推测反氢原子的结构是 ( ) A由一个带正电荷的质子与一个带负电荷 的电子构成 B由一个带负电荷的质子与一个带正电荷 的电子构成 C由一个不带电荷的中子与一个带负电荷 的电子构成 D由一个带负电荷的质子与一个带负电荷 的电子构成 解析 反氢原子的结构是由反粒子构成的物 质，正电子、负质子等都属于反粒子 答案 B
