2017-2018學年高中物理 第十九章 原子核 第7、8節(jié) 核聚變 粒子和宇宙教學案 新人教版選修3-5

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1、 第7、8節(jié) 核聚變__粒子和宇宙 1．兩個輕核結合成質量較大的核，這樣的核反應叫聚變。 2．約束核聚變材料的方法：磁約束和慣性約束。 3．粒子分為三大類，有媒介子、輕子、強子。美國物理學家蓋爾曼提出，強子是由夸克構成的。 一、核聚變 1．定義 兩個輕核結合成質量較大的原子核的反應。 2．條件 (1)輕核的距離要達到10－15_m以內。 (2)聚變可以通過高溫來實現，因此又叫熱核反應。 3．核反應舉例 (1)熱核反應主要應用在核武器上，如氫彈。 (2)熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆。 (3)典型的核聚變：一

2、個氘核和一個氚核的聚變， H＋H→He＋n＋γ 該反應平均每個核子放出的能量比裂變反應平均每個核子放出的能量大3～4倍。 4．聚變與裂變相比有很多優(yōu)點 (1)輕核聚變產能效率高。 (2)地球上聚變燃料的儲量豐富。 (3)輕核聚變更為安全、清潔。 5．實現核聚變的方法 (1)難點：地球上沒有任何容器能夠經受幾百萬開爾文的高溫。 (2)方案：科學家設想了兩種方案，即磁約束和慣性約束，環(huán)流器是目前性能最好的一種磁約束裝置。 二、粒子和宇宙 1．“基本粒子”不基本 (1)19世紀末，人們認為原子是組成物質的不可再分的最小微粒。 (2)后來認為光子、電子、質子和中子是組成物質

3、的不可再分的最基本的粒子，并稱為“基本粒子”。 隨著科學的進一步發(fā)展，科學家們逐漸發(fā)現了數以百計的不同種類的新粒子，它們都不是由質子、中子、電子組成的，另外又發(fā)現質子、中子等本身也有自己的復雜的結構。所以，從20世紀后半期起，就將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子。 2．發(fā)現新粒子與夸克模型 (1)反粒子 實驗中發(fā)現，對應著許多粒子都存在質量、壽命、自旋等物理性質與過去已經發(fā)現的粒子相同，而電荷等其他性質相反的粒子，這些粒子叫做反粒子。例如，電子的反粒子就是正電子。 (2)粒子的分類 按照粒子與各種相互作用的不同關系，可將粒子分為三大類： ①強子：參與強相互作用的粒子，質子是最早發(fā)現的

4、強子。 ②輕子：不參與強相互作用的粒子，最早發(fā)現的輕子是電子。 ③媒介子：是傳遞各種相互作用的粒子，如光子、中間玻色子、膠子。 (3)夸克模型的提出 1964年提出的夸克模型，認為強子是由更基本的夸克組成的。 3．宇宙及恒星的演化 (1)宇宙演化 根據大爆炸理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風采的時期。在大爆炸之后逐漸形成了夸克、輕子和膠子等粒子，隨后經過強子時代、輕子時代、核合成時代。繼續(xù)冷卻，質子、電子、原子等與光子分離而逐步組成恒星和星系。 (2)恒星的演化 ①恒星的形成：大爆炸后，在萬有引力作用下形成星云團，進一步凝聚使引力勢能轉變?yōu)閮饶?，溫度升高，直到發(fā)光，于是

5、恒星誕生了。 ②恒星演變：核聚變反應，層級遞進地在恒星內發(fā)生，直到各種熱核反應不再發(fā)生時，恒星的中心密度達到極大。 ③恒星歸宿：恒星最后的歸宿有三種，它們是白矮星、中子星、黑洞。 1．自主思考——判一判 (1)核聚變反應中平均每個核子放出的能量比裂變時小一些。(×) (2)輕核的聚變只要達到臨界質量就可以發(fā)生。(×) (3)現在地球上消耗的能量絕大部分來自太陽內部的聚變反應。(√) (4)質子、中子、電子都是不可再分的基本粒子。(×) (5)質子和反質子的電量相同，電性相反。(√) (6)按照夸克模型，電子所帶電荷不再是電荷的最小單元。(√) 2．合作探究——議一議

6、(1)核聚變?yōu)槭裁葱枰獛装偃f開爾文的高溫？ 提示：要使輕核發(fā)生聚變就必須使它們間的距離達到核力發(fā)生作用的距離，而核力是短程力，作用距離在10－15 m，在這個距離上時，質子間的庫侖斥力非常大，為了克服庫侖斥力就需要原子核具有非常大的動能才會撞到一起， 當溫度達到幾百萬開爾文時，原子核就可以具有這樣大的動能。 (2)受控核聚變中磁約束的原理是什么？ 提示：原子核帶有正電，垂直磁場方向射入磁場后在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，繞著一個中心不斷旋轉而不飛散開，達到約束原子核的作用。 (3)為什么說基本粒子不基本？ 提示：一方面是因為這些原來被認為不可再分的粒子還有自己的復雜結構，另一方面

7、是因為新發(fā)現的很多種新粒子都不是由原來認為的那些基本粒子組成的。 對核聚變的理解及應用 1．聚變發(fā)生的條件 要使輕核聚變，必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15 m，這要克服電荷間強大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能。要使原子核具有足夠大的動能，就要給它們加熱，使物質達到幾百萬開爾文的高溫。 2．輕核聚變是放能反應 從比結合能的圖線看，輕核聚變后比結合能增加，因此聚變反應是一個放能反應。 3．核聚變的特點 (1)在消耗相同質量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。 (2)熱核反應一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就可以使反應進行下

8、去。 (3)普遍性：熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆。 4．核聚變的應用 (1)核武器——氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反應裝置。它利用彈體內的原子彈爆炸產生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。 (2)可控熱核反應：目前處于探索階段。 5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別 重核裂變 輕核聚變 放能原理 重核分裂成兩個或多個中等質量的原子核，放出核能 兩個輕核結合成質量較大的原子核，放出核能 放能多少 聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量要大3～4倍 核廢料處理難度 聚變反應的核廢料處理要比裂變反應簡單得多 原料的蘊藏量 核裂變燃料鈾在地

9、球上儲量有限，尤其用于核裂變的鈾235在鈾礦石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的儲量非常豐富，1 L海水中大約有0.03 g氘，如果用來進行熱核反應，放出的能量約與燃燒300 L汽油相當 可控性 速度比較容易進行人工控制，現在的核電站都是用核裂變反應釋放核能 目前，除氫彈以外，人們還不能控制它 [典例]　 太陽的能量來自下面的反應：四個質子(氫核)聚變成一個α粒子，同時發(fā)射兩個正電子，若太陽輻射能量的總功率為P，質子H、氦核He、正電子e的質量分別為mp、mα、me，真空中的光速為c，求： (1)寫出核反應方程； (2)核反應所釋放的能量ΔE； (3)1 s內參

10、與上述熱核反應的質子數目。 [思路點撥]　 (1)根據質量數守恒和電荷數守恒書寫核反應方程。 (2)由愛因斯坦質能方程求解釋放的能量。 (3)由功率的定義求1 s內參與反應的質子數。 [解析]　(1)根據質量數守恒和電荷數守恒，可得核反應方程為4H→He＋2e。 (2)質量虧損Δm＝4mp－mα－2me，根據愛因斯坦質能方程：ΔE＝Δmc2，核反應釋放的能量，ΔE＝(4mp－mα－2me)c2。 (3)設單位時間內參與熱核反應的質子數為N，依據能量關系 P＝，有N＝。 [答案]　(1)4H→He＋2e　(2)(4mp－mα－2me)c2　(3) 輕核聚變釋放核能的計算方

11、法 1．根據質量虧損計算。 根據愛因斯坦質能方程，用核子結合成原子核時質量虧損(Δm)的千克數乘以真空中的光速(c＝3×108 m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2?！、? 2．根據1個原子質量單位(u)相當于931.5 MeV能量，用核子結合成原子核時質量虧損的原子質量單位數乘以931.5 MeV， 即ΔE＝Δm×931.5 MeV。?、? 注意：式①中Δm的單位為kg；式②中Δm的單位是u，ΔE的單位是MeV。　 　　　 1．(多選)科學家使用核反應獲取氚，再利用氘和氚的核反應獲得能量，核反應方程分別為：X＋Y→He＋H＋4.9 MeV和H＋H→He＋X＋17.6 MeV，下列表述正

12、確的有(　　) A．X是中子 B．Y的質子數是3，中子數是6 C．兩個核反應都沒有質量虧損 D．氘和氚的核反應是核聚變反應 解析：選AD　核反應方程遵守核電荷數守恒和質量數守恒，則由H＋H→He＋X＋17.6 MeV知X為n，由X＋Y→He＋H＋4.9 MeV知Y為Li，其中Y的質子數是3，中子數也是3，選項A正確，選項B錯誤。兩個核反應都釋放出核能，故都有質量虧損，選項C錯誤。X＋Y→He＋H＋4.9 MeV是原子核的人工轉變，H＋H→He＋n＋17.6 MeV為輕核聚變，選項D正確。 2．氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放出巨大的能量，該反應方程為：H＋H―→He＋x，式中x是某種

13、粒子。已知：H、H、He和粒子x的質量分別為2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u＝，c是真空中的光速。由上述反應方程和數據可知，粒子x是________，該反應釋放出的能量為________MeV(結果保留3位有效數字)。 解析：根據質量數和電荷數守恒可得x是n(中子)。核反應中的質量虧損為Δm＝(2.014 1 u＋3.016 1 u－4.002 6 u－1.008 7 u)＝0.018 9 u，所以該反應釋放出的能量為 ΔE＝Δm·c2＝17.6 MeV。 答案：n(或中子)　17.6 新粒子的發(fā)現和夸克模型 1．新粒

14、子的發(fā)現及特點 發(fā)現時間 1932年 1937年 1947年 20世紀60年代后 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 參與的相互作用 發(fā)現的粒子 備注 強子 參與強相互作用 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 不參與強相互作用 電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 未發(fā)現內部結構 媒介子 傳遞各種相互作用 光子、中間玻

15、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．夸克模型 (1)夸克的提出：1964年美國物理學家蓋爾曼提出了強子的夸克模型，認為強子是由夸克構成的。 (2)夸克的種類：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和頂夸克(t)。 (3)夸克所帶電荷：夸克所帶的電荷量是分數電荷量，即其電荷量為元電荷的－或＋。 例如，上夸克帶的電荷量為＋，下夸克帶的電荷量為－。 (4)意義：電子電荷不再是電荷的最小單位，即存在分數電荷。 1．根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(　

16、　) 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 解析：選A　宇宙形成之初產生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經歷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組合成氘核，并形成氦核的核合成時代，之后電子和質子復合成氫原子，最后形成恒星和星系，因此A正確，B、C、D錯誤。 2．(多選)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(反夸克或反夸克)組成的，它們的帶電荷量如表所示，表中e為元電荷。 粒子 π＋ π－ u d 帶電荷量

17、＋e －e ＋ － － ＋ 下列說法正確的是(　　) A．π＋由u和組成　　 B．π＋由d和組成 C．π－由u和組成 D．π－由d和組成 解析：選AD　因π＋介子帶有＋e的電荷量，且是由一個夸克和一個反夸克組成的，則夸克u帶＋e和反夸克帶＋e合成電荷量為＋e，那么π＋介子就是由夸克u和反夸克組成的；同理，π－介子由夸克d和反夸克組成，所以A、D正確。 3．在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出。中微子的性質十分特別，因此在實驗中很難探測。1953年，萊尼斯和柯文建造了一個由大水槽和探測器組成的實驗系統(tǒng)，利用中微子與水中H的核反應，間接地證實了中微子的存在。 (1)

18、中微子與水中的H發(fā)生核反應，產生中子(n)和正電子(e)，即：中微子＋H→n＋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1 C．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?yōu)閮蓚€光子(γ)，即e＋e→2γ，已知正電子和電子的質量都為9.1×10－31 kg，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可能只轉變?yōu)橐粋€光子，原因是____________________________________________________________

19、____________ ________________________________________________________________________。 解析：(1)發(fā)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，選項A正確。 (2)產生的能量是由于質量虧損。兩個電子轉變?yōu)閮蓚€光子之后，質量變?yōu)榱?，則E＝Δmc2，故一個光子的能量為，代入數據得＝8.2×10－14 J。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(tǒng)總動量為零，故只有產生2個光子，此過程才遵循動量守恒定律。 答案：見解析 1．關于粒子，下列說法

20、正確的是(　　) A．電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本的粒子 B．強子都是帶電的粒子 C．夸克模型是探究三大類粒子結構的理論 D．夸克模型說明電子不再是電荷的最小單位 解析：選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；夸克模型是研究強子結構的理論，不同夸克帶電不同，分別為＋e和－e，說明電子電荷不再是電荷的最小單位，故C錯誤，D正確。 2．20世紀30年代以來，人們在對宇宙射線的研究中，陸續(xù)發(fā)現了一些新的粒子，K介子和π介子就是科學家在1947年發(fā)現的。K－介子的衰變方程為K－→π0＋π－，

21、其中K－介子和π－介子帶負電，電荷量等于元電荷的電荷量，π0 介子不帶電。如圖所示，一個K－介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中，其軌跡為圖中的圓弧虛線，K－介子衰變后，π0介子和π－介子的軌跡可能是(　　) 解析：選A　π0介子不帶電，在磁場中不偏轉，π－介子帶負電，在磁場中洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，再根據動量守恒判定知A正確。 3．(多選)關于輕核聚變，下列說法正確的是(　　) A．兩個輕核聚變?yōu)橹械荣|量的原子核時要吸收能量 B．同樣質量的物質發(fā)生聚變時放出的能量比同樣質量的物質裂變時釋放的能量大很多 C．聚變反應的條件是聚變物質的體積達到臨界體積 D．發(fā)生聚變反應時的

22、原子核必須有足夠大的動能 解析：選BD　根據比結合能圖線可知，聚變后比結合能增加，因此聚變反應中會釋放能量，故A錯誤；聚變反應中平均每個核子放出的能量比裂變反應中每個核子放出的能量大3～4倍，故B正確；裂變反應的條件是裂變物質的體積達到臨界體積，而聚變反應時，要使輕核之間的距離達到10－15 m以內，這需要原子核有很大的動能才可以實現聚變反應，故C錯誤，D正確。 4．(多選)下列說法正確的是(　　) A.N＋H→C＋He是α衰變方程 B.H＋H→He＋γ是核聚變反應方程 C.U→Th＋He是核裂變反應方程 D.He＋Al→P＋n是原子核的人工轉變方程 解析：選BD　衰變是在沒有粒

23、子轟擊的情況下，原子核自發(fā)地放出α粒子或β粒子的反應，N在質子的轟擊下發(fā)生的核反應屬于人工轉變，A錯；H＋H―→He＋γ是兩個質量較輕的核結合成了質量較重的核，是核聚變反應，B對；U→Th＋He是α衰變，裂變必須形成兩個中等質量的核，C錯；用α粒子去轟擊原子核，產生新原子核并放出一個粒子，這是原子核的人工轉變，D對。 5．(多選)下列關于聚變的說法中，正確的是(　　) A．要使聚變產生，必須克服核力做功 B．輕核聚變需要幾百萬開爾文的高溫，因此聚變又叫做熱核反應 C．原子彈爆炸能產生幾百萬開爾文的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應 D．太陽和許多恒星內部都在激烈地進行著熱核反應

24、解析：選BCD　輕核聚變時，要使輕核之間距離達到10－15 m，所以必須克服庫侖斥力做功，達到核力作用的范圍，A錯誤；原子核必須有足夠的動能，才能使它們接近到核力能發(fā)生作用的范圍，實驗證實，原子核必須處在幾百萬開爾文的高溫下才有這樣的能量，這樣高的溫度通常利用原子彈爆炸獲得，故B、C正確；在太陽和其他恒星內部都存在著熱核反應，D正確。 6．恒星向外輻射的能量來自于其內部發(fā)生的各種熱核反應，當溫度達到108 K時，可以發(fā)生“氦燃燒”。 (1)完成“氦燃燒”的核反應方程：He＋________→Be＋γ。 (2)Be是一種不穩(wěn)定的粒子，其半衰期為2.6×10－16s。一定質量的Be，經7.8

25、×10－16s后所剩Be占開始時的________。 解析：(1)根據質量數和電荷數守恒可知He＋He→Be＋γ。 (2)經歷半衰期的次數n＝＝＝3，故剩余的占開始時的3＝。 答案：(1)He(或α)　(2)(或12.5%) 7．正電子是電子的反粒子，它跟普通電子的電量相等，而電性相反，科學家設想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子構成的物質——反物質。1997年初和年底，歐洲和美國的科學研究機構先后宣布：他們分別制造出9個和7個反氫原子，這是人類探索反物質的一大進步。你推測反氫原子的結構是(　　) A．由一個帶正電荷的質子與一個帶負電荷的電子構成 B．由一個帶負電荷的質子與一

26、個帶正電荷的電子構成 C．由一個不帶電的中子與一個帶負電荷的電子構成 D．由一個帶負電荷的質子與一個帶負電荷的電子構成 解析：選B　反氫原子的結構應該是反質子與反電子組成，即一個帶負電荷的質子與一個帶正電荷的電子構成。 8．如下一系列核反應是恒星內部發(fā)生的。 p＋C→N　N―→C＋e＋＋ν p＋C→N　p＋N―→O O→N＋e＋＋ν　p＋N→C＋α 其中p為質子，α為α粒子，e＋為正電子，ν為一種中微子。已知質子的質量為mp＝1.672 648×10－27 kg，α粒子的質量為mα＝6.644 929×10－27 kg，正電子的質量為me＝9.11×10－31 kg，中微子的質

27、量可忽略不計。真空中的光速c＝3.00×108 m/s，試計算該系列反應完成后釋放的能量。 解析：為求出系列反應后釋放的能量，將題中所給的諸核反應方程左右兩側分別相加，消去兩側相同的項，系列反應最終等效為 4p→α＋2e＋＋2ν 設反應后釋放的能量為Q，根據質能關系和能量守恒得 4mpc2＝mαc2＋2mec2＋Q 代入數值可得 Q＝3.95×10－12 J。 答案：3.95×10－12 J 9．有一種聚變反應是四個氫核聚變成一個氦核，同時放出兩個正電子。求： (1)該聚變反應釋放多少能量？ (2)若1 g氫完全聚變，能釋放多少能量？ (3)1 g氫完全聚變，釋放的能量相

28、當于多少煤完全燃燒放出的熱能？(已知煤的燃燒值q＝3.36×107 J/kg，氫核質量為1.008 142 u，氦核質量為4.001 509 u，電子的質量為0.000 549 u) 解析：(1)核反應方程為：4H→He＋2e，所以Δm＝4mH－mHe－2me＝4×1.008 142 u－4.001 509 u－2×0.000 549 u＝0.029 961 u ΔE＝Δmc2＝0.029 961 uc2＝0.029 961×931.5 MeV＝27.91 MeV＝4.47×10－12 J。 (2)1 g氫完全聚變釋放的能量為 E＝×6.02×1023×4.47×10－12 J＝6.73×1011 J。 (3)相當于煤完全燃燒的質量為： m＝ kg＝2.00×104 kg。 答案：(1)4.47×10－12 J　(2)6.73×1011 J (3)2.00×104 kg 11